Оптика - Основные формулы примеры решения задач

Машиностроительное черчение
Единая система конструкторской
документации
Машиностроительные построения
Инженерная графика
Сборочный чертеж
Начертательная геометрия
Геометрические основы
построения чертежа
Конспект лекций по начертательной
геометрии
История искусства
Стили в искусстве Готика
Русский балетный театр
Русское изобразительное искусство
ТКМ
Материаловедение
Основы теории сплавов
Теория конструктивных материалов
Сопромат
Сопративление метериалов
Лабораторные работы
Задачи строительной механики
Лекции физика
Физика
Электричество
Магнетизм
Оптика
Электромагнетизм
Молекулярная физика
Лекции МАИ
Лекции МАИ часть 2
Диэлектрики
Квантовая механика
Физические законы механики
Электромагнитное взаимодействия
Атомные станции
Атомная энергетика
Экология энергетики
Атомная и ядерная физика
Теплотехника
Термодинамика
Билеты к экзамену по физике
Задачи физика электротехника
Решение задач по ядерной физике
Электростатика
Геометрическая оптика
Тепловое излучение
Основы теории сплавов
Теория относительности
Физические основы механики
Законы идеальных газов
Электростатика
Основы электротехники
Постоянный ток
Электромагнетизм
Оптика
Законы теплового излучения
Ядерная физика
Строение атома и молекул
Задачи математика
Математика
1 семестр
2 семестр
3 семестр
4 семестр
Интегралы
Лекции по высшей математике
Вычисление площадей в
декартовых координатах
Аналитическая геометрия
 
Информатика
Восстановление сети после аварии
Основные понятия и категории
информатики
Сетевые операционные системы

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

• Фокусное расстояние сферического зеркала

f=R/2,

где R радиус кривизны зеркала.

Оптическая сила сферического зеркала

Ф=1/f. Формула сферического зеркала

,

где а и b расстояния от полюса зеркала соответственно до пред­мета и изображения.

Если изображение предмета мнимое, то величина b берется со знаком минус.

Если фокус сферического зеркала мнимый (зеркало выпуклое), то величина f берется со знаком минус.

• Закон преломления света

,

Пример 1. На стеклянную призму с преломляющим углом θ=50° падает под углом ε=30° луч света. Определить угол откло­нения σ луча призмой, если показатель преломления п стекла равен 1,56.

Пример 2. Оптическая сис­тема представляет собой тон­кую плосковыпуклую стек­лянную линзу, выпуклая по­верхность которой посереб­рена. Определить главное фо­кусное расстояние f такой системы, если радиус кривиз­ны R сферической поверхно­сти линзы равен 60 см.

Критерием истинности наших знаний является факт, практика. Наше сознание отображает предметы, реально существующие вне вас. Практика позволяет проверять образы, возникающие в нашем сознании, и отделять реальность от мнимых представлений. Поэтому теория и практика в научных исследованиях неразрывно связаны между собой. Правильная последовательность научного исследования состоит в пред­варительных наблюдениях, накоплении экспериментальных фактов, за­тем в объединении результатов опытов и наблюдений на основании обобщающих выводов, связанных с введением некоторых абстрактных представлений, и, наконец, в проверке на практике обобщающих выво­дов из абстрактных представлений. Так, например, на основании на­блюдений и обобщающих выводов великий английский ученый Исаак Нью­тон нашел закон всемирного тяготения, затем этот закон был прове­рен в астрономической практике, а проверка привела к открытию планет Нептун в XIX веке и Плутон в XX веке.

