Оптика и оптические явления в природе

Министерство общего и профессионального образованияСвердловской области
МОУО г. Екатеринбурга
Образовательное учреждение МОУ СОШ № 125
 
Образовательная область: естественнонаучная
 
 
 
 
 
Предмет:физика
 
ТЕМАРЕФЕРАТА
«ОПТИКА.ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРИРОДЕ»
 
 
 
Исполнитель:
учащаяся9 “Б” класса
КириленкоКристина
 
Научныйруководитель: Белякова
АнтонинаПавловна
школы№ 125
учительфизики
 
 
Екатеринбург 2010

Оглавление
 
Что такое оптика?
Ø  Виды оптики
Ø  Исторический очеркоптики
Ø  Роль оптики вразвитии современной физики
Явления, связанные с отражением света
Ø  Предмет и егоотражение
Ø  Зависимостькоэффициента отражения от угла падения света
Ø  Защитные стёкла
Ø  Полное отражениесвета
Ø  Алмазы и самоцветы
Явления, связанные с преломлением света
Ø  Радуга
Ø  Мираж
Ø  Полярные сияния
Заключение
Литература
Приложение

Что такое оптика?
 
Оптика (греч. optikē — наука о зрительных восприятиях, от optós — видимый, зримый), разделфизики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), егораспространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому Оптика — часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волнохватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами,а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условнои в значительной степени определяется общностью технических средств и методовисследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерныоснованные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптическихпредметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волныl излучения, а также использование приёмников света, действие которых основанона его квантовых свойствах.
Виды оптики
Оптикаразделяется на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическаяоптика оставляет в стороне вопрос о природе света, исходит изэмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах,преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствамии прямолинейных в оптически однородной среде. Её задача — математическиисследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью преломленияпоказателя n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и формупрозрачных и отражающих сред, при которых лучи проходят по заданному пути.Методы геометрической Оптика позволяют изучить условия формирования оптическогоизображения объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснитьмногие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различныхсредах (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянстваее показателя преломления, образование миражей, радуг и т.п.). Наибольшеезначение геометрическая Оптика (с частичным привлечением волновой Оптика, см.ниже) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов — от очковых линздо сложных объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаряразвитию и применению вычислительной математики методы таких расчётов достигли высокогосовершенства, и сформировалось отдельное направление поучившее названиевычислительной Оптика.
По существу отвлекаетсяот физической природы света и фотометрия, посвященная главным образом измерениюсветовых величин, Фотометрия представляет собой методическую основуисследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения порезультатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решаетсяс учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельныхцветовых составляющих. Изучением этих закономерностей занимается физиологическаяОптика, смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая зрительныйанализатор (от глаза до коры головного мозга) и механизмы зрения.
Физическая Оптикарассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений.Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано нарезультатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференциисвета, поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика,Оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в которых проявляется волноваяприрода света, изучается в крупном разделе физической Оптика — волновой ОптикаЕё математическим основанием служат общие уравнения классическойэлектродинамики — Максвелла уравнения. Свойства среды при этом характеризуютсямакроскопическими материальными константами — диэлектрической проницаемостью eи магнитной проницаемостью m, входящими в уравнения Максвелла в видекоэффициентов. Эти константы однозначно определяют показатель преломлениясреды: n = />.
Феноменологическаяволновая Оптика, оставляющая в стороне вопрос о связи величин e и m (обычноизвестных из опыта) со структурой вещества, позволяет объяснить всеэмпирические законы геометрической Оптика и установить границы её применимости.В отличие от геометрической, волновая Оптика даёт возможность рассматриватьпроцессы распространения света не только при размерах формирующих илирассеивающих световые пучки систем >> l (длины волны света) но и прилюбом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задачметодами волновой оптики оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получиларазвитие квазиоптика (особенно применительно к наиболее длинноволновому участкуспектра оптического излучения и смежному с ним т. н. субмиллиметровому под диапазонурадиоизлучения) в которой процессы распространения, преломления и отраженияописываются геометрооптически но в которой при этом нельзя пренебрегать иволновой природой излучения. Геометрический и волновой подходы формальнообъединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно кпадающим, отражённым и преломлённым лучам геометрической Оптика постулируетсясуществование различного типа дифрагированных лучей.
Огромную роль вразвитии волновой Оптика сыграло установление связи величин e и m с молекулярнойи кристаллической структурой вещества (см. Кристаллооптика, Металлооптика, Молекулярнаяоптика). Оно позволило выйти далеко за рамки феноменологического описанияоптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространениесвета в рассеивающих, и анизотропных средах, и вблизи границ разделов сред сразными оптическими характеристиками, а также зависимость от одних оптическихсвойств сред — их дисперсию, влияние на световые явления в средах давления,температуры, звука, электрического и магнитного полей и многое др.
