Термин «оптика» происходит от греческого опсис (зрение) и в античную эпоху означал собственно науку о зрении. Кроме того, существовала катоптрика – наука об отражении лучей света от зеркальных поверхностей и диоптрика – наука об оптических измерениях. Подобное деление оптики было предложено Героном Александрийским (I век н.э.). Античные зрительные теории были основаны на принципе взаимодействия видимого объекта и смотрящего субъекта. Существовало три способа осуществления подобного взаимодействия: объект мог направить сквозь промежуточную среду подобие своего образа к глазу; глаз мог послать луч или направить зрительную силу к объекту, связь могла инициировать промежуточная среда, находящаяся между объектом и глазом. Теория вхождения (примерно V в. до н.э.) разрабатывалась атомистами, которые утверждали, что атомы отходят от видимых объектов во всех направлениях и проникают в глаз смотрящего. Мельчайшие частицы переносят изображения («атомы света»). Свет и цвет – это материальные истечения. Все объекты постоянно испускают подобия, то есть бесконечное число копий.
Попытки математически описать природу испускаемых предметами «образов» были впервые предприняты представителями пифагорейской школы (оптические иллюзии толковались ими как обман чувств). Они отрицали возможность крупных объектов посылать свои подобия, так как глаз не способен их вместить, они полагали, что это глаз обладает зрительной силой, заключающейся в визуальном луче. Видимое понималось как выражение числовых и пространственных эманаций зрения. Оно представлялось как взаимодействие с образами, испускаемыми от предмета. В дальнейшем этот тезис был переосмыслен Средневековьем и Возрождением, создавшим на его базе учение о зрительных лучах и зрительной пирамиде.
Позднее теория вхождения была дополнена и развита эпикурейцами. Подобная трактовка появляется в трактате Лукреция (I век до н.э.) «О природе вещей», где подобия называются симулякрами. Линдберг писал, что теория эпикурейцев опиралась на представления о том, что на поверхности предметов находится множество крохотных тел, которые способны от них отрываться в точном порядке, всегда сохраняя их облик и форму.
Эти тончайшие образы, называемые эйдосами на греческом и симулякром на латыни, сравнивались Лукрецием с чешуйками на коже змеи. Субъект, воспринимая подобия объекта, мог судить обо всём объекте в целом, его качествах и свойствах. Если атомистическая теория эйдосов может быть названа теорией вхождения, так как лучение направлено на глаз зрителя, то концепция испускания основывалась на движении зрительного луча из глаза смотрящего на видимый объект. Данная теория была предложена Евклидом, он был первым, кто попытался применить геометрию для объяснения видимой величины фигуры, для трактовки отражения света и других оптических явлений. Суммируя опыт своих предшественников, Евклид в трактате «Начала», а затем Архимед в «Оптике» и «Катоптрике» описали законы распространения и отражения света, провели анализ геометрического построения теней различных предметов. Геометрическая оптика и теория перспективы Евклида составили его закон перспективы из четырнадцати положений, основанных на наблюдениях. К сожалению, «Катоптрика» Евклида до нас не дошла. Сочинение с таким названием, некоторое время, приписывавшееся Евклиду,оказалось компиляцией IV века н.э., автором которой является, возможно, Теон Александрийский. Память о подлинной «Катоптрике» Евклида вскоре была оттеснена на второй план «Катоптрикой» Архимеда. Сочинение с таким названием, некоторое время, приписывавшееся Евклиду,оказалось компиляцией IV века н.э., автором которой является, возможно, Теон Александрийский. Память о подлинной «Катоптрике» Евклида вскоре была оттеснена на второй план «Катоптрикой» Архимеда. (Прим. ред. По сравнению с оптическими трактатами Евклида и Архимеда «Катоптрика» Герона Александрийского (150-250 н.э.) содержала ряд новых элементов. В ней Герон обосновывал прямолинейность световых лучей бесконечной скоростью их распространения. В своем трактате Герон рассматривает различные формы зеркал (в частности, цилиндрические) и вызываемые ими искажения изображений. Герон Александрийский разделял науку о видении на оптику, т.