Оптика как раздел физики: теория, основные понятия и формулы

С понятием «оптика» многие связывают оптические приборы: очки, бинокли, микроскопы и их части, например, в фототехнике. Это на уровне потребителя. Для разработки этих и иных устройств нужен массив знаний в разных областях. Рассмотрим основные понятия и формулы раздела физики «Оптика». Они помогут быстро освежить знания перед экзаменом или контрольной работой.

Что такое оптика в физике

Оптикой называется раздел физики:

• изучающий связанные с видимым для человеческого глаза спектром электромагнитных волн и сопряжённых с ним (инфракрасное и рентгеновское излучения);
• объясняющий появление, распространение света, эффекты и явления, связанные с ним.

В переводе с греческого – это наука о зрительных восприятиях.

Различают пару оптических моделей:

• геометрическую – свет представляется в виде пучка лучей, передвигаемых по прямой и изгибаемых вследствие обхода препятствий;
• физическую – рассматривает видимое излучение как электромагнитную волну, обладающую дифракцией и интерференцией, также демонстрирующую корпускулярные свойства.

Развившаяся в XX веке квантовая оптика объясняет свет с точки зрения квантовой механики. 

Оптика: все формулы и основные понятия

При изучении видимых электромагнитных волн следует знать и помнить несколько законов, правил, принципов, на которых базируется наука.

Основные формулы оптики по физике:

Коэффициент преломления	n = c : v с – скорость света в вакууме, v – в исследуемой среде.
Закон преломления электромагнитных волн	n12 = n1 : n2 n – коэффициенты преломления двух сред.
Закон преломления волн	sin sin i : sin sin r = n12 i и r – углы падения и преломления соответственно.
Тонкая линза в воздухе	F – фокусное расстояние, d – дистанция от объекта до линзы, f – расстояние от линзы до сформированного изображения.
Сила линзы	R1, R2 – радиусы кривизны обеих линз.
Оптическая длина пути	Lопт =  L * n12
Оптическая разность хода	Δ = |L1n1 – L2n2|
Интерференционный максимум	dsinφ = mλ m = 0, 1, 2, 3…
Разрешение дифракционной решетки
Дисперсия среды

Теоретические основы оптики в физике без формул

Свет – видимая человеческим глазом часть спектра электромагнитных волн длиной ~400-760 нм. Более длинные волны называются инфракрасными, короткие – ультрафиолетовыми. Вследствие распространения света возникают потоки электромагнитной энергии, что применяется для передачи данных в оптоволоконных системах связи. Свет может вести себя как электромагнитная волна и как элементарная частица – корпускула.

Геометрическая оптика

Основной постулат – свет на границе перехода между средами частично отражается и преломляется, причём угол отражения луча равняется углу падения. Основа геометрической оптики представлена:

• Приближением – рассматриваются лучи, идущие под малыми углами к основной оптической оси.


• Отражением: зеркальным – когда формируется зеркальная картина, блестят поверхности и диффузионным – отражение не глянцевыми поверхностями.


• Преломлением – преодоление светом области перехода между средами с разным коэффициентом преломления.


• Линзами – оптическими устройствами, которые создают расходящиеся либо сходящиеся лучи.

Физическая оптика

Раздел базируется на распространении света в виде волны, а не потока частиц.

• Интерференция – при наложении когерентных волн наблюдается перераспределение светового потока с появлением максимумов и минимумов интенсивности.


• Дифракция – процесс огибания волнами встречающихся на пути преград.


• Дисперсия – зависимости коэффициента преломления от длины волны. Следствие дисперсии – разложение белого света на составляющие при прохождении через призму.


• Эффект Доплера – при удалении источника и приемника излучения наблюдается красное смещение – сдвиг колебаний в область с пониженной частотой.


• Поляризация – явление, когда направления колебания вектора света упорядочено определённым образом.


• Двойное лучепреломление – раздвоение луча определёнными кристаллами, например, шпата.

На стыке оптики создан десяток наук, таких как: оптоэлектроника, фотоника, нанофотоника, биооптика и прочие.