В классической волновойОптика параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света;соответственно, оптические процессы описываются линейными (дифференциальными)уравнениями. Выяснилось, однако, что во многих случаях, особенно при большихинтенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо; при этомобнаружились совершенно новые явления и закономерности. В частности,зависимость показателя преломления от напряжённости поля световой волны(нелинейная поляризуемость вещества) приводит, к изменению угла преломлениясветового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатиюи расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), кизменению спектрального состава света, проходящего через такую (нелинейную)среду (генерация оптических гармоник), к взаимодействию световых пучков ипоявлению в излучении т. н. комбинационных частот, выделенных направленийпреимущественного распространения света (параметрические явления, см. Параметрическиегенераторы света) и т.д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой,получившей развитие в связи с созданием лазеров.
Хорошо описываяраспространение света в материальных средах, волновая Оптика не смоглаудовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследованиеэтих процессов (фотоэффекта, фотохимических превращений молекул,закономерностей спектров оптических и пр.) и общие термодинамическиесоображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели квыводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергиюэлектромагнитному полю (или, напротив, получать её от него) лишь дискретнымипорциями (квантами), пропорциональными частоте излучения n (см. Излучение).Поэтому световому электромагнитному необходимо сопоставить поток квантов света- фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света с = 2,99·109 см/сек.Фотоны обладают энергией hn, импульсом с абсолютной величиной hn/c и массойhn/c2 (их масса покоя равна нулю, см. Масса), а также спином h/2p; здесь h =6,65·1027 эрг/сек — Планка постоянная. В простейшем случае энергия, теряемаяили приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическимизлучением, равна энергии фотона, а в более сложном — сумме или разностиэнергий нескольких фотонов (см. Многофотонные процессы). Явления, в которых привзаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарныхсистем, рассматриваются квантовой Оптика методами, развитыми в квантовоймеханике и квантовой электродинамике, а оптические явления, не связанные сизменением собственных состояний квантовых систем (например, давление света, Доплераэффект), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонныхпредставлений.
Двойственность природысвета (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) — частное проявление корпускулярно-волнового дуализма, свойственного, согласноквантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам).Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервыесформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердиласьпосле обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц)и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнегос оптическим диапазона электромагнитного излучения — радиоизлучения (квантоваяэлектроника, квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений врадиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и ОптикаСначала в радиофизике, а затем в физической Оптика сформировалось новоенаправление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовыхусилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие отнеупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников,излучение лазеров в результате управления полем актами испускания входящих вних элементарных систем характеризуется упорядоченностью (когерентностью). Оноотличается высокой монохроматичностью (Dn/n ~ 10–13, см. Монохроматический свет),предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировкепозволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотностиизлучения (~1018 вт·см –2·стер –1). Появление лазеров стимулировало пересмотр иразвитие традиционных и возникновение новых направлений физической ОптикаБольшую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическаяОптика), были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получилиразвитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управленияими (когерентная Оптика) и т.д. Особую важность приобрело изучение кругаявлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеровнаибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазернойтехники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и,в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которыепропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая Оптика).
Все разделы Оптика имелии имеют многочисленные практические применения. Задачи рационального освещенияулиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических иархитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основегеометрической Оптика и фотометрии, учитывающей законы физиологической Оптика;при этом используются достижения физической Оптика (например, для созданиялюминесцентных источников света) и оптические технологии (изготовление зеркал, светофильтров,экранов и т.д.). Одна из важнейших традиционных задач Оптика — получение изображений,соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределениюяркости (иконика), решается главным образом геометрической Оптика спривлечением физической Оптика (для установления разрешающей способностиприборов и систем, учёта зависимости показателя преломления от l-дисперсиисвета и др.). Геометрическая Оптика даёт ответ на вопрос, как следует построитьоптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также ввиде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Онауказывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптическихсистемах (см. Аберрации оптических систем). Для построения оптических системсущественна технология изготовления оптических материалов (стёкол, кристаллов,оптической керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технологияобработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всегоприменяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощенияоптических систем и повышения качества изображений при высокой светосилеиспользуют и асферические оптические элементы.
Новые возможностиполучения оптических образов без применения фокусирующих систем даёт голография,основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределениемамплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля сучётом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают,дополнительное когерентное поле и фиксируют (на фоточувствительном слое или др.методами) возникающую при этом интерференционную картину. При рассматриванииполученной т.о. голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получаетсяобъёмное изображение предмета.
Появление источниковинтенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитиюголографии. Она находит применение при решении многих научных и техническихпроблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов,регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуютсдвиги и напряжения в телах и т.д.