е. собственно учение о видении, диоптрику, т.е. учение о преломлении света при прохождении через отдельные преломляющие поверхности и их системы, и катоптрику, т.е. учение об отражении. Любопытно, что «Катоптрика» Герона первоначально приписывалась Птолемею). Представления о свете и теория Евклида во II веке были развиты эллинистическим математиком и астрономом Клавдием Птолемеем, согласно которому конусообразный луч выходит из глаза и движется по прямой. Птолемей, используя традиции Платона, Аристотеля, Евклида, продолжил изучение законов восприятия цвета и световоздушной среды. Основные труды Птолемея – это «Альмагест» и трактат «Оптика», который состоял из пяти книг и был посвящён рассмотрению природы света и условий зрительного восприятия. В трактате излагались общие законы отражения, теория зеркал и проблемы диоптрики. Автор рассматривал физические основы зрения и обусловленные ими оптические обманы, излагал свои взгляды на перспективу, в частности проблемы построения световоздушной перспективы. (Прим. ред. Отметим, что положения оптики Птолемея, касающиеся передачи в пространстве объектов, расположенных на разном расстоянии от зрителя, а также вопроса построения световоздушной перспективы, по мнению Э.Гомбриха, были первой попыткой описать принципы световоздушной перспективы, которые в дальнейшем легли в основу воздушной перспективы Леонардо). Птолемей также развивал идеи Евклида о роли угла зрения при восприятии нескольких объектов и их расположения относительно друг друга. В «Альмагесте» упоминается явление рефракции (глава 2 книги IX). Кроме того, в главе 3 книги I Птолемей обсуждает вопрос о кажущемся увеличении видимых диаметров Солнца и Луны у горизонта. Он объясняет это явление «увеличением влажности в атмосфере» на пути горизонтального луча. В «Оптике» данному явлению даётся объяснение как психологическому эффекту. «По-видимому, в IX веке «Оптика» была переведена с греческого на арабский язык. В XII веке эмир Евгений Сицилийский (1125-1195) выполнил ее перевод с арабского языка на латынь». читать текст полностью
None С помощью стеклянной призмы Ньютон разложил солнечный луч и установил, что он состоит из цветных лучей, преломляющихся а различной степени.
Ньютон измерял преломление различных частей спектра.
Это и другие открытые им оптические явления он объяснял с помощью гипотезы о мельчайших световых корпускулах (частицах), которые вылетают из источников света и дают на сетчатке глаза ощущение света, причем наиболее крупные частицы дают красный цвет, а наименьшие — фиолетовый.
None В 1690 г. вышел его «Трактат о свете». Гюйгенс исходил из общей идеи естествознания XVII—XVIII вв., утверждая, что все явления происходят в силу движения материи.
Скорость распространения света и прохождение световых лучей друг через друга являются, по мнению Гюйгенса, доказательством того, что свет не может быть объяснен перемещением частиц. Следовательно, заключает Гюйгенс, свет распространяется движениями волн в эфире, подобно тому как звук распространяется волновыми движениями воздуха.
style=”display:inline-block;width:300px;height:250px” data-ad-client=”ca-pub-0791478738819816″ data-ad-slot=”5810772814″>
style=”display:inline-block;width:300px;height:250px” data-ad-client=”ca-pub-0791478738819816″ data-ad-slot=”5810772814″>.
Раскрывая механизм распространения световых волн в эфире, Гюйгенс выдвинул волновой принцип, который состоит в том, что «каждая частица вещества, в котором распространяется волна, должна сообщать свое движение не только ближайшей частице, лежащей на проведенной от светящейся точки прямой, но необходимо сообщает его также я всем другим частицам, которые касаются ее и препятствуют ее движению.
Таким образом, вокруг каждой частицы должна образоваться волна, центром которой является данная частица». На основе волновой теории Гюйгенс объяснял явления отражения и преломления света.
Борьба сторонников корпускулярной и волновой теории продолжалась и в последующем столетии. Для общей тенденции развития науки XVIII в. в сторону количественного исследования явлений характерно создание П.
