Площина, здатна дзеркально відбивати світлові промені, називають плоским дзеркалом.

Головна властивість плоского дзеркала полягає в тому, що за його допомогою можна отримати зображення предмета, який або сам світиться, або світиться відбитим світлом. Для того, щоб отримати правило побудови зображень в плоскому дзеркалі, оберемо точку, що світиться поблизу дзеркала (рис. 6.9):

Із безлічі променів, які випромінює дана точка S, виберемо лише два, які падають на дзеркало пучком, що розсіюється. Після відбиття цей пучок променів потрапляє до ока спостерігача.

Спостерігач бачить, що промені ніби виходять з точки S', там спостерігач і бачить зображення: D SAB = D S'AB. Тому, якщо нижній трикутник повернути навколо осі АВ, то він збігається з верхнім. Звідси випливає правило побудови зображення точки в плоскому дзеркалі: якщо з точки на дзеркало (чи його продовження) поставити перпендикуляр і провести за дзеркало на таку ж відстань h, то там і буде уявне зображення точки S'.

Зображення називають дійсним, якщо в точці S перетинаються самі промені пучка, та уявним, якщо в точці S' перетинаються продовження цих променів (рис. 6.9). В точці, де виникає дійсне зображення, концентруються енергії світлових променів, і це може бути виявлено, наприклад, за допомогою фотоелемента або світлочутливого паперу. В місці уявного зображення точки, з якої ніби виходять промені, енергії немає. Однак і в разі одержанні уявного зображення точки на сітківці ока завжди виникає її дійсне зображення.

Щоб побудувати зображення предмета, на ньому обирають декілька характерних точок і виконують побудову кожної. Можливе одержання зображення предмета, розміщеного за межами дзеркала (рис. 6.10).

Геометричні розміри протяжного джерела світла і його уявного зображення в плоскому дзеркалі є однаковими.

Плоскі дзеркала знаходять широке застосування у вимірювальних приладах (наприклад, дзеркальний гальванометр), у мікроскопах, телескопах та інших оптичних приладах.

Другий головний закон геометричної оптики - закон заломлення світла: якщо середовище за межею з двох середовищ прозоре для світла, то окрім відбиття можна спостерігати заломлення світла (рис.6.11). Закони заломлення були відкриті дослідним шляхом декілька століть назад а принципом Гюйгенса, і формулюються так:

1) падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр у точці падіння променя лежать в одній площині.

2) відношення синуса кута падіння і синуса кута заломлення є сталою величиною для розділюваних двох середовищ:

, (1)

де ₁ - швидкість світла в першому середовищі; ₂ - швидкість світла в другому середовищі; n ₂₁ - відносний показник заломлення світла у другому середовищі відносно першого.

Якщо першим середовищем є вакуум, то показник заломлення називають абсолютним. Абсолютні показники заломлення визначено для всіх середовищ і занесено до таблиць.

Оскільки i , де с - швидкість світла у вакуумі, то

. (2)

Фізичний зміст показника заломлення визначили лише після того, як закони заломлення були отримані а принципом Гюйгенса. Відносний показник заломлення показує у скільки разів швидкість світла в одному середовищі є більшою за швидкість в другому. Тепер закон заломлення можна записати таким чином:

.

Середовище з більшим абсолютним показником заломлення називають оптично більш густішим, а з меншим - оптично менш густим. Якщо світло з оптично менш густого середовища переходить у більш густе, промінь буде "притискатись" до перпендикуляра (a > b).

Якщо ж світло переходить із більш оптично густого середовища в менш густе, то промінь світла буде відхилятись від перпендикуляра (a < b) (рис. 6.12).

Закон заломлення світла дозволяє пояснити цікаве і практично важливе явище - повне відбиття світла. Якщо збільшувати кут падіння a, то досягнувши граничного значення кута a (назвемо його кутом повного внутрішнього відбиття), b = 90°. При цьому куті падіння і більших кутах заломлений промінь вже не може проникнути в друге середовище, а відбивається - відбувається повне внутрішнє відбиття світла (рис. 6.13).