Оптические явления иметоды, разработанные в Оптика, широко применяются для аналитических целей иконтроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значениеимеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа, основанные насвязи структуры атомов и молекул с характером их спектров испускания ипоглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света. По виду спектрови их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можноустановить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температурувещества, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов.Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового еёнаправления — лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный анализиспользуют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и физике моря,химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук — искусствоведении, криминалистике и пр.
Чрезвычайно высокаяточность измерительных методов, основанное на интерференции света, обусловилаих большое практическое значение. Интерферометры широко применяют для измеренийдлин волн и изучения структуры спектральных линий, определения показателейпреломления прозрачных сред, абсолютных и относительных измерений длин,измерений угловых размеров звёзд и др. космических объектов (см. Звёздныйинтерферометр). В промышленности интерферометры используют для контролякачества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения помалым изменениям показателя преломления непостоянства температуры, давления илисостава вещества и т.д. Созданы лазерные интерферометры с уникальнымихарактеристиками, резко расширившие возможности интерференционных методов засчёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.
Явление поляризациисвета лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощьюмногочисленных поляризационных приборов. По изменению степени поляризации(деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых иструктурных флуктуациях в веществе, флуктуациях концентрации растворов, овнутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающихцентров и т.д. Широко применяется поляризационно-оптический методисследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором эти(механические) напряжения определяются по изменению поляризации отражённого илипрошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методыиспользуются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности — как контрольные при производстве оптически-активных веществ, в минералогии и петрографии- для идентификации минералов, в оптическом приборостроении — для повышенияточности отсчётов приборов (например, фотометров).
Широкое распространениеполучили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой вкачестве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометрыи др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковыхволнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, атакже создать акустооптические модуляторы света.
Оптические методы,заключающиеся в анализе рассеяния света (особенно мутными средами), имеютбольшое значение для молекулярной физики и её приложений. Так, нефелометриядаёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в растворах,определять размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров, а также частиц в коллоидныхсистемах, взвесях и аэрозолях. Последнее весьма важно для атмосферной оптики,оптики красок и порошков. Ценные сведения об энергетической структуре молекул исвойствах тел дают изучение комбинационного рассеяния света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света, обнаруженного благодаряиспользованию лазеров.
Очень широка сферапрактического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях- фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, усилителей яркости изображения (электроннооптическихпреобразователей), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементыиспользуются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующиелучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио — и др.аппаратуры (т. н. солнечные батареи). Фотохимические процессы лежат в основе фотографиии изучаются в специальной области, пограничной между химией и Оптика, — фотохимии.Помимо исследования процессов внутри- и межмолекулярной передачи энергии,фотохимия уделяет большое внимание преобразованию и запасанию световой(например, солнечной) энергии и изменению оптических свойств веществ поддействием света (фотохромия). На основе фотохромных материалов разрабатываютсяновые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники исозданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света привозрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматическоголазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптическихметодов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химическихреакций, позволило Оптика найти новые, нетрадиционные применения в биофизике(воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярномуровне) и медицине (см. Лазерное излучение). В технике использование лазеровпривело к появлению оптических методов обработки материалов (см. Лазернаятехнология).Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать наплощадках с линейными размерами порядка десятков микрон большие мощностиизлучения, интенсивно развивается оптический метод получениявысокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерногосинтеза.
Успехи Оптикастимулировали развитие оптоэлектроники. Первоначально она понималась как заменаэлектронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (кконцу 60 — начала 70-х гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новыеподходы к решению задач вычислительной техники и обработки информации,исходящие из принципов голографии, и предлагаться новые технические решения,основанные на применении микрооптических устройств (интегральная Оптика). Споявлением лазеров новое развитие получили оптическая дальномерия (см. Светодальномер,Электрооптический дальномер), оптическая локация и оптическая связь. В нихшироко используются моменты управления световым лучом электрическими сигналами(см. Модуляция света). Принципы действия многих из этих элементов основаны наизменении характера поляризации света при его прохождении через электро- или магнитоактивныесреды (см. Магнитооптика, Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект, Электрооптика).Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительныхработах, в качестве высотомеров и пр. Методами оптической локации былоуточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными спутниками Землипо линиям лазерной оптической связи осуществляются телефонные переговоры ипередаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло засобой разработки систем кабельной оптической видеосвязи.
Практически нет ниодной области науки или техники, в которой не использовались бы оптическиеметоды, а во многих из них Оптика играет определяющую роль.

