Исследовательская работа на тему: «Оптика. Оптические явления в природе» по физике (стр. 2 )

Роль оптики в развитии физики

Роль оптики в развитии современной физики велика. Возникновение двух наиболее важных и революционных теорий двадцатого столетия (квантовой механики и теории относительности) в существенной мере связано с оптическими исследованиями. Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальное научное направление – молекулярную оптику. К ней тесно примыкает оптическая спектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при исследованиях плазмы, в астрофизике. Существуют также электронная и нейтронная оптики; созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало. Разработаны оптические модели атомных ядер.

Способствуя развитию разных направлений современной физики, оптика в то же время и сама переживает сегодня период бурного развития. Основной толчок этому развитию дало изобретение интенсивных источников когерентного света – лазеров. В результате волновая оптика поднялась на более высокую ступень, соответствующую когерентной оптике. Трудно даже перечислить все новейшие научно-технические направления, развивающиеся благодаря появлению лазеров. Среди них нелинейная оптика, голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и другие. Радиооптика возникла на стыке радиотехники и оптики; она исследует оптические методы передачи и обработки информации. Эти методы обычно сочетают с традиционными электронными методами; в результате сложилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектроникой. Передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам составляет предмет волоконной оптики. Используя достижения нелинейной оптики, можно исправлять волновой фронт светового пучка, искажающийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. В результате возникла и интенсивно развивается так называемая адоптивная оптика. Современная лазерная техника позволяет получать световые импульсы длительностью порядка всего лишь пикосекунды. Такие импульсы оказываются уникальным «инструментом» для исследования целого ряда быстропротекающих процессов в веществе, и в частности в биологических структурах. Возникло и развивается специальное направление – пикосекундная оптика; к нему тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать, что широкое практическое использование достижений современной оптики. – обязательное условие научно-технического прогресса. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений, происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без неё не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино, телевидения и т. п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы, связанные со зрением.

Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно, что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия - теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её приложениях в различных отраслях науки и техники.

Природа света

1. Вопрос о природе света волновал человечество с давних времен. Законы отражения света были известны во времена Евклида (III в. до н. э.). Законы преломления света были установлены Р. Декартом и В. Снеллиусом в конце XVI в. В это же время стали шлифовать линзы и использовать их для очков. В начале XVII в. создают первые телескопы, а в середине XVII в. A. Лeвенгук, изготовив линзы с увеличением до 300, заложил основу микроскопии.

Первые систематические теории света предложили практически одновременно (в середине XVII в.) И. Ньютон и X. Гюйгенс.

2.Ньютон в своих работах по оптике основное внимание сконцентрировал на экспериментальном исследовании свойств света, дисперсии, спектрального разложения, на объяснении цвета. В 1668 г. он создал новый тип телескопа-рефлектора, где в качестве объектива вместо линзы использовал вогнутое зерка­ло. Что касается природы света, то Ньютон избегал категориче­ских суждений по этому вопросу, исходя из своей знаменитой концепции «гипотез я не измышляю». Все же он больше скло­нялся к корпускулярной теории света, согласно которой свет представляет собой поток частиц (от лат. curpusculum — частица).

Надо сказать, что Ньютон понимал ряд трудностей корпускулярной теории. В частности, она не могла объяснить открытого им же явления периодичности, наблюдаемого в кольцах Ньютона. Поэтому не совсем справедливо считать, что Ньютон отчетливо понимал и трудности волновой теории, которую развивал X. Гюйгенс.

3.Согласно Гюйгенсу, свет — это упругие волны, распространяющиеся наподобие волн на поверхности воды. Пользуясь сформулированным им же принципом (принцип Гюйгенса), он теоретически обосновал законы отражения и преломления света, а также явление двойного лучепреломления, наблюдаемого в некоторых кристаллах, где луч света распадается на два луча. При этом он показал, что скорость света и в более плотной среде (например, воде, стекле) должна быть меньше скорости света с в воздухе или вакууме:

где n — абсолютный показатель преломления данного вещества.

Этот результат принципиально отличался от результата корпускулярной теории, согласно которой свет в более плотной среде должен распространяться быстрее, чем в вакууме. Однако в XVII—XVIII вв. проверить это соотношение экспериментально не удавалось. Лишь в 1850 г. Ж. Фуко поставил опыты по сравнению скорости света в воздухе и воде и доказал, что в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Это было серьезным аргументом в пользу волновой теории.

4.Исследования явлений интерференции и дифракции света, которые весьма просто объясняются на основе волновых представлений, проведенные Т. Юнгом и особенно О. Френелем (1818—1821), привели к окончательному утверждению волновой природы света. Вместе с тем возникла новая трудность — проблема эфира, т. е. той упругой среды, в которой, как предполагалось, распространяются световые волны. Теория упругого эфира приводила к ряду неразрешимых противоречий, в частности она не согласовывалась с тем экспериментальным фактом, что свет — чисто поперечная волна, не содержащая продольной составляющей (это обнаружилось в явлении поляризации света,). Между тем упругая волна должна обязательно иметь продольную составляющую.

Не удавалось также объяснить, почему планеты и другие небесные тела, двигаясь в упругом эфире, не испытывают сил сопротивления. Именно эти соображения и вызывали у Ньютона критическое отношение к волновой теории, основанной на идее упругого эфира.

5. Эту трудность теоретически удалось разрешить Дж. К. Максвеллу, который в 1863—1864 гг. пришел к выводу, что свет — это электромагнитные волны в диапазоне примерно от 780 до 400 нм, а Г. Герц доказал это экспериментально. При этом Максвелл исходил из двух твердо установленных фактов: во-первых, скорость света в вакууме совпадает со скоростью электромагнитных волн, во-вторых, световые волны, как и электромагнитные, строго поперечные.

Трудами Максвелла был заложен фундамент современных представлений о природе света, а само учение о свете — оптика — оказалось разделом электромагнетизма. За сто с лишним лет, прошедших со дня открытия Максвелла, на основе электромагнитных представлений были объяснены все известные в оптике волновые явления.

6. В начале XX в. было обнаружено, что свет обладает квантовыми свойствами; он состоит из отдельных порций — квантов, или фотонов, причем в некоторых отношениях фотоны ведут себя как частицы. Однако это не есть возврат к старой корпускулярной теории — фотоны не являются обычными механическими частицами, они обладают двойственными корпускулярно-волновыми свойствами, характеризующими их квантовую природу. Открытие квантовых свойств света нисколько не препятствует применению электромагнитной волновой теории для объяснения ряда оптических явлений.

Превращения света

Сделаем простой и эффектный оптический опыт. Положим на дно пустого стеклянного стакана металлическое кольцо или монету и поставим стакан так, чтобы его край мешал нам видеть их сверху. Начнем наливать в стакан воду. Мы с удивлением обнаружим, что кольцо или монета начнут появляться из-за края стакана. Трудно удержаться, чтобы не посмотреть на стакан сбоку: нет, кольцо или монета по-прежнему спокойно лежат на дне, а ведь нам казалось, что они всплывают. Всплывают, повинуясь таинственному оптическому закону преломления света. Только что рассказанный опыт впервые описал великий геометр Евклид в III веке до нашей эры.

Размышляли об искажении пути световых лучей при переходе из воздуха в воду, из воды в стекло (и наоборот) и другие крупные ученые древности — Аристотель, Птолемей, Клеомед. Они первыми начали изучать отражение и преломление лучей на границе двух оптических сред. Птолемей даже измерил, как отклоняется световой луч от первоначального пути при переходе из воздуха в воду, с помощью опущенного в воду диска с делениями и подвижными линейками, вращающимися вокруг центра диска. По данным Птолемея, если падающий луч отклоняется в воздухе от вертикали на 50 градусов, то угол между вертикалью к поверхности раздела двух сред и преломленным лучом в воде составляет 35 градусов. Измерения, сделанные в наше время, через 18 веков после исследований Птолемея, дали для преломленного луча цифру 34 градуса и 3 минуты. Неплохой точности измерений достигли древнегреческие ученые!