» » Що таке оптика? Визначення у фізиці

Що таке оптика? Визначення у фізиці

Демокріт з Абдеры, що жив у 5 столітті до нашої ери, висловлював думку, що все в цьому світі умовно, реальністю є лише атоми і порожнеча. Збереглися історичні документи, що підтверджують його авторство поняття світу як потоку частинок, які наділені певними фізичними властивостями. Але поняття «оптика» з'явиться пізніше. Зерна Демокріта з Абдеры, посіяні в процесі осягнення структури світу, дали свої паростки.
Що таке оптика? Визначення у фізиці

Історія походження слова оптика

У третьому столітті до нашої ери давньогрецький учений Евклід формулює закони поширення світла в трактаті «Оптика». По суті, цю подію можна вважати зародженням геометричної (або лінійною) оптики. Після появи спроби систематизації знань про властивості світла пройшли багато століть, перш ніж набір теорій і законів оформився в науку.


Нерозв'язних питанням довгий час залишалася природа походження кольору. Висловлювалися думки про те, що колір - це суміш світла і темряви в різних пропорціях (Аристотель), а також версія про різній швидкості обертання світлових частинок (Декарт). Справжнім проривом стали відкриття 17 століття в сфері хвильової оптики. Але будівництвом версії про те, що таке оптика, що пояснює існування дифракції, інтерференції і інших властивостей світла, не існувало. Панування корпускулярної теорії походження світу похитнув Ньютон. Він прекрасно усвідомлював плюси і мінуси як корпускулярної, так і хвильової теорій. Тому в його трактаті «Оптика» детально прописана математична модель корпускулярно-хвильової теорії світла. Основні поняття оптики (хвильовий або фізичної) побудовані на ньютонівських моделях. Опис поширення світлових хвиль містить принцип Гюйгенса-Френеля, який і став основою для розвитку фізичної теорії.


Тільки на початку 19 століття Класична оптика знайшла свої риси, впізнавані сучасниками, і постала як наука.
Що таке оптика? Визначення у фізиці

Значення терміна

Термін грецького походження (?????? - учення про сприйняття зорових) у сучасній життя має кілька тлумачень: розділ такої науки, як фізика і, часто вживається у повсякденному житті, збірне значення. Що таке оптика область фізики? Це розділ, у якому вивчаються особливості поширення світла в різних середовищних умовах та взаємодію з різними речовинами. Визначення оптики в курсі фізики базується на досліджувані явища, тому існує поділ на класичну і квантову оптику. У той же час перший вид представлений геометричним (променевий) і фізичним (хвильовий) розділами. Значення слова оптика в повсякденному житті має збірний характер і застосовується для позначення приладів, інструментів, в роботі яких використовуються закони вищеописаною науки.

Оптика як розділ науки

Область фізики, що досліджує поширення електромагнітних хвиль широкого діапазону (видимого, інфрачервоного, ультрафіолетового, рентгенівські і гамма-промені). Властивості та характеристики їх наведені в таблиці нижче.

Види випромінювань



Частота/Гц



Довжина/м



Властивості



Джерело



Інфрачервоне випромінювання



від 10 12 до 375 x 10 14



30x10 -4 8x10 -7



Відбивання, дифракція, заломлення, поляризація



Теплове фотокопіювання, електричний камін.



Видиме світло



75x10 14



4x10 -7



Відбивання, дифракція, заломлення, поляризація



Лампа розжарювання, блискавка.



Ультрафіолетове випромінювання



3x10 17



10 -9



фотохімічні



Вуглецева дуга



Рентгенівське випромінювання



3x10 20



10 -12



Проникаюча здатність, дифракція



Рентгенівська трубка



Гамма-випромінювання



10 23



3x10 -15



Космічні процеси, ядерні процеси



Циклотрон, Кобальт 60

Різноманітність розділів оптики відповідає кількості досліджуваних процесів:

Класична оптика



Квантова оптика



Геометрична (чи лінійна) Світловий промінь (поширюваний в однорідному середовищі) розглядається як лінія, яка змінює напрямок за визначеними правилами при відбиванні і заломленні. Світло як хвиля не розглядається.



Фізична (або хвильова) Взаємодія світла і електромагнітних променів з різнорідними середовищами (речовинами).



Квантова оптика вивчає прояви квантових особливостей світла, а також взаємодія з речовинами на основі квантової структури об'єктів і особливих умов поширення.



Адаптивна оптика — вивчає можливості корекції нерегулярних спотворень при розподілі світла в гетерогенному середовищі з опорою на керовані оптичні елементи.



Кристалооптика — вивчає розповсюдження світла в анізотропних середовищах і кристалах через розгляд явищ подвійного променезаломлення, поляризації світла та ін.



Фізика лазера – вивчає принципи роботи лазерів і можливість їх застосування в дослідженнях, медицині, промисловості та інших сферах життя суспільства.



Інтегральна оптика — вивчає поширення хвиль у планарних оптичних хвилеводах.



Градієнт оптика — вивчає оптичні властивості речовин зі змінними показниками заломлення за координатами («калюжі» на асфальті в жаркий день).



Рентгенівська оптика — прикладна галузь, яка відстежує поширення променів рентгенівського діапазону в різних середовищах.