Историческийочерк Оптики
 
Историческийочерк. Оптика — одна из древнейших наук, тесносвязанная с потребностями практики на всех этапах своего развития.Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Пифагорв 6 в. до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятсявидимыми благодаря испускаемым ими частицам. Аристотель (4 в. до н. э.)полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом.Он занимался атмосферной Оптика и считал причиной появления радуг отражениесвета каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы дваважнейших закона геометрической Оптика — прямолинейность лучей света иравенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах поОптика рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Главныйвклад греков, явившийся первым шагом в развитии Оптика как науки, состоит не вих гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейногораспространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.
Второй важный шагсостоял в понимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан лишьмного веков спустя. Диоптрические опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в.н. э.), о применении стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан(около 400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения опреломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса тогдасостояла главным образом в его непосредственной связи с точностьюастрономических наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ниПтолемею, ни арабскому учёному Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитыйтрактат по Оптика, ни даже Г. Галилею и И. Кеплеру. Вместе с тем в средние векауже хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемыхлинзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки.По некоторым данным, около 1590 З. Янсен (Нидерланды) построил первыйдвухлинзовый микроскоп. Первые же наблюдения с помощью телескопа, изобретённогоГалилеем в 1609, принесли ряд замечательных астрономических открытий. Однакоточные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около1620 В. Снеллиусом и Р. Декартом, изложившим их в «Диоптрике» (1637). Этим (ипоследующей формулировкой Ферма принципа) был завершен фундамент построения ипрактического использования геометрической Оптика
Дальнейшее развитиеОптика связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди;публикация 1665) и двойного лучепреломления (датский учёный Э. Бартолин, 1669),не поддающихся истолкованию в рамках геометрической Оптика, и с именами И. Ньютона,Р. Гука и Х. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световыхявлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавалпредпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц,действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механическимисвойствами среды — переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания.Движением световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний)плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловленыпреломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и егодисперсия (Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможнымрассматривать свет как колебания самого эфира, т.к. в то время на этомпути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей иполяризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую изклассических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону,поляризация — «изначальное» свойство света, объясняемое определённойориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.
Роль оптики вразвитии физики
Роль оптики в развитиифизики. Многие поколения ученых, пытаясь найти, что такое необыкновенный свет,ставили только тонко достаточно задуманные и в совершенстве немного исполненныеопыты. На основании этих опытов создавались новейшие особенно физическиетеории, которые касались не лишь оптики, да и всех без сомнения разделовфизики. Более 2-х тыс. годов назад был установлен жестокий закон о немногопрямолинейном распространении света. Последующий значительный шаг сделалНьютон: он доказал, что призма разлагает белоснежный необыкновенный свет на«простые» цвета.
Френель обосновал почтиволновую теорию света. Максвелл доказал, что световая страшная волна это вчастности совершенно электромагнитные колебания. Ученые, исследуя излучениясовершенно накаленных тел и весьма линейчатые диапазоны паров и газов, сделаликвантовую теорию базу всей на самом деле весьма современной немноготеоретической физики. В наше жаркое время невероятная энергия света играетогромную колоссальная роль и в технике, в особенности в немного измерительныхустройствах. Во почти всех вариантах никакими фактически иными методами нельзяполучить такие четкие результаты измерений, как при помощи световых волн. Еще совершенноне так давно почти все физики считали, что в науке, изучающей необыкновенныйсвет, в оптике навряд ли можно ждать практически революционные открытия: ведьданной науке наиболее 2-ух тыщ лет. Но это, наконец, естественно не так. Ещепочти все в науке о свете осталось неясным и просит тщательных и долгихпрактически исследований. Некие ученые считают, что «свет самое реально черноенеобыкновенное место в физике»; пожалуй, они правы. В одна тысяча девятьсотшестидесятом г. оптика опять вторглась во все, наконец, разделы физики. Сделаныновейшие источники света лазеры, необычайная яркость луча которых в соткимиллионов раз превосходят необычайная яркость Солнца. Уже сейчас ученымабсолютно ясно: в чрезвычайно достаточно недалеком будущем лазеры окажутбольшущее мощное влияние на значительное развитие науки и техники. Вечно юная настоящаянаука о свете снова оказалась на практически переднем крае науки.
 