История развития теоретической механики

Подобно всем другим наукам теоретическая механика возникла и развивалась под влиянием практических нужд человеческого общества. Она является одной из древнейших наук, и ее история насчитывает приблизительно 25 веков напряженных исканий. Законы и аксиомы теорети­ческой механики были оформлены в результате трудов многих поколений ученых. Начало этой работы относится к глубокой древности, когда на основании опыта, полученного при пользовании первобытными прос­тейшими машинами в Египте и Греции, были найдены первые закономер­ности механики. Конечно, тогда не существовало завершенной сис­темы положений, которую можно было бы назвать научной в современном смысле. В примитивном виде первичные понятия силы и скорости появи­лись еще в античный период. Чисто практическое применение катков, наклонной плоскости, рычага, блоков при постройке грандиозных соору­жений древности (пирамид, дворцов) накапливало определенный опыт и, очевидно, должно было привести к обобщению этого опыта, к установ­лению некоторых законов механики (статики). Среди первых ученых древности выделялся древнегреческий мыслитель Аристотель (384-322 гг. до н.э.). Его сочинения охватывали все современные ему области знания. Аристотель оказал огромное влияние на последующее развитие научной и философской мысли. Его труды на протяжении многих веков были важным источником теоретической мысли и научного знания. Арис­тотель большое внимание уделял и решению практически важных техни­ческих задач того времени. Так, в трактате "Механические проблемы" Аристотель рассматривает конкретные практические задачи при помощи метода, основанного на законе рычага. Но вот первые попытки Арис­тотеля в установлении динамических законов оказались неудачными. Аристотель ошибочно полагал, что скорости падающих тел пропорцио­нальны их весам и что равномерное и прямолинейное движение являет­ся результатом действия постоянной силы. Потребовалось почти два тысячелетия, чтобы преодолеть эти ошибочные представления и зало­жить научные основы динамики. Тем не менее система физических взглядов Аристотеля была первой попыткой изложить замкнутый круг идей, включающий и известные тогда факты механики. Но эта система взглядов, оставившая глубокий след в истории развития науки, была в основном лишена познавательной ценности, т.к. недостаток обос­нованных экспериментальных фактов Аристотель заменял умозрительны­ми заключениями, оторванными от действительности. К числу бесспорных достижений античной механики следует отнес­ти работы древнегреческого математика и механика Архимеда (287-212 гг. до н.э.), который был не только выдающимся инженером своего вре­мени, но и получил первые существенные научные результаты в области механики. Ему принадлежит один из основных законов гидростатики (закон Архимеда), теория рычага, учение о равновесии и центре тяжести. Из других античных ученых можно назвать Герона (I-II в.в. н.э.), а из ученых средневековья: ал-Бируни, Авиценну, Хайяма, Буридана и др.

ФОТОМЕТРИЯ Основные формулы

Пример 1. Прожектор ближнего освещения дает пучок света в виде усеченного конуса с углом раствора 2=40°. Световой поток Ф прожектора равен 80 клм. Допуская, что световой поток распре­делен внутри конуса равномерно, определить силу света I прожек­тора.

Пример 2. Люминесцентная цилиндрическая лампа диаметром d=2,5 см и длиной l=40 см создает на расстоянии r=5 м в направ­лении, перпендикулярном оси лампы, освещенность Еv=2 лк. При­нимая лампу за косинусный излучатель, определить; 1) силу света I в данном направлении; 2) яркость L; 3) светимость М лампы.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА Основные формулы

Пример 1. В точку А экрана от источника S1 монохроматическо­го света длиной волны λ=0,5мкм приходят два луча: непосредствен­но от источника луч S1A, перпендикулярный экрану, и луч S1BA,отраженный в точке В от зеркала, параллельного лучу S1A (рис. 30.2). Расстояние l1 экрана от источника равно 1 м, расстояние h от луча S1A до плоскости зеркала равно 2 мм. Определить: 1) что будет наблюдаться в точке А экрана — усиление или ослабление интенсивности; 2) как изменится интенсивность в точке А, если на пути луча S1A перпенди­кулярно ему поместить плоскопараллельную пластинку стекла (n=1,55) толщиной d=6 мкм.

Пример 2. На толстую стек­лянную пластинку, покрытую очень тонкой пленкой, показа­тель преломления n2 вещества которой равен 1,4, падает нор­мально параллельный пучок монохроматического света (λ=0,6 мкм). Отраженный свет максимально ослаблен вследст­вие интерференции. Определить толщину d пленки.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА Основные формулы

Пример 1. На диафрагму с круглым отверстием радиусом r=1 мм падает нормально параллельный пучок света длиной волны λ=0,05 мкм. На пути лучей, прошедших через отверстие, помещают экран. Определить максимальное расстояние bmax от центра от­верстия до экрана, при котором в центре дифракционной картины еще будет наблюдаться темное пятно.