Нелінійна оптика — вивчає світлові явища при взаємодії з речовинами, що володіють нелінійною реакцією поляризації на напруженість електричного поля хвилі.



Електронна оптика — досліджує особливості фокусування, транспортування в магнітних і електричних полях заряджених частинок.









Класифікація розділу оптика відповідає історичному розвитку вчення про властивості світла:
  • геометрична – 3 століття до нашої ери (Евклід);
  • фізична – 17 століття (Гюйгенс);
  • квантова – 20 століття (Планк).
  • Що таке оптика? Визначення у фізиці

    Геометрична або Евклідова оптика

    У 3 столітті до нашої ери вчені більше цікавилися законами поширення світла, ніж його природою. Звідси і визначення оптики як науки про поширення світлового променя в однорідному середовищі.
    За допомогою вивчення руху променя світла вдалося прояснити багато явища: освіта веселок, міражів, викривлення променів. Методи геометричної оптики використовуються сучасниками при проектуванні різних оптичних приладів. Особливості променевої оптики полягають в обліку і вивченні променів, падаючих під малими кутами до осі, що призводить до спрощення теоретичних розрахунків. Цей ефект називається параксиальным наближенням використовується в багатьох оптичних приладах.
    Що таке оптика? Визначення у фізиці

    Фізична оптика

    Вчення про хвильової природи явищ виникло з численних спостережень і експериментів, що не підпадають під опис теорії поширення променя. Що таке оптика хвиль? Вона часто іменується Гюйгеновской, однак, нідерландський фізик швидше підсумував вишукування своїх сучасників, ніж відкрив нові закони. Цей факт не применшує його внеску в розвиток галузі.
    Основою для виникнення відомого сьогодні принципу Гюйгенса-Френеля були праці не менш відомих вчених Роберта Гука і Ісаака Ньютона. Трактат «Оптика» останнього можна розцінити як спробу об'єднання корпускулярної та хвильової теорій, що існували в той час, воєдино. Слід зазначити, що фізична оптика, що вивчає розподіл складних імпульсів за допомогою оптичних систем з урахуванням амплітуди та фази хвилі, з'явилася тільки на початку 19 століття. В даний час в цьому розділі оптики проводиться систематизація обчислень для більш повного опису розглянутих моделей.
    Що таке оптика? Визначення у фізиці

    Квантова оптика

    Що таке оптика фотонів? Ідея опису електромагнітного поля за допомогою квантів на початку 20 століття була висунута Максом Планком. Він припустив, що випромінювання світла відбувається певними частинами – квантами. В подальшому було доведено, що він не тільки випромінюється парциально, але і поглинається. Це дозволило Альберту Ейнштейну зробити висновок про дискретну структуру світу. Через деякий час кванти світла почали називати фотонами, а потік розглядався як група частинок. Таким чином, у квантовій оптиці світ розглядався і як хвиля, і як потік частинок одночасно, оскільки такі явища, як дифракція і інтерференція не можна пояснити за допомогою потоку фотонів. В середині 20 століття експеримент Брауна – Твісса, дозволив уточнити територію застосування квантової оптики. Вони довели, що деяка кількість джерел світла, що випромінюють фотони на два фотоприймача, які подають звуковий сигнал про реєстрацію часток, можуть змусити апарати спрацьовувати одночасно. Експеримент проводився з різними джерелами світла. Після чого були зроблені висновки про існування світу з парною кореляцією фотонів (для джерел з одночасним спрацьовуванням сигналу на приймачах) і з антигруппировкой світлових частинок (для джерел, які ніколи не дозволяють домогтися одночасного спрацьовування приймачів). Досвід довів поділ світу на двох - і однофотонний. Звідси можна зробити висновок, що існують стану світу, які неможливо пояснити за допомогою класичної оптики, називаються вони некласичні. Розробка практичного застосування некласичного світла приводить до разючих результатів. Тому квантова оптика – сучасний напрям з великими можливостями у вивченні і застосуванні.
    Що таке оптика? Визначення у фізиці

    Фізіологічна оптика

    Цей розділ вважається міждисциплінарним з ряду причин. З огляду на закони оптики, що ґрунтується на таких науках, як біофізика, біохімія, психологія зорового сприйняття, вікова психологія та фізіологія. Має практичне спрямування. Вивченню піддаються всі елементи зорового апарату. Приділяється увага рідких явищ, наприклад, оптичної ілюзії. Результати досліджень застосовуються у медицині, фізіології, оптичної техніки, кіноіндустрії.
    Що таке оптика? Визначення у фізиці

    Оптика. Що можна купити?

    На побутовому рівні частіше вживається слово оптика назву магазину. Природно, в ньому можна придбати різноманітні прилади технічної оптики - окуляри, лінзи, механізми коригують і захищають зір. На сучасному етапі обладнання таких закладів дозволяє на місці визначити гостроту зору, існуючі проблеми та методи їх усунення. Підібрати лінзи з потрібним ефектом і зробити замовлення, або придбати вже готовий товар.

    На закінчення

    Після багатьох століть можна переконатися, що Демокріт з Абдеры був все ж правий з приводу часток і порожнечі, а про існування чи відсутність всього іншого кожна людина приймає рішення сам.