Явления,связанные с отражением света
 
Предмет и егоотражение
То, что отраженный встоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут “вверхногами” далеко не так.
Есличеловек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильникиили как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется емуукороченным и совсем “исчезнет”, если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзяувидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.
Пейзаж видитсянаблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся настолько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится вышеповерхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мереприближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.
Часто людям кажется,что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок инасыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражениепредметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чемфизическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшойучасток пейзажа, ограждая боковое зрение человека от избыточного рассеянногосвета, поступающего со всего небосвода и ослепляющего наблюдателя, то есть онсмотрит на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу.Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдениенеба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюденииоказывается слишком ярким для глаза.Отражают свет любые поверхности, не только гладкие.Именно благодаря этому мы видим все тела. Поверхности, которые отражают большуючасть светового потока, выглядят светлыми или белыми. Поверхности, которыепоглощают большую часть света, выглядят тёмными или черными. Если пучокпараллельных световых лучей падает на шершавую поверхность (даже еслишероховатости микроскопически малы, как на поверхности листка бумаги) (рисуноксправа) свет отражается в различных направлениях, то есть отраженные лучи небудут параллельными, поскольку углы падения лучей на неровности поверхностиразные. Такое отражение света называют рассеянным, или диффузным.Закон отражениявыполняется и в этом случае, но на каждом маленьком участке поверхности. Из-задиффузного отражения во всех направлениях обычный предмет можно наблюдать подразными углами. Стоит сдвинуть голову в сторону, как из каждой точки предмета вглаз будет попадать другой пучок отраженных лучей. Но если узкий пучок светападает на зеркало, то вы увидите его только в том случае, если глаз занимаетположение, для которого выполняется отражения. Этим и объясняются необычныесвойства зеркал. (Используя аналогичные аргументы, Галилей показал, чтоповерхность Луны должна быть шероховатой, а не зеркально гладкой, как полагалинекоторые.)
Всенесветящиеся тела, освещаемые каким-нибудь источником, становятся видимыми только благодаря рассеиваемому ими свету. Хорошо отшлифованнуюповерхность стекла, поверхность спокойной воды трудно увидеть потому, что такиеповерхности рассеивают очень мало света. Мы видим в них чёткие изображенияокружающих освещенных предметов. Однако стоит толькоповерхности зеркала покрыться пылью, а поверхности воды зарябить, как онистановятся хорошо видимыми.

Зависимостькоэффициента отражения от угла
Известно,что в солнечный день при помощи зеркала можно получить световой«зайчик» на стене, на полу или потолке.
Объясняется это тем,что пучок света, падая на зеркало, отражается от него, то есть изменяетнаправление. Световой «зайчик» — это след отражённого пучка света на каком-либоэкране. Опыт показывает, что свет всегда отражается от границы, разделяющей двесреды разной оптической плотности.
Поверхностьюзеркала разделяются две среды разной оптической плотности. Если поверхностьзеркала представляет собой часть плоскости, то зеркало называется плоским.
Наповерхность раздела двух средMN из точки S падает луч света, направлениекоторого задано лучом SO. Направление отражённого луча показано лучом OB. SO — падающий луч, ОВ — отражённый. Из точки падения луча О проведёнперпендикуляр ОС кповерхности MN. Угол SOC, образованный падающим лучом SO и перпендикуляром ОС, называется углом падения. Угол СОВ, образованный тем же перпендикуляром ОС иотражённымлучом, называется углом отражения.
При изменении углападения луча будет меняться и угол отражения. Это явление удобно наблюдать наспециальном приборе. Прибор представляет собой диск на подставке. На дискенанесена круговая шкала с ценой деления 10° и проведены два перпендикулярныхдруг к другу диаметра: 0—0 и 90—90. По краю диска можно передвигать осветитель,дающий узкий пучок света. Установим плоское зеркало на диске так, как показанона рисунке. Если пучок света падает на зеркало под углом 40°, то под таким жеуглом он и отражается от зеркала. Передвигая осветитель по краю диска, будемменять угол падения луча и каждый раз отмечать соответствующий ему угол отражения.Мы обнаружим, что во всех случаях угол отражения равен углу падения луча. Приэтом лучи отражённый и падающий лежат в одной плоскости с перпендикуляром,проведённым к зеркалу в точке падения луча.
Таким образом,отражение света происходит по следующим законам:
1. Луч падения, луч отражения и перпендикуляр к границераздела двух сред, поставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равенуглу отражения.
3. Если луч падает на зеркалов направлении ВО (рис. первый на странице), то отражённый луч пойдёт внаправлении OS. Следовательно, падающий и отражённый лучи могут менятьсяместами, т.е. обратимы.
Этизаконы были известны ещё древним грекам, и вы можете проверить их сами,посветив в затемнённой комнате лучом света отфонарика или карманным лазером на зеркало. И самостоятельно подтвердить законыотражения света установленные экспериментально другими. К примеру, направимузкий пучок света на плоскую поверхность зеркала. Пусть зеркало – граница разделадвух сред, SO – падающий луч; ОM – перпендикуляр,проведенный в точку падения луча, OS1 – отраженный луч. Угол между падающимлучом и перпендикуляром, проведенным к точке падения, называется углом падения луча, а угол между отраженным лучом и этим перпендикуляром называется углом отражения,а затем поменяем местами падающий об отраженный лучи.
Защитные стёкла
Обычные оконные стеклачастично пропускают тепловые лучи. Это хорошо для использования их в северныхрайонах, а также для парников. На юге же помещения настолько перегреваются, чтоработать в них тяжело.
Защита от Солнцасводится либо к затемнению здания деревьями, либо к выбору благоприятнойориентации здания при перестройке. И то и другое иногда бывает затруднительными не всегда выполнимым.
Для того чтобы стеклоне пропускало тепловые лучи, его покрывают тонкими прозрачными пленками окисловметаллов. Так, оловянно-сурьмяная пленка не пропускает более половины тепловыхлучей, а покрытия содержащие окись железа, полностью отражают ультрафиолетовыелучи и 35-55% тепловых.
Растворыпленкообразующих солей наносят из пульверизатора на горячую поверхность стеклаво время его тепловой обработки или формования. При высокой температуре солипереходят в окиси, крепко связанные с поверхностью стекла.
Подобным образом изготовляютстекла для светозащитных очков.
Полное отражениесвета
При падении света награницу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частичнопреломляется, а частично отражается от нее. При a>aпреломлениесвета невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление иназывается полным отражением света.
Для наблюдения полногоотражения можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой заднейповерхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоскойповерхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис. 12). Узкий пучок светаот осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндраперпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. Наплоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражениепроисходит в соответствии с законом отражения, a преломление – в соответствии сзаконом преломления (1.4).
Если увеличивать уголпадения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженногопучка растет, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает.Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломленияприближается к 90°. Наконец, когда угол падения становитсятаким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела (см.рис. 11), доляотраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, сделав уголпаденияaбольшимa.Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границыраздела, т. е. происходит полное отражение света.
На рисунке 13 изображенпучок лучей от источника, помещенного в воде недалеко от ее поверхности.Большая интенсивность света показана большей толщиной линии, изображающейсоответствующий луч.
Угол паденияa,соответствующий углу преломления 90°, называют предельнымуглом полного отражения. При sinb=1формула (1.8) принимает вид
/> (1.9)
Из этого равенства иможет быть найдено значение предельного угла полного отражения a.Для воды (n=1,33) он оказываетсяравным 48°35', для стекла (n=1,5)он принимает значение 41°51', а для алмаза (n=2,42)этот угол составляет 24°40'. Во всех случаях второй средойявляется воздух.
Явление полногоотражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан водуи поднимем егонесколько выше уровня глаз. Поверхность воды при рассматривании ее снизу сквозьстенку кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражениясвета.
Полное отражениеиспользуют в так называемой волоконной оптике для передачи света иизображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов. Световодпредставляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкойиз прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. Засчет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому(прямому или изогнутому) пути (рис. 14).
Волокна набираются вжгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элементизображения (рис. 15). Жгуты из волокон используются, например, в медицине дляисследования внутренних органов.
По мере улучшениятехнологии изготовления длинных пучков волокон – световодов все шире начинаетприменяться связь (в том числе и телевизионная) с помощью световых лучей.
Полное отражение светапоказывает, какие богатые возможности для объяснения явлений распространениясвета заключены в законе преломления. Вначале полное отражение представлялособой лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции вспособах передачи информации.
Алмазы и самоцветы
В Кремле существуетвыставка алмазного фонда России.
В зале свет слегкаприглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можно увидеть такиеалмазы, как «Орлов», «Шах», «Мария», «Валентина Терешкова».
Секрет прелестной игрысвета в алмазах, заключается в том, что этот камень имеет высокий показательпреломления (n=2,4173) и вследствиеэтого малый угол полного внутреннего отражения (α=24˚30′) иобладает большей дисперсией, вызывающей разложение белого света на простыецвета.
Кроме того, игра светав алмазе зависит от правильности его огранки. Грани алмаза многократно отражаютсвет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачности алмазов высокого классасвет внутри них почти не теряет своей энергии, а только разлагается на простыецвета, лучи которых затем вырываются наружу в различных, самых неожиданныхнаправлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие из камня, и кажется,что сам он является источником многих ярких разноцветных лучей.
Встречаются алмазы,окрашенные в красный, голубоватый и сиреневый цвета. Сияние алмаза зависит отего огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненный водяно-прозрачный бриллиантна свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его гранивыглядят просто черными. Это происходит потому, что свет, претерпевая полноевнутреннее отражение, выходит в обратном направлении или в стороны.
Если смотреть на верхнююогранку со стороны света, она сияет многими цветами, а местами блестит. Яркоесверкание верхних граней бриллианта называют алмазным блеском. Нижняя сторонабриллианта снаружи кажется как бы посеребренной и отливает металлическимблеском.
Наиболее прозрачные икрупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят широкое применение втехнике в качестве режущего или шлифующего инструмента дляметаллообрабатывающих станков. Алмазами армируют головки бурильного инструментадля проходки скважин в твердых породах. Такое применение алмаза возможно из-забольшой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинствеслучаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающихэлементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они такжеотличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и «игрой света».В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окисиалюминия и окрашивать их в желаемый цвет.
Явления дисперсии светаобъясняют многообразием красок природы. Целый комплекс оптических экспериментовс призмами в XVII веке провел английскийученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый свет не являетсяосновным, его надо рассматривать как составной («неоднородный»); основными жеявляются различные цвета («однородные» лучи, или «монохроматические» лучи).Разложение белого света на различные цвета происходит по той причине, чтокаждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Эти выводы, сделанныеНьютоном, согласуются с современными научными представлениями.
Наряду с дисперсиейкоэффициента преломления наблюдается дисперсия коэффициентов поглощения,пропускания и отражения света. Этим объясняются разнообразные эффекты приосвещении тел. Например, если имеется какое-то прозрачное для света тело, укоторого для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффициентотражения мал, для зеленого же света наоборот: коэффициент пропускания мал, акоэффициент отражения велик, тогда в проходящем свете тело будет казатьсякрасным, а в отраженном свете – зеленым. Такими свойствами обладает, например,хлорофилл – зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обуславливающеезеленый цвет. Раствор хлорофилла в спирту при рассматривании на просветоказывается красным. В отраженном свете этот же раствор выглядит зеленым.
Если у какого-то телакоэффициент поглощения велик, а коэффициенты пропускания и отражения малы, тотакое тело будет казаться черным и непрозрачным (например, сажа). Очень белое,непрозрачное тело (например, окись магния) имеет коэффициент отражения близкийк единице для всех длин волн, и очень малые коэффициенты пропускания ипоглощения. Вполне прозрачное для света тело (стекло) имеет малые коэффициентыотражения и поглощения и близкий к единицы для всех длин волн коэффициентпропускания. У окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффициенты пропусканияи отражения практически равны нулю и, соответственно, значение коэффициентапоглощения для этих же длин волн близко к единице.
Явлениясвязанные с преломлением света
Радуга
Радуга— это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленныхкапельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света накапельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветнойдуги. Поэтому полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этогоэффектного оптического явления. Радуга глазами внимательного наблюдателя.Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне,противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади.Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождьстихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает.Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и вспектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. Приэтом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радугиокрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область — в красный. Нередко надосновной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга — более широкая иразмытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного(крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область). Длянаблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радугапоявляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышаетпримерно 42°. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем,следовательно, больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга можетнаблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 52. Радугаможет рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето навоображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.