Пример 2. На щель шириной а=0,1 мм нормально падает параллельный пучок света от монохроматического источника (λ==0,6 мкм). Определить ширину l центрального максимума в дифракционной картине, проецируемой с помощью линзы, нахо­дящейся непосредственно за щелью, на экран, отстоящий от лин­зы на расстоянии L=l м.

Пример 3. На дифракционную решетку нормально к ее поверх­ности падает параллельный пучок света с длиной волны λ=0,5мкм. Помещенная вблизи решетки лин­за проецирует дифракционную картину на плоский экран, удаленный от линзы на L=l м. Расстоя­ние l между двумя максимумами интенсивности первого порядка, наблюдаемыми на экране, равно 20,2 см (рис. 31.3). Определить: 1) постоянную d дифракционной решетки; 2) число n штрихов на 1 см; 3) число максимумов, которое при этом дает дифракционная решетка; 4) максимальный угол φmах отклонения лучей, соот­ветствующих последнему дифракционному максимуму.

 

В течение ХIV-ХVII столетий под влиянием торгового мореплавания и военного дела возник обширный комплекс задач, связанных с движени­ем небесных тел, полетом снарядов, прочностью кораблей, ударом тел. Решение этих задач не могло быть осуществлено старыми методами и требовало прежде всего установления связи между движением и причинами, вызывавшими его изменение. Созданию основ динамики предшество­вал сравнительно длительный период накопления опытных данных и их научного анализа. Здесь можно назвать имена Леонардо да Винчи (1452-1519), Тартальи (1499-1557), Стевина (1548-1620). Леонардо да Винчи – итальянский художник и ученый эпохи Возрождения - был математиком, механиком, физиком и инженером, которому обязаны важными открытиями самые разнообразные отрасли науки и техники. Николо Тарталья – известный математик и механик эпохи Возрождения, занимался главным образом вопросами динамики (движением брошенных тел), но неоднократно обращался и к проблемам статики. Фламандец Симон Стевин был крупнейшим и наиболее последовательным представителем геометрического направления в механике. Его труды сыграли завершающую роль в развитии геометрического направле­ния элементарной статики и гидростатики эпохи Возрождения. Он был наиболее ревностным последователем Архимеда, и гидростатика Стевина (так же, как и его статика) представляет собой дальнейшее развитие геометрического метода Архимеда на том уровне, которого требовала техника строительства плотин в Голландии ХVI-ХVII веков.

В области небесной механики необходимо, прежде всего, отметить работы Николая Коперника (1473 –1543), который явился создателем гелиоцентрической теории движения планет вокруг Солнца, в соответствии с которой Земле было отведено надлежащее место. На основе данных, установленных многовековыми наблюдениями, Коперник показал, что планеты обращаются не вокруг Земли, а вокруг Солнца. Польский астроном гелиоцентрической систе­мы мира Николай Коперник совершил переворот в естествознании, отказавшись от принятого в течение многих веков учения о неподвижности Земли, раскрыв истинное строение Солнечной системы. Дальнейший шаг к изучению движения небесных тел сделал немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630). На основании обработки многочисленных наблюдений движения планеты Марс, выполненных его учителем Тихо Браге, Кеплер установил три закона движения планет.

Особенно важные исследования были проведены Галилео Галилеем (1566-1642). Галилео Галилей - итальянский астроном, механик и фи­зик, один из основоположников точного естествознания. С помощью из­готовленной им зрительной трубы Галилей впервые наблюдал небесные светила. Открыл горы на Луне, четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, звездное строение Млечного пути, пятна на Солнце. Он сформулировал принцип относительности классической механики, установил первый ос­новной закон механики – закон инерции (хотя и не в общем виде). Га­лилей также заложил основы современной кинематики. Он впервые открыл законы свободного падения тел, построил количественную теорию дви­жения тяжелого тела по наклонной плоскости и теорию движения тела, брошенного под некоторым углом к горизонту (без учета сопротивле­ния). Галилею принадлежат работы по статике, он изучал условия рав­новесия рычага, исследовал прочность стержней, заложил основы уче­ния о прочности сооружений, занимался изучением сопротивления жид­кости движущимся в ней телам. Ученик Галилея Эванджелиста Торричелли (1608-1647) известен в механике своим трудом "О движении естественно падающих и брошенных тел". Э. Торричелли – итальянский физик и математик – известен открытием давления воздуха и возможнос­ти существования вакуума (торричеллиева пустота). Открыл также за­кон истечения жидкости из сосуда – первый научно обоснованный за­кон гидродинамики.

Последователем Галилея в области механики был Христиан Гюйгенс (1629-1695), голландский механик, физик, математик, который сфор­мулировал понятия центростремительной и центробежной сил, исследо­вал колебания математического и физического маятника, заложил осно­вы теории удара. Успешно преодолевая схоластический стиль античной науки, ученые этого периода с особым вниманием относились к опыт­ным данным и систематически контролировали истинность своих теоретических построений экспериментальными наблюдениями. Таковы, в частности, установленные Галилеем и Гюйгенсом законы движения тел.

Из французских ученых того времени можно выделить Блеза Пас­каля и Рене Декарта. Блез Паскаль (1623-1662) - французский математик, физик, философ – изобрел суммирующую машину, открыл один из основных гидростатических законов, носящий его имя. На законе Пас­каля основан гидравлический пресс и другие гидростатические машины. Рене Декарт (1596-1650) – французский философ, физик, математик – защищал положения о материальности и бесконечности Вселенной, о неуничтожимости материи и движения. В математике им заложены основы аналитической геометрии, впервые широко использовано понятие о пере­менной величине, введены многие из применяемых в настоящее время алгебраических обозначений.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Пример 1. Пучок естественного света падает на полированную поверхность стеклянной пластины, погруженной в жидкость. Отраженный от пластины пучок света составляет угол φ=97° с пада­щим пучком (рис. 32.1). Определить показатель преломления n жидкости, если отраженный свет полностью поляризован.

Пример 2.Два николя N1 и N2 расположены так, что угол a между их плоскостями пропускания равен 60°. Определить: 1) во сколько раз уменьшится интенсивность света при прохождении че­рез один николь (N1); 2) во сколько раз уменьшится интенсивность света при прохождении через оба николя? При прохождении каждо­го из николей потери на отражение и поглощение света составляют 5 %.

Пример 3. Пучок частично-поляризованного света рассматри­вается через николь. Первоначально николь установлен так, что его плоскость пропускания параллельна плоскости колебаний линейно-поляризованного света. При повороте николя на угол (φ=60° интен­сивность пропускаемого им света уменьшилась в k=2 раза. Опреде­лить отношение Ie/Iп интенсивностей естественного и линейно-поля­ризованного света, составляющих данный частично-поляризован­ный свет, а также степень поляризации Р пучка света.

Пример 4. Пластинка кварца толщиной d1=1 мм, вырезанная перпендикулярно оптической оси кристалла, поворачивает пло­скость поляризации монохроматического света определенной длины волны на угол φ1=20°. Определить: 1) какова должна быть толщина d2 кварцевой пластинки, помещенной между двумя «параллельными» николями, чтобы свет был полностью погашен; 2) какой длины l труб­ку с раствором сахара массовой концентрацией С=0,4 кг/л надо поместить между николями для получения того же эффекта? Удель­ное вращение [α] раствора сахара равно 0,665 град/(м*кг*м-3).

ОПТИКА ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛ

Пример 1. Источник монохроматического света с длиной волны λ0=600 нм движется по направлению к наблюдателю со скоростью v=0,1с (с—скорость распространения электромагнитных волн). Определить длину волны λ излучения, которую зарегистрирует спектральный прибор наблюдателя.

Пример 2. Каким минимальным импульсом pmin (в единицах МэВ/с) должен обладать электрон, чтобы эффект Вавилова — Черенкова можно было наблюдать в воде?