Якщо a = a₀, то b = 90? і , sin 90? = 1 - граничний кут повного внутрішнього відбиття.

Явище повного внутрішнього відбиття легко спостерігати на простому досліді. Наллємо в склянку воду і піднімемо її дещо вище рівня очей. Поверхня води, якщо розглядати її знизу крізь склянки, здається блискучою, неначе срібною, це і буде з явищем повного внутрішнього відбивання світла.

Повне внутрішнє відбиття використовують у волоконній оптиці. Це явище зумовило революцію в передаванні інформації, широко використовується в медицині.

Показник заломлення n не залежить від кута падіння променя, але залежить від його кольору. Цю залежність відкрив Ньютон. Вимірювання показують, що фіолетового кольору на декілька відсотків n є більше ніж червоного (для більшості видів скла). Ця залежність - n = f (l) - входить до закону заломлення світла, тому кут заломлення b фіолетових променів значно більший, ніж для червоних променів. Фотони з різними довжинами хвиль від межі двох середовищ відбиваються під різними кутами. Так, якщо на скляну призму спрямовувати вузький білий пучок світла, то на екрані виникнуть лінії спектра (рис. 6.14).

Явище залежності показника заломлення від довжини світлової хвилі називають дисперсією світла детально вивчали. Спектр за допомогою кристалічних призм (із кварцу, алмазу тощо). Досліди показали, що з обох боків спектра розміщено ділянки ультрафіолетового і інфрачервоного (іч) спектрів. Ультрафіолетовий спектр має підвищену біологічну дію, викликає засмагу, вбиває патогенні бактерії, може розкладати молекули на частинки під час поглинання. Промені ультрафіолетового діапазону знайшли застосування в медицині, техніці, науці. Інфрачервоні промені випромінюють всі тіла, зокрема тіло людини випромінює хвилі довжиною 10 мкм. З підвищенням температури тіла випромінюють більш короткі інфрачервоні хвилі, а при температурі 600 - 700 °С - видимі промені.

Випромінювання спектрів дає можливість точно визначати хімічний склад речовин. Це є важливим для різних галузей фізики.

Вивчаючи явище дисперсії, Ньютону вдалось правильно пояснити природу світла. Білі предмети відбивають усі кольори спектра, а чорні предмети поглинають усі кольори спектра. Якщо не відбивається світло, то це сприймається оком як чорний колір.

Предмет освітлений тим або тим кольором тоді, коли він більше відбиває якийсь один колір, а всі інші кольори поглинає.

Лінзою називають прозоре тіло, обмежене з обох боків сферичними поверхнями (одна з поверхонь може бути плоскою).

Розрізняють такі лінзи як показано на (рис. 6.15): а - двовипукла, б - плоско-опукла, в - двоввігнута, г - плоско-ввігнута, д - опукло-ввігнута, е - схематичне зображення збиральної та розсіювальної лінз.

а) двовипукла	б) плоско-опукла	в) двоввігнута	г) плоско- ввігнута	д) опукло-вігнута	е)
Рис.6.15.

 

Якщо товщина лінзи значна і менша від радіуса її кривизни, то таку лінзу називають тонкою. Якщо паралельний пучок променів, що падають на поверхню лінзи, лінза збирає в одній точці (фокусі), то її називають збиральною (рис. 6.16).

Якщо ж паралельний пучок променів, який падає на лінзу, лінза розсіює, то її називають розсіювальною (рис. 6.17).

Після проходження такої лінзи паралельні промені рівномірно розходяться так, що їх продовження перетинаються в уявній точці - фокусі. У збиральній лінзі фокус буде дійсним, а в розсіювальній - уявним.

Центр лінзи називають оптичним центром. Пряма лінія, яка проходить через обидва фокуси лінзи і її центр. перпендикулярно до площини лінзи, називають головною оптичною віссю, а будь-яка інша пряма, яка проходить через центр лінзи - побічною віссю. Дві площини, паралельні головній площині з обох боків лінзи, які проходять через фокуси, називають фокальними площинами. Точки перетину побічних осей з ними називають побічними фокусами. У цих точках збігаються паралельні промені (для розсіювальних лінз - їх продовження після проходження лінзи), що утворюють паралельний до даної побічної осі пучок променів.

Відстань від фокуса до оптичного центра називають фокусною відстанню лінзи (F). Фокусна відстань збиральної лінзи є додатною, а розсіювальної - від'ємною. Величину, обернену до фокусної відстані, називають оптичною силою лінзи D.

. (1)

У системі СІ оптичну силу лінзи вимірюють в діоптріях;

[ D ] = 1/м = 1 дптр.

Оптична сила лінзи дорівнює одній діоптрії, якщо її фокусна відстань дорівнює одному метру. Головна цінність лінзи полягає в тому, що а її допомогою можна отримати зображення предметів, які можуть світитись самі чи світяться відбитим світлом.

Якщо d - відстань від предмета до лінзи, то f - відстань від лінзи до зображення на екрані, F - фокусна відстань, то розміщення предмета і його зображення можна визначити за формулою тонкої лінзи:

. (2)

Користуючись формулою слід враховувати правило знаків:

1) якщо лінза розсіювальна, то величину F беруть зі знаком "-".

2) якщо лінза дає уявне зображення, то і f також беруть з "-".

3) якщо предмет уявний, то і d беруть зі знаком "-".

Якщо h - висота предмета, а H - висота зображення, то можна знайти збільшення лінзи:

. (3)

Якщо оптична система складається із декількох (D ₁, D ₂, …, D_n) лінз, розміщених близько одна до одної, то справедливою є така формула:

D _{системи} = D ₁ + D ₂ + D ₃ + … + D_n (4)

Якщо ж лінзи розміщені в різних точках простору, то спочатку будують зображення першої лінзи. Це зображення служить предметом для другої лінзи і так далі. Повторюючи цей процес необхідну кількість разів, знаходять потрібне зображення для всієї оптичної системи.

У побудові зображень бере участь величезна кількість променів, хід багатьох з яких передбачити дуже важко, але в цьому і немає потреби. Для того, щоб визначити, де буде зображення, буде воно прямим чи перевернутим, збільшеним чи зменшеним, дійсним чи уявним достатньо знати хід чотирьох променів. Усі інші промені пройдуть своїм шляхом, але побудують зображення там, де отримують зображення за допомогою зручних нам променів.

Хід зручних променів:

1. Промінь, який упав на лінзу паралельно головній оптичній осі, заломившись пройде через фокус (рис.6.18, 6.19).

2. Промінь, який упав на лінзу через фокус, заломившись пройде паралельно головній оптичній осі (рис.6.20, 6.21).

3. Промінь, який пройшов через оптичний центр, не заломлюється (рис. 6.22, 6.23).

4. Промінь, який падає на лінзу паралельно побічній осі, після заломлення перетнеться з нею в фокальній площині (рис. 6.24, 6.25).

Побудова зображення у збиральній лінзі. Якщо предмет розміщений на відстані d = 2 F, то його зображення буде дорівнювати за висотою предмету, буде перевернутим і дійсним, знаходитиметься в точці 2 F по інший бік від лінзи (рис. 6.26).

Якщо предмет знаходиться на відстані d > 2 F, зображення буде зменшеним, перевернутим, дійсним, знаходитиметься в точці між 2 F i F на іншому боці від лінзи (рис. 6.27).

Якщо предмет знаходиться між 2 F i F, зображення буде перевернутим, збільшеним, дійсним, знаходитиметься за 2F по інший бік від лінзи (рис. 6.28).

Якщо предмет знаходиться на відстані d = F, промені виходитимуть з лінзи паралельно до променя, що проходить через оптичний центр, і зображення не буде (рис. 6.29).

Якщо предмет знаходиться між фокусом F i оптичним центром лінзи, зображення буде прямим, уявним, збільшеним і знаходиметься по той же бік від лінзи, що і предмет (рис. 6.30).

Побудова зображення в розсіювальній лінзі. Принцип побудови завжди однаковий: така лінза робить зображення зменшеним, прямим і уявним, зображення буде знаходитися по той самий бік, що і предмет (рис. 6.31).

Побудова зображення точки, що знаходиться на головній оптичній осі в збиральній (рис.6.32) і розсіювальній (рис.6.33) лінзах.

S - точка, яка світиться, S' - її зображення.

Таке зображення можна побудувати, якщо показник заломлення лінзи є більшим від показника заломлення середовища, в якому поширюються світлові хвилі. Інакше, якщо середовище є оптично густіше від матеріалу лінзи, то збиральна лінза стане розсіювальною, і, навпаки, двовгнута - збиральною. Якщо, наприклад, у склі є опукла повітряна порожнина, то вона відіграє роль розсіювальної лінзи. Якщо повітряна порожнина двовгнута, то вона діє як збиральна лінза.

Пояснюється це тим, що, наприклад, двоопуклу лінзу можна схематично уявити як сукупність призм (рис. 6.34). Якщо середовище, що оточує лінзу, є оптично густішим від матеріалу лінзи, то лінза буде розсіювальною, оскільки світлові промені відхиляються від основ призм (рис. 6.35).

 

9. Методичні особливості вивчення теми: «Випромінювання та поглинання світла. Спектри. Ядерна модель атома. Модель атома водню за Бором. Принцип відносності Ейнштейна»

Електромагнітна природа світла, розглянута в шостій частині, не дозволяла пояснити деякі фізичні явища і, зокрема, фотоефект. Було висунуто гіпотезу про квантовий характер електромагнітного випромінювання і це дало поштовх для розвитку і становлення квантової фізики. Цей розділ слід вивчати у взаємозв'язку з попереднім матеріалом і виходячи з єдності фізичної картини світу.

У цій частині розглядається матеріал вчення про світло, в якому вивчається дискретний характер випромінювання, поширення і взаємодія світла з речовиною, а також розглядається корпускулярно-хвильовий дуалізм (під час поширення світла проявляються його хвильові властивості, а у разі взаємодії з речовиною - корпускулярні).

В розділі "Світлові кванти" розглядаються такі питання, як зародження квантової теорії, фотоефект і його закони, квантова теорія фотоефекту, застосування фотоефекту, фотон і його властивості, тиск світла, хімічна дія світла, фотографія.

Розділ "Атом та атомне ядро" сформувався на основі квантових уявлень. Так, на початку ХХ ст. англійський учений Е. Резерфорд установив існування атомного ядра і запропонував планетарну модель будови атома. Згідно з цією моделлю в центрі атома знаходиться ядро, увесь інший об'єм заповнено електронами. Н. Бор 1913 року розробив першу кількісну теорію атома, теорію найпростішого атома - атома водню. Він висунув три постулати: постулат стаціонарних станів, правило частот, умови квантування колових орбіт.

Основи ядерної фізики були закладені 1932 року англійським фізиком Д.Чедвіком, який відкрив нейтрон, а німецький учений В.Гейзенберг запропонував протонно-нейтронну модель будови атомного ядра. Згідно з цією моделлю ядра складаються із протонів і нейтронів, які утримуються всередині ядра потужними ядерними силами. У результаті з атомної фізики виокремлено новий напрям, що самостійно розвивається.

Основне завдання ядерної фізики пов'язано зі з'ясуванням природи ядерних сил, що діють між нуклонами - складовими частинами ядер, і з встановленням особливостей руху нуклонів у ядрах.

Ядерна фізика містить ядерну спектроскопію, що вивчає квантові характеристики енергетичних станів (рівнів) ядер, і нейтронну фізику, що вивчає розсіювання і захоплення нейтронів ядрами, процес поділу ядер нейтронами і наукову основу реакторобудування.

Слід розуміти, що квантова фізика вивчає властивості оточуючих тіл, виходячи із сучасних уявлень про будову атома. Для глибшого засвоєння матеріалу цієї частини рекомендуємо складати опорні конспекти.