Такимобразом, положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит отположения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяютсявысотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель есть вершина конуса, ось которогонаправлена по линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга есть находящаясянад линией горизонта часть окружности основания этого конуса. При передвиженияхнаблюдателя указанный конус, а значит, и радуга, соответствующим образомперемещаются; поэтому бесполезно охотиться за обещанным горшком золота. Здесьнеобходимо сделать два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии,соединяющей наблюдателя с Солнцем, то имеем в виду не истинное, а наблюдаемоенаправление на Солнце. Оно отличается от истинного на угол рефракции.Во-вторых, когда мы говорим о радуге над линией горизонта, то имеем в видуотносительно далекую радугу — когда завеса дождя удалена от нас на несколькокилометров. Можно наблюдать также и близкую радугу, на пример, радугу,возникающую на фоне большого фонтана. В этом случае концы радуги как бы уходятв землю. Степень удаленности радуги от наблюдателя не влияет, очевидно, на ееугловые размеры. Из (2.1) следует, что Ф = g — j. Для основной радуги угол уравен примерно 42° (для желтого участка радуги) а для вторичной этот угол составляет52°. Отсюда ясно, почему земной наблюдатель не может любоваться основнойрадугой, если высота Солнца над горизонтом превышает 42°, и не увидит вторичнуюрадугу при высоте Солнца, превышающей 52°. Если наблюдатель находится всамолете, то замечания относительно высоты Солнца требуют пересмотра; кстатиговоря, наблюдатель в самолете может увидеть радугу в виде полной окружности.
Однакогде бы ни находился наблюдатель (на поверхности Земли или над нею), он всегдаесть центр ориентированного на Солнце конуса с углом раствора 42° (для основнойрадуги) и 52° (для вторичной).
Миражи
/>Миражи — это отражения каких-то вещей или явлений на поверхности раскаленного песка,асфальта, моря и т.д.
Какмне стало известно, что это происходит от того, что в разных слоях воздухатемпература разная, а разность температуры действует как зеркало.
Мираж- это нечто иное, как отраженные предметы или явления, которые мы принимаем зареальность.
Полярныесияния
Полярныесияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженнымичастицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля изобласти околоземного космического пространства, называемой плазменнымслоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий наземную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитныеполюса (авроральные овалы). Выявлением причин, приводящим к высыпаниямзаряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика.Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпанийиграет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмысолнечного ветра.
Вочень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низко энергичнымизаряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу черезсеверный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенныесияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.
Пристолкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходитвозбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучениевозбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектрыполярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если дляЗемли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота ввидимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете.
Посколькуионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце путичастицы и плотность атмосферы падает с высотой в соответствии с барометрическойформулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит отпараметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составоматмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 км, асовместное свечение азота и кислорода — на высоте ~110 км. Крометого, эти факторы обуславливают и форму полярных сияний — размытая верхняяи достаточно резкая нижняя границы.
Полярные сияния Земли
Полярныесияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальныхзонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли — авроральных овалах. Диаметравроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на дневнойстороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10—16°, на ночной —20—23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°,полярные сияния наблюдаются в широтах 67—70°, однако во времена солнечнойактивности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться вболее низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления.
Полярныесияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотностиприходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Вовремя полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии(во время одного из зарегистрированных в 2007 году возмущений — 5x1014джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.
Принаблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстроменяющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей».Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

Заключение
Я – Кириленко Кристинанаписала реферат по физике на тему Оптика и Оптические явления в природе, таккак мне эта тема показалась очень интересной и увлекательной, ведь оптикаокружает нас везде. Написав, этот реферат я многое узнала – что такое оптика,какие оптические явления бывают в природе и.т.д. Этот реферат открыл во мненовые интересы к физике как увлекательной науке, которая затягивает в себянеобычными явлениями и сложными опытами. Из этого реферата я извлекла не толькопользу, но и совершила интересное путешествие в мир Оптики.

Литература
 
1. Википедия
2. Учебник по физике 11 класс.Издательство Просвещение.
3http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00055/38400.htm.
4. bse.sci-lib.com/article084657.html
5. fizika-ege.ru/news/rol_optiki_v_razvitii_fiziki/2010-01-23-106
6. mirslovarei.com/content_bes/Optika-44145.html

Приложение
 
/>
 
/>
 
/>
/>
 
/>
/>
 
/>