Бугером (1698—1758) и И. Г. Ламбертом (1728—1777) новой отрасли оптики — фотометрии, занимающейся измерением интенсивности света.
С начала своей научной деятельности Ломоносов интересовался природой света и цветов. Разработка теории цветообразования для него имела особое значение- не только теоретическое, но и практическое. С 1749 г. ученый начал проводить опыты по изысканию “разноцветных стекол к мозаичному художеству”, создавая свою теорию света и цветообразования. Работа продолжалась несколько лет. В феврале 1754 г. Ломоносов писал Л. Эйлеру в Берлин:
“В течение трех лет я был погружен в физико- химические испытания, предпринятые для разработки учения о цветах. И труд мой оказался не бесплотным, так как кроме результатов, полученных мною при различных растворениях и осаждениях минералов, почти три тысячи опытов, сделанных для воспроизведения разных цветов в стеклах, дали не только огромный материал для истинной теории цветов, но и привели к тому, что я принялся за изготовление мозаик”.(Т. 10. С. 502.) В его мастерской было изготовлено сорок мозаик, из которых до наших дней сохранилось двадцать четыре. В 1764 году журнал Болонской академии “Флорентийские ученые ведомости” высоко оценил мозаичные работы Ломоносова: “… господин Ломоносов, статский советник и известный профессор химии в знаменитой Петербургской Академии … после невероятного числа опытов, вооружившись философской выдержкой… приготовил все необзодимые цвета для… мозаики, которая будучи сравнена с римской, оказалась не уступающей им ни в чем”.
Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части: 1. Геометрическая (или лучевая) оптика.
2. Волновая оптика. 3.
Квантовая оптикаГеометрическая оптика – это раздел оптики изучающий законы распространения света в прозрачной среде на основе представления о свете как совокупности световых лучей. Законы геометрической оптики: 1. Закон прямолинейного распространения света.
2. Закон отражения света. 3.
Закон преломления света. Общий критерий применимости геометрической оптики d»λОпыт и теория показывают, что в различных прозрачных средах свет распространяется с различными скоростями, меньшими скорости света в вакууме в среде в воздухе, вакууме υ<c υ=с с = 300000000 м/с Оптически однородная среда – если во всех её точках скорость распространения одинаковая. Фронт волны – «граница», совокупность точек одинаковой фазы.
Плоская волна л у ч Фронт волны Сферическая волна Световой луч – это линия вдоль которой распространяется энергия световых электромагнитных волн. скорость волны направлена по лучуЗакон прямолинейного распространения света III в до н. э.
Евклид (Древняя Греция) « В однородной оптической среде свет распространяется прямолинейно» Закон объясняет: • образование теней и полутеней; • солнечные и лунные затмения; • метод визирования в строительстве. Тень – область, недоступная для световых лучей из-за препятствия на их пути. Если лучи исходят из точки, создаётся полная тень.
Если лучи исходят из протяжённого источника, то вокруг полной тени создаётся полутень. • Среди простейших оптических явлений – поглощение света, его рассеяние, отражение и преломление. • Полное поглощение света поверхностью тела мы воспринимаем как черный цвет поверхности; частичное поглощение света может восприниматься как окрашивание поверхности в определенный цвет, в том числе и в серый.
Отражение света от некоторой поверхности, разделяющей пространство на две части, означает изменение направления переноса энергии света таким образом, что свет продолжает распространяться в первоначальной среде. Если пучок параллельных лучей падает на неровную поверхность или мелкие частицы, то направление лучей меняется случайным образом, и говорят о рассеянии света• Закон отражения света: Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.
Угол падения – угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения. Угол отражения – угол между отражённым лучом и Перпендикуляром к границе раздела двух сред. Зеркальное отражение: Отражение параллельных падающих лучей от плоской поверхности, при котором все отражённые лучи параллельны.
• Закон преломления света: Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред: • Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом в 1621Угол преломления – угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе в точке падения луча.
Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n = n2 / n1.
• Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2: • Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде: Законы отражения и преломления света.
• Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной. • При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения• Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде sin αпр = 1 / n,.
Источники:
