ОПТИКА. Корпускулярно-хвильова природа світла.

ОПТИКА

4.1. Корпускулярно-хвильова природа світла. Поширення світла в середовищі: поглинання, дисперсія, розсіяння світла. Фотометрія. Енергетичні і світлові величини та одиниці їх вимірювання. Закони фотометрії.

При підготовці екзаменаційного білету необхідно висвітлити такі питання:

•     Корпускулярно-хвильова природа світла. Прояви хвильової та квантової природи світла.
•     Дати означення явищ поглинання, дисперсії. На основі електромагнітної теорії світла та електронної теорії будови речовини показати зв’язок діелектричної проникності речовини з частотою світлової хвилі ε(ω) та перейти до залежності показника заломлення і коефіцієнта поглинання від частоти подаючого світла n(ω) та κ(ω). Показати на графіку та дати означення нормальної та аномальної дисперсії. Навести приклади (дисперсія світла у призмах, колір прозорих тіл).
•     Дати означення явища розсіювання світла та його фізичне пояснення. Навести приклади мутних середовищ. Описати явище молекулярного розсіювання світла та вивеcти формулу Релея. Пояснити залежність інтенсивності молекулярного розсіювання від довжини світлової хвилі, температури та об’єму середовища. Навести приклади.
•     Фотометрія як розділ фізичної оптики.
•     На основі електромагнітної теорії світла ввести поняття середньої потужності випромінювання. Дати означення енергетичних величин: (енергетичні інтенсивність, освітленість, сила світла, світність, яскравість) та одиниці їх вимірювання.
•     Ввести функцію видності, показати зв’язок енергетичних і світлових величин. Дати означення світлових величин: (інтенсивність, освітленість, сила світла, світність, яскравість) та одиниці їх вимірювання.
•     Записати та пояснити закони фотометрії: закон обернених квадратів, закон Бугера, закон Ламберта для дифузного відбивання світла та його наслідки.

4.2. Рівноважне випромінювання та його закони.

Необхідно висвітлити такі питання:

•     Види випромінювання (теплове, люмінесцентне). Дати означення рівноважного випромінювання, спектральної випромінювальної та поглинальної здатності тіла.
•     Сформулювати закон Кірхгофа, дати означення  абсолютно чорного тіла та описати його модель,  пояснити фізичний зміст функції Кірхгофа та побудувати її графік. Сформулювати закон Кірхгофа в інтегральній формі.
•     Записати закон Стефана – Больцмана та пояснити його зміст.
•     Сформулювати закон зміщення Віна, побудувати та пояснити графіки залежності φ(λ,T) для різних температур, навести приклади його використання. Пояснити, як залежить від температури максимальна випромінювальна здатність тіла φ_max(λ,T).
•     Висвітлити спроби теоретичного описання розподілу  енергії у спектрі випромінювання  абсолютно чорного тіла. Закон Релея – Джинса, «ультрафіолетова катастрофа».
•     Гіпотеза Планка. Вивести формулу Планка для розподілу  енергії у спектрі випромінювання  абсолютно чорного тіла. Показати, як закони Стефана – Больцмана і Віна можна отримати з формули Планка.
•     Зробити висновок про квантову природу випромінювання.

4.3. Хвильова оптика. Когерентні і некогерентні джерела. Інтерференція хвиль. Методи одержання інтерференційних картин. Дифракція світла та її застосування.

Необхідно висвітлити такі питання:

•     Світло як електромагнітні хвилі.
•     Означення когерентних хвиль. Когерентні і некогерентні джерела.
•     Явище інтерференції хвиль. Вивести формулу інтенсивності світла при накладанні двох когерентних хвиль. Умови спостереження максимумів і мінімумів інтерференції (для різниці фаз, різниці ходу, оптичної різниці ходу). Інтерференція поляризованих хвиль.
•     Методи одержання інтерференційних картин за двопроменевими схемами: метод Юнга, бідзеркала Френеля, Біпризма Френеля, білінза Бійє (з побудовами ходу променів).  Формула ширини інтерференційної смуги.
•     Інтерференція в тонких плівках, її застосування.
•     Явище дифракції світла, принцип Гюйгенса – Френеля, метод зон Френеля.
•     Дифракція Френеля на круглому отворі і екрані.
•     Дифракція Фраунгофера на щілині (інтенсивність, графік, умови мінімума і максимума).
•     Дифракція Фраунгофера на решітках (одно-, дво- і тривимірних). Умови максимумів і мінімумів. Графік інтенсивності для дифракції на одновимірній решітці. Дифракційні спектральні прилади. Кутова і лінійна дисперсія решітки її роздільна здатність.

4.4. Поляризація світла. Поляризація при відбиванні від діелектрика. Закон Брюстера. Подвійне променезаломлення. Закон Малюса. Поляризаційні прилади та їх застосування.

Необхідно висвітлити такі питання:

•     Явище поляризації світла. Лінійна, еліптична та колова поляризація.  Спосіб отримання еліптично поляризованого світла – додавання когерентних хвиль, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах, оптична схема для отримання еліптично поляризованого світла.
•     Поляризація при відбиванні від діелектрика. Формули Френеля. Закон Брюстера.
•     Явище подвійного променезаломлення. Анізотропія кристалів, одноосні кристали та їх оптичні властивості. Пояснення подвійного променезаломлення (утворення звичайного і незвичайного променів). Пластинки λ/2 і λ/4.
•     Поляризатор і аналізатор. Закон Малюса. Призма  Ніколя, поляроїд.
•     Обертання площини поляризації в активних середовищах.
•     Поляризаційні прилади та їх застосування (поляриметр, цукрометр).
•      

4.5. Геометрична оптика як граничний випадок хвильової оптики. Основні поняття та закони геометричної оптики. Оптичні прилади. Волоконна оптика.

Необхідно висвітлити такі питання:

•     Умови переходу від хвильових до геометричних уявлень при вивченні світлових явищ (розміри отворів та радіусу фронта хвилі у порівнянні з довжиною хвилі λ, характер зміни показника заломлення і амплітуди світлової хвилі у оптично неоднорідному середовищі), межі застосування геометричної оптики.
•     Основні поняття та закони геометричної оптики: хвильовий фронт і промінь, закон прямолінійного поширення світла, незалежність поширення світлових променів, закони відбивання та заломлення світла. Принцип Ферма. Світна точка, предмет, зображення. Правило знаків.
•     Перетворення пучків оптичними системами (гомоцентричний пучок, астигматичний пучок, дійсне і уявне зображення). Теорема Лагранжа – Гельмгольца. Лінійне і кутове збільшення. Елементи оптичних систем: лінза, дзеркало, призма. Тонка лінза, формула лінзи, побудова зображень у лінзі. Формула Ньютона. Сферичне дзеркало, формула дзеркала, побудова зображень. Призми, хід променів у призмі, формула призми, дисперсія призм.
•     Центровані оптичні системи та їх характеристики: фокуси, фокальні площини, головні площини та  головні точки системи,  фокусні відстані, оптична сила. Побудова зображень в оптичній системі. Додавання оптичних систем (оптична сила складеної системи) .
•     Оптичні прилади: класифікація приладів за їх призначенням, лупа, мікроскоп, телескоп, їх збільшення. Роздільна здатність телескопа, мікроскопа.
•     Волоконна оптика: передача зображень за допомогою світловодів, хід променів у світловоді. Застосування волоконно-оптичних пристроїв.