Особенности решения качественных задач по оптике

Мало кто догадывается, что такие явления, как закат, радуга, затмение солнца и горение свечи легко можно объяснить физическими законами из раздела «Оптика».

Оптика как раздел физики — что это такое

Оптическими явлениями люди заинтересовались еще в древнем мире. Первые линзы и зеркала были изготовлены в Месопотамии и в Древнем Египте. Позднее осмысление оптических явлений на планете можно встретить в трудах Демокрита и Евклида. 

В XVII столетии Исаак Ньютон выдвинул теорию о корпускулах — мельчайших частицах света. А голландский физик Христиан Гюйгенс предложил волновую теорию. Максимальное внимание со стороны ученых оптика как наука получила в XX веке, когда природу света стали исследовать такие ученые, как Планк, Максвелл, Эйнштейн. 

Краткое определение, что изучает

Оптика — это раздел физики, который изучает процессы излучения света; распространение и взаимодействие в среде:

• видимого излучения; 
• инфракрасного излучения;
• ультрафиолетового излучения. 

Оптика исследует природу света, его свойства и объясняет возникновение связанных с ним явлений. 

Видимое излучение представляет собой электромагнитные волны, у которых длины волн лежат в пределах от 400 до 760 нм и видны человеческому глазу. Свет с длиной волны более 760 нм кажется нам красным, с меньшим 400 нм — фиолетовым.

Инфракрасным излучением называется свет, у которых длина волн больше длины волн красного света. Такой спектр наш глаз не фиксирует, но его ощущает кожа в виде теплового излучения.

Ультрафиолетовое излучение представляет собой свет с меньшими длинами волн, чем у фиолетового света.

Оптические законы и исследования используются в:

• физике;
• электротехнике; 
• медицине (офтальмологии и рентгенологии). 

Основные разделы

Оптика делится на три раздела, которые изучают разные оптические явления и процессы:

• волновая оптика;
• геометрическая;
• квантовая.

Волновая оптика 

Раздел оптики, который изучает такие свойства света, как электромагнитные волны, называют волновой оптикой. Среди изучаемых оптических явлений:

• дисперсия; 
• дифракция; 
• поляризация; 
• интерференция.

Дисперсией называется зависимость преломления световых лучей от их цвета, который в свою очередь определяется длиной световой волны. 

Дифракция — это явление отклонения света от свойственного ему прямолинейного направления распространения по причине прохождения около препятствий, по размеру сопоставимых с длиной волны света, т.е. это огибание препятствий светом.

Поляризацией называют упорядоченное направление колебаний световой волны. 

Интерференция — это процесс наложения двух или нескольких световых волн друг на друга.

Геометрическая оптика

Геометрической оптикой называется раздел, который изучает законы распространения света на основе положений о световых лучах. Световой луч выступает линией, вдоль которой распространяется поток световой энергии.

Геометрическая оптика оперирует такими законами, как:

1. Закон о прямолинейности распространения света в прозрачной однородной среде. Оптически однородной считается такая среда, в которой свет распространяется с постоянной скоростью. Доказательством распространения света в прямолинейном направлении является образование тени. Тень — это область пространства, в которую не попадает световая энергия источника света.
2. Законы отражения постулируют, что перпендикуляр к границе, разделяющей среды, падающий и отраженный лучи в месте падения луча находятся в одной плоскости, при этом угол падения луча равен углу отражения. 
3. Законы преломления: перпендикуляр к границе, которая разделяет среды, падающий и преломленный лучи в месте падения луча находятся в одной плоскости, в зависимости от того, из какой среды в какую переходит луч, угол преломления может быть меньше или больше угла падения.
4. Закон независимого распространения световых лучей заключается в том что световые пучки, пересекаясь, не взаимодействуют и никаким образом не влияют друг на друга.

Геометрическая оптика широко использует линзы как средство для изучения свойств света. Линзой называется прозрачное тело, способное пропускать через себя световые лучи и видоизменять их. 

Линзы бывают:

• выпуклые (собирающие); 
• вогнутые (рассеивающие). 

С понятием линзы связано еще несколько терминов:

1. Фокус — это та точка, в которой собираются все лучи после преломления света по обе стороны от линзы. 
2. Фокусное расстояние — это расстояние от центра линзы до фокуса.
3. Оптической силой линзы называют величину, которая обратна фокусному расстоянию. 

Линзы входит в состав любого оптического прибора. Когда ее толщина очень маленькая в сравнении с радиусами поверхностей, линзу называют тонкой.

Квантовая оптика

Квантовая оптика рассматривает распространение и взаимодействие света с веществом. В квантовой оптике свет рассматривается как поток безмассовых фотонов, движущихся со скоростью, равной скорости света в вакууме. Фотоны возникают при переходах атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных энергетических состояний в состояния с меньшей энергией.

Возникновение квантовой оптики тесно связано с научными исследованиями Макса Планка, который рассматривал свет как поток частиц. Такие свойства света ярко проявляются в условиях:

• теплового излучения;
• фотохимических процессов;
• фотоэффекта;
• вынужденного излучения (лазерная физика) и др.

Тепловое излучение — это возникновение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела, которое имеет место быть при любой температуре.

Фотоэффект — это явление возникновения электронов с поверхности вещества под действием падающего на поверхность света.

Фотохимические процессы — это химические процессы, которые протекают под действием видимого света и ультрафиолетовых лучей.

Методика решения задач по теме Оптика

Задачи по оптике обычно разбивают на четыре группы:

1. Задачи по геометрической оптике.
2. Задачи на вычисление световых характеристик, связанных со средой распространения (как правило, в задании необходимо найти скорость света, длину или частоту световой волны, показатель преломления среды). 
3. Задачи по волновой оптике (в основном на такие явления, как дифракция и интерференция света). 
4. Задания по квантовой оптике (чаще всего встречаются задачи на фотоэффект).

Чтобы решение задач по оптике давалось легко, следует придерживаться общих правил решения физических задач. Тем не менее, оптические задачи имеют свои особенности, о которых важно знать.

В геометрической оптике успех решения задач зависит от того, насколько правильно вы сможете построить лучи. Поэтому нужно определить:

1. Распространяется луч света в одной среде или пересекает две среды с различными оптическими плотностями и границу между ними.
2. Направление, в котором движется луч света: из оптически более плотной среды в менее плотную или наоборот. 
3. Имеет ли место быть полное отражение луча. 
4. Каким образом луч света попадает на границу, разделяющую две среды: 0 градусов или отличен от нуля.
5. Можно ли использовать приближенные формулы (например, замену синусов тангенсами при малых углах). 

При решении задач на построение изображений в линзах важно определить тип линзы, которая дана в условии задачи. Что касается выполнения чертежа, его следует делать поэтапно:

1. Начать с главной оптической оси.
2. Перпендикулярно главной оси нарисовать схематически соответствующий тип линзы.
3. Изобразить положение главных фокусов, если они известны. 
4. Нарисовать положение предмета или его изображения. 
5. Построить побочную оптическую ось и фокальную плоскость. 
6. Изобразить ход лучей, причем важно не перегружать чертеж их количеством, достаточно двух лучей.
7. При необходимости нарисовать дополнительные точки для построения предмета или его изображения.

При решении задач по волновой оптике нужно четко определить, о каком явлении идет речь. Это позволит избежать ошибок, которые могут возникнуть из-за одинакового обозначения величин (число волн или полуволн в процессе интерференции).

Решая задачи на фотоэффект, важно четко разграничить характеристики фотона и электрона.

Качественные задачи по оптике с решениями

Рассмотрим простые примеры решения задач на все разделы.

Волновая оптика

Геометрическая оптика 

Квантовая оптика

Бывает так, что физика, как бы все просто не казалось в теории, сложна на практике. Ни объяснения, ни примеры освоить трудный для понимания предмет не помогают. В этом случае есть смысл обратиться к специалистам Феникс.Хелп, которые сделают за вас практическую часть.