Учебная работа. Развитие оптики

Учебная работа. Развитие оптики

Министерство образования и науки Русской Федерации

Федеральное государственное экономное образовательное учреждение

высшего проф образования

«Русский муниципальный педагогический институт

им. А.И. Герцена»

Факультет технологии и предпринимательства

Кафедра общетехнических дисциплин

Реферат

Развитие оптики

Санкт-Петербург

2012 год

Содержание

Введение

1. Античность

1.1 Развитие представлений о оптике в древнем мире

2. Средние века и эра Возрождения

2.1 Развитие представлений о оптике в эру Возрождения

2.1.1 Оптика в арабском мире

2.1.2 Зарождение прикладной оптики: от очков до зрительной трубы

3. 17 век

3.1 Прикладная оптика

3.1.1 Телескоп и микроскоп Галилея

3.1.2 Линзы Торричелли

3.1.3 Оптика линз Иоганна Кеплера

3.1.4 законпреломления

3.2 Зарождение физической оптики

3.2.1 Истоки корпускулярно-волнового дуализма

3.2.2 Гримальди: дифракция и интерференция цвета

3.2.3 Волновая теория Декарта. Эфир

3.2.4 Оптические исследования Ньютона

3.2.5 Гюйгенс. Волны и эфир

3.2.6 Гук: цвета тонких пленок

3.2.7 Начало кристаллооптики

3.2.8 Оптика Ньютона

3.2.9 Измерение скорости света

3.2.10 Принцип Ферма

4. глаз как оптическая система

5. Оптика как наука сейчас

Заключение

Перечень применяемой литературы

Введение

оптика линза ньютон гук

фотоаппараты, телескопы, микроскопы, очки, линзы — все эти предметы обширно употребляются сейчас, и они все объединены таковой наукой как оптика. Не много кто думает, что конкретно данной науке, которая возникла еще в античности, мы должны почти всем современным предметам, изобретениям, без которых, может быть, уже не представляем свою ежедневную жизнь.

Как же зарождалась и развивалась оптика? Кто открывал главные законы и делал важные изобретения? Какие разделы сейчас в себя включает оптика, и что они изучат? О этом я бы желала написать в собственной работе.

1. Античность

1.1 Развитие представлений о оптике в древнем мире

Греки присваивали термину «оптика» наиболее узенькое на данный момент называем физической и физиологической оптикой. Приблизительно с V в. до н. э. греческие философы начали в собственных теориях касаться настоящего метода распространения света. Пифагор считал, что объекты стают видимыми благодаря «выстреливаемым» ими крошечным частичкам, попадающим в глаз человека.

Открытые в античности главные оптические эффекты обусловили развитие как базовой, так и прикладной оптики и легли в базу количественных оптических исследовательских работ средних веков.

Оптика — та наука, которая уже в древности была связана с практическими нуждами. Греческие геометры, приступив к исследованию оптических явлений, нашли видимую прямолинейность распространения света: подсказкой тут послужили отбрасываемые предметами тени. Потом учение о свете было включено в систему линейной геометрии, были разработаны геометрические способы образования изображения как от плоского, так и от кривого зеркала — исследования, которые они называли катоптрикой (наука о отражении лучей от зеркальных поверхностей). методика прослеживания луча для нахождения изображения, в первый раз серьезно изученная во времена Пифагора, обширно употребляется при оптических расчетах и в наши деньки.

В 444 г. до н.э. греческий философ Эмпедокл выдвинул теорию, альтернативную идее Пифагора, по которой предметы стают видимыми благодаря использованию неуловимого щупальца, простирающегося от глаза и захватывающего видимый предмет. Эта мысль о существовании какого-то излучения, выходящего из глаза, стала известной под заглавием «теории окулярных пучков». Она получила обширное распространение в древности, дискуссировалась в протяжении веков, но встретила наисильнейшее сопротивление в 350 г. до н.э. со стороны Аристотеля. Крайний считал свет проявлением некоей разряженной среды, именуемой пеллуцид и заполняющей все место. По его воззрению, через эту среду передается определенного рода действие от объекта к глазу. Идея эта, непременно, созвучна высказанной в XIX в. идее распространения света как колебаний разряженного эфира.

То, чем занимались александрийские арифметики, относилось к области геометрической оптики (катоптрике) и к скенографии (учение о перспективе). Вопросца о природе света они не ставили, формально придерживаясь старенькых пифагорейских представлений. Эти представления были достаточны для вывода главных положений геометрической оптики и теории перспективы.

Создателем первых дошедших до нас греческих работ по оптике был Евклид. До нас дошла его «Оптика» — трактат по теории перспективы. законы перспективы выводятся им из 14-ти начальных положений, установленных на базе оптических наблюдений. На законотражения Евклид ссылается, как на нечто уже известное: он гласит, что этот закон доказывается в его «Катоптрике». «Катоптрика» Евклида не сохранилась. возможно, уже в древности это сочинение было оттеснено на 2-ой план наиболее большой «Катоптрикой» Архимеда (сейчас также утерянной), содержавшей серьезное изложение всех достижений греческой геометрической оптики. Сам Архимед был не только лишь теоретиком оптики, да и мастером оптических наблюдений, о чем свидетельствует описанная им методика определения видимого поперечника Солнца. Эта методика свидетельствует о большенном экспериментальном мастерстве Архимеда, в собственных расчетах он даже учитывает размеры людского зрачка. Приобретенное им значение определяется верхним и нижним пределами, при этом 1-ый оказывается весьма близким к настоящему значению.

Ко II в. до н.э. теория построения изображений кривыми зеркалами довольно продвинулась вперед, оправдывая предание, по которому Архимед поджег римский флот около Сиракуз, сконцентрировав солнечный свет «зажигательными» вогнутыми зеркалами. Не считая того, старым грекам было понятно и зажигательное действие собирающих линз, описанное в первый раз в V в. до н.э. в комедии Аристофана «Облака». О зажигательном действии стеклянных и хрустальных шаров пишут римляне Плиний и Сенека. В эру поздней античности оптическими исследовательскими работами занимались Герон Александрийский и Птолемей.

Трактат Герона «Катоптрика», ранее принимавшийся за сочинение Птолемея, содержит ряд новейших моментов по сопоставлению с одноименными работами Евклида и Архимеда. В этом трактате Герон доказывает прямолинейность световых лучей нескончаемо большенный скоростью их распространения. Дальше, он приводит подтверждение закона отражения, основанное на предположении, что путь, проходимый светом, должен быть минимальным из всех вероятных. Вослед за законом отражения Герон разглядывает разные типы зеркал, особенное внимание уделяя цилиндрическим зеркалам и вызываемым им искажениям изображений. В заключение в трактате приводятся примеры внедрения зеркал, в том числе для театральных представлений. В другом трактате — «О диоптре» — Герон обрисовывает всепригодный визирный инструмент — диоптру. Наводка диоптры осуществлялась методом вращения вокруг 2-ух осей — вертикальной и горизонтальной. Для наиболее четкой установки служил микрометрический винт, в первый раз описанный конкретно в этом сочинении.

Со времен Герона все ученые стали делить оптику на катоптрику, т.е. науку о отражении, и диоптрику, т.е. науку о изменении направления световых лучей при попадании в прозрачные среды, к примеру воду либо стекло, либо, как мы сейчас говорим, о преломлении. Явление преломления еще не рассматривалось Героном, хотя было понятно грекам с давнешних времен. законы преломления изучались Евклидом и Аристотелем, но более тщательно исследовались со времен Клеомеда (50 г. до н.э.).

В 130 г. н.э. Птолемей обрисовал 1-ые вправду четкие диоптрические измерения в воде, но не сумел найти закономерность, связывающую способность к преломлению с величиной угла, на который отклоняется свет. Птолемей поставил особый опыт с целью изучить законпреломления. Он брал диск, по которому вокруг центра вращались две линейки — указатели А и В. Этот диск Птолемей наполовину погружал в воду и перемещал верхнюю линейку до того времени, пока она не казалась продолжением нижней, находящейся в воде. Вынув потом диск из воды, он определял углы падения и преломления. Но, хотя значения для углов падения и преломления, настоящего закона он установить не смог.

Птолемей нашел также явление полного внутреннего отражения. В вопросцах отражения света и природы зрения Птолемей не начал двигаться далее собственных предшественников.

Его оптика все еще была построена на догадке лучей, испускаемых глазом. Пересмотр данной догадки и последующие значительные шаги в области исследования оптических явлений были изготовлены средневековыми арабскими учеными, и до этого всего Альхазеном (Ибн-аль-Хайсамом, 965-1038/39 гг. н.э.).

Таковым образом, открытые в античности главные оптические эффекты обусловили развитие как базовой, так и прикладной оптики и легли в базу количественных оптических исследовательских работ средних веков.

Неведение строения глаза и механизма зрения не дозволили ученым древнего мира открыть возможность построения реальных изображений и, как следствие, ими не был сотворен ни один оптический устройство.

2. Средние века и эра Возрождения

2.1 Развитие представлений о оптике в эру Возрождения

2.1.1 Оптика в арабском мире

Опосля древнего периода развития науки о световых явлениях в протяжении практически 900 лет от Птолемея до Альхазена (Ибн ал-Хайсама) оптические исследования принесли не много новейшего. Возрождение древнего познания и предстоящее развитие науки началось в арабском мире. Арабы сделали много в области почти всех наук, в том числе и в оптике. Некие более известные трактаты являлись учебниками в собственной области в Европе прямо до 17 века.

В Европе единственным принципиальным достижением за это время было изобретение в XIII в. очков, тогда же возникли 1-ые суровые исследования по оптике. Начиная с конца XV века происходит резкий сдвиг оптики в практическую область, почти во всем благодаря трудам Леонардо да Винчи.

В силу вышесказанных обстоятельств оптика, как и другие науки, в средние века развивалась на Востоке, а потом (начиная с XIII века) в Европе.

Даже опосля анатомических исследовательских работ строения глаза, средневековым ученым тяжело было отрешиться от осязательной теории окулярных пучков и представить для себя формирование линзоподобным хрусталиком реального изображения предметов в перевернутом виде.

В то время «Оптика» Альхазена была совершенно первым суровым исследованием, остававшимся прямо до XVII века наилучшим управлением, невзирая на дополнения и конфигурации, вносимые в него позднейшими исследователями. Создание линзы, также приходящееся на это время, является первой в истории попыткой расширить способности сенсорного аппарата человека. Если б арабы сделали оптику и ничего больше, то и в этом случае они бы занесли важный вклад в науку.

Оптику арабы называли илм ал-маназир — «наука о зрительных инструментах». В старой Греции эта наука являлась быстрее учением о перспективе: в базе было учение о отражении света от плоских и сферических зеркал. В «Оптике» Птолемея излагается как распространение света, так и отражение и преломление.

В трактате Альхазена не только лишь устанавливается возможность получения реальных изображений при помощи зеркал и прозрачных преломляющих сред, но также опровергается теория окулярных пучков и даются разъяснения неким оптическим иллюзиям.

Изучил он и «прозрачные сферы» из горного хрусталя и стекла, также их шаровые сегменты. На латинский язык трактат Альхазена был переведен лишь в 1572 г.

Наикрупнейшим сочинением по оптике, написанным в средние века, была «Книжка оптики» Ибн ал-Хайсама. Ибн ал-Хайсам критикует глаза ученый разглядывает механизм зрения. Дальше рассматриваются зрительное восприятие и обманы, и очень тщательно изучается отражение света от плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал и преломление света. Оптические исследования Ибн ал-Хайсама были основаны на только высочайшей точности опыта и на широком использовании математических доказательств. Не считая «Книжки оптики», Ибн ал-Хайсам написал еще целый ряд оптических трактатов, а именно, «книжку о зажигательной сфере», лежащую в базе теории линз, два трактата о зажигательных зеркалах — упоминавшийся выше трактат о параболических зеркалах и трактат о сферических зеркалах, и «книжку о форме затмений», содержащую теорию камеры-обскуры. «Книжка оптики» Ибн ал-Хайсама была переработана в ХIII в. с добавлением изложения оптических трактатов Ибн ал-Хайсама. «Книжка оптики» была переведена на латинский язык под заглавием Opticae thesaurus («Сокровище оптики») и легла в базу оптических исследовательских работ ученых XIII-XIV вв. Вителло, Пеккама и Роджера Бэкона, а через их Кеплера, «Оптическая астрономия» которого носит подзаголовок «Добавление к Вителло».

Независимо от Ибн ал-Хайсама камеру-обскуру разглядывал ал-Бируни в «Тенях», где были в первый раз описаны также явления дифракции и интерференции света, 1-ое из которых ал-Бируни попробовал разъяснить при помощи геометрической оптики, интерференцию света он даже не пробовал разъяснять.

2.1.2 Зарождение прикладной оптики: от очков до зрительной трубы

В Европе опосля крушения римской империи прямо до X-XI веков культурная и научная жизнь переживала период затишья. В области оптики единственным принципиальным достижением за это время было изобретение в XIII в. очков, тогда же возникли в конце концов 1-ые суровые исследования по оптике. Более известны работы в данной области Роджера Бэкона, много внимания уделявшего преломлению и отражению в линзах и зеркалах. Он изучил положение зажигательного фокуса сферического и параболического отражателя, математически обосновал наличие продольной аберрации у вогнутого сферического зеркала, пришел к выводу «что прозрачные тела могут быть так обработаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными». Можно представить, что Бэкону были известны некие конструкции зрительных труб, он осознавал, что видимая величина предметов обоснована не расстоянием, а зрительным углом. По неподтвержденным преданиям, он сделал магический фонарь — (камеру-обскуру), а за изобретение очков был заключен в кутузку, потому что числилось, что это творение беса.

Огромное воздействие на средневековые оптические исследования оказал написанный в 1271 г. десятитомный трактат по оптике польского физика Вителло, в каком описаны бессчетные опыты и наблюдения за природными оптическими явлениями и разработаны принципиальные для живописцев вопросцы перспективы. Являясь в большенный степени успешной компиляцией работ Евклида, Птолемея и Альхазена, трактат на долгие годы стал основой институтских оптических курсов, достаточно почти не связанных с прикладными оптическими задачками. Данной для нас оторванностью незапятанной науки от практики разъясняется и тот факт, что, по одной из версий, величайшее оптическое изобретение — очки — были открыты в XIII веке не институтскими учеными, а итальянскими мастерами шлифования и полирования эмпирическим методом. Наиболее того, известны нехорошие отзывы ученых-оптиков того времени на ношение очков: «Основная цель зрения — знать правду, линзы для очков дают возможность созидать предметы большенными либо наименьшими, чем они есть в реальности, другой раз перевернутыми, деформированными и неверными, как следует, они не дают способности созидать реальность. Потому, если вы не желаете быть введенными в заблуждение, не пользуйтесь линзами». Но, приостановить развитие очкового ремесла было нереально, и, начиная с конца XV века, происходит резкий сдвиг оптики в практическую область, почти во всем благодаря трудам Леонардо да Винчи.

Говоря о творчестве Леонардо, недозволено делить его деятельность как ученого и инженера и его художественную деятельность. Сам он такое разделение не делал. Мысль союза науки и практики, пронизывающая все энциклопедическое творчество Леонардо, проявилась и в его оптических исследовательских работах. В его «Атлантическом кодексе» и остальных манускриптах были поставлены и решены задачки построения хода лучей в глазе, рассмотрены вопросцы аккомодации и адаптации глаза, дано научное разъяснение деяния линз, зеркал и очков, встречаются вопросцы аберраций и картинки каустических поверхностей, приведены результаты первых фотометрических исследовательских работ, описаны технологии производства линз и зеркал. Особо необходимыми представляются разъяснения Леонардо да Винчи перевернутых изображений, даваемых камерой-обскурой, так как, кроме изображений на картинах живописцев и возникающих в глазу человека, в те годы это был единственный пример реального оптического изображения. Историческая ролькамеры-обскуры заключается в том, что она верно разграничила понятия свет и зрение. Исследование бинокулярного зрения привело Леонардо да Винчи к созданию около 1500 г. стереоскопа, он изобрел ряд осветительных устройств, в том числе ламповое стекло, грезил о разработке телескопа из очковых линз. В 1509 г. им была предложена система станка для шлифовки вогнутых зеркал, тщательно описано изготовка параболических поверхностей.

Леонардо нашел разницу меж распространением звуковых и световых волн, изучил отражение и преломление звуковых волн, эхо, скорость звука и причины, определяющие степень громкости, исследуя для этого законы, управляющие затуханием звука, средством конфигурации расстояния меж источником звука и ухом. В итоге он сделал некоторую перспективу звука, схожую законам оптической и изобразительной перспективы.

Основным в жизни Леонардо была, естественно, живопись. Считая живопись наукой, Леонардо писал: «Наука живописи распространяется на все цвета поверхностей и на фигуры одетого ими тела, на их близость и отдаленность с надлежащими степенями уменьшения зависимо от степеней расстояния. Эта наука — мама перспективы, т. е. учения о зрительных линиях». Леонардо серьезно интересовался оптикой, так как практические вопросцы, связанные с оптикой, были близки к живописи. В процессе зания он постоянно присваивал исключительное

Леонардо в собственном творчестве желал быть «Мастером и Богом» природы, он желал научиться создавать то же воспоминание, которое делает жива природа. Для этого нужно узнать суть вещей, поймать то, что прячется за наружной оболочкой. Чтоб осознать все тонкости игры света, он должен осознать, что такое свет, световые лучи, законы распространения света, строение глаза, природу и механизм зрения. Но главной была наука о живописи, в какой Леонардо лицезрел смысл жизни. Искусство делает новейший мир, и живописец в этом подобен богу.

Опосля работ Леонардо да Винчи не было сколько-нибудь периодических исследовательских работ по оптике. Можно упомянуть лишь «Пиротехнику» Бирингуччо (1480-1539), в какой описывались железная, стекольная и хим индустрии. В данной области познаний царила большая неурядица, может быть, потому итальянский математик и физик Франческо Мавролик побоялся опубликовать свое оригинальное исследование по оптике. В его первой части рассмотрены вопросцы геометрической оптики: прямолинейное распространение света, его отражения от плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал; во 2-ой части — преломление света, явление радуги, строение глаза, механизм зрения и принцип деяния очков. Полагая, что хрусталик глаза работает как линза, он, в то же время, не сумел признать, что изображение выходит перевернутым, и серией ухищрений пробовал обосновать, что изображение будет прямым. Ему принадлежит награда в разъяснении обстоятельств дальнозоркости и близорукости. Исследуя прозрачные тела, ограниченные сферическими поверхностями (т.е. линзы), Мавролик установил, что выпуклые линзы являются собирающими, а вогнутые — рассеивающими. К огорчению, его труд был размещен только в 1611 г. через 57 лет опосля написания и не сумел оказать приметного воздействия на развитие практической оптики в то время.

Дело, начатое Леонардо да Винчи и Мавроликом, было продолжено их соотечественником Джованни Баттиста де ла Порта, посвятившим оптическим исследованиям два произведения: «Натуральная мистика» и «О преломлении». Он усовершенствовал камеру-обскуру, добавив собирающую линзу, и выдвинул идею проекционного фонаря. Скоро де ла Порта делает попытку построения хода лучей в линзах и даже приводит оптическую систему телескопа, утверждая, что ему удалось созидать на большенном расстоянии маленькие предметы, но никаких доказательств не приводит. Собственный ценность в изобретении зрительной трубы он отстаивает в письме князю Федерико Чези, написанном в августе1609 г., которое сопровождается рисунком трубы по «схеме Галилея», но в девятой книжке «О преломлении», на которую ссылается Порта, нет подтверждающих его слова сведений, потому вопросец о его приоритете в изобретении зрительной трубы является недоказанным. 1-ая зрительная труба возникла на рубеже XVI и XVII веков в Голландии, о чем сказал в 1608 г. очковых дел мастер Липперсгейм. Весть о его изобретении побудило Галилея через год в Падуе выстроить собственный телескоп и тем положить начало современной астрономии. Разработке фактически теории этого инструмента и практике его внедрения мы должны до этого всего Галилео Галилею и Иоганну Кеплеру.

3. 17 век
3.1 Прикладная оптика
3.1.1 Телескоп и микроскоп Галилея

1-ая зрительная труба возникла на рубеже XVI и XVII веков в Голландии, о чем сказал в 1608г. очковых дел мастер Липперсгейм. Весть о его изобретении побудило Галилея через год в Падуе выстроить собственный телескоп и тем положить начало современной астрономии. Разработке фактически теории этого инструмента и практике его внедрения мы должны до этого всего Галилео Галилею и Иоганну Кеплеру.

В 1610 году он опубликовал труд «Звездный вестник», который стал самой ходкой научной книжкой того времени. В ней он сжато и ясно излагал свои наблюдения. Книжка вызвала гигантскую сенсацию. нужно сказать, что почти все открытия Галилея получили признание в церковных кругах. (Папа Урбан VIII числился его другом.). Но доминиканцы и иезуиты оказались посильнее папского покровительства. По их доносу в 1633 году Галилей был предан суду инквизиции в Риме и чуток было не поделил участь Бруно. Только ценой отречения от собственных взглядов он выручил для себя жизнь. Учение о движении Земли было объявлено ложью.

прогресс в развитии всех прикладных оптических исследовательских работ в значимой мере связан с именованием Галилея. Его «Звездный вестник» послужил могучим стимулом к созданию различных конструкций телескопов и остальных оптических устройств. Методом логических рассуждений он пришел к выводу о необходимости сочетания выпуклой и вогнутой линзы для получения искомого эффекта роста. Он первым сообразил, что свойство производства линз для очков и для зрительных труб обязано быть совсем разным. Галилей усовершенствовал технологию производства линз, что позволило ему сделать инструмент, увеличивающий в 32 раза, в то время как все существовавшие до него зрительные трубы давали повышение только в 3-6 раз.

Галилею также принадлежит Ценность в конструировании микроскопа, который он сделал, подбирая соответственное расстояние меж линзами, при котором оказывались увеличенными не удаленные, а близкие предметы. О наблюдении насекомых имеется запись от 1614 г., а в 1624 г. он отправляет сконструированный им микроскоп Федерико Чези с описанием наводки на резкость. Отметим, что сделанные во 2-ой половине XVII в. Левенгуком однолинзовые микроскопы были намного проще и наименее высококачественными. Галилей был восхитительным оптиком собственного времени. К величавому огорчению, преследования инквизиции помешали ему классифицировать исследования по инструментальной оптике в единой книжке.

В котором-то смысле все изготовленное в науке до Галилея можно считать предысторией современного естествознания.

3.1.2 Линзы Торичелли

Опосля погибели Галилея должность придворного математика барона тосканского получает его ученик Эванджелиста Торричелли, (1608-1647), которому предначертано было открыть секрет контроля свойства обработки линз. Научившись у собственного величавого учителя искусству шлифовки линз, он упрямо отыскивает ответ на вопросец: как проверить точность производства линз? Потому что в первой половине XVII века еще не были известны явления интерференции и дифракции, то итог работы шлифовальщиков полностью зависел от варианта. В 1646 г. им была изготовлена линза поперечником 83 мм, которая и на данный момент относится к классу современной четкой оптики. Письма Торичелли, датированные 1644г., обосновывают, что это не было случайностью: «В конце концов, изобретение, касающееся стекол, у меня в руках. За несколько крайних дней я один обработал 6 стекол, из которых два не уступали лучшему из тыщи стекол, изготовленных за 30 лет Фонтаной» (линзы неаполитанского мастера-оптика были самыми совершенными в то время). Хотя Торричелли так и не открыл собственный секрет и не опубликовал ни одной работы по оптике, считают, что он увидел интерференционные кольца, — возникающие при притирке линзы с поверхностью формы и употреблял их для оценки свойства обрабатываемой поверхности. Заметим, что когда он погиб, официальным открывателям «колец Ньютона» Роберту Гуку и Исааку Ньютону было 12 и 5 лет соответственно. Не считая производства зрительных труб и телескопов, Торричелли занимался конструированием обычных микроскопов, состоящих всего из одной крохотной линзы, которую он получал из капли стекла (расплавляя над пламенем свечки стеклянную палочку). Конкретно такие микроскопы получили потом обширное распространение благодаря виртуозности Антони ван Левенгука.

Подобно тому, как в руках Галилея телескоп нашел тайну звезд, микроскоп в руках исследователей 17 века (не считая Левенгука это Мальпиги, Гук и Сваммердам) открыл двери в мир нескончаемо малого. Насекомые, части растений, бактерии и т.д. — все это сделалось предметом исследования, что привело к резвому расцвету соответственных дисциплин.

3.1.3 Оптика линз Иоганна Кеплера

Фундамент современной научной оптики линз заложил выдающийся германский астролог Иоганн Кеплер, родившийся в 1571г. При четком расчете хороших линз для всех целей значительно знать верный закон преломления света в стекле. Этот законеще не был известен, и, естественно, не знал его и Кеплер (он неверно считал, что отношение угла падения к углу преломления есть константа).

И все таки он выдумал такие системы линз для телескопов, что даже в наши деньки кеплеровский окуляр находит применение в современных оптических устройствах. Кроме интенсивных занятий астрономией, он изобретает зрительную трубу, состоящую из 2-ух положительных линз (телескоп Кеплера) с огромным полем зрения и промежным перевернутым реальным изображением, в плоскости которого можно располагать визирующее устройство. Это превратило телескоп из инструмента наблюдательного в инструмент измерительный.

Он в первый раз применил камеру-обскуру для наблюдения солнечного затмения, установив, что форма изображения на стене камеры не зависит от формы отверстия. В 1604г. он написал «Дополнение к Виттеллию», в каком верно обрисовывает перевернутое изображение на сетчатке глаза, завершив исследования Альхазена и Леонардо да Винчи в области физиологии (Физиология от греч. — природа и греч. — знание — наука о сущности живого) зрения. Тут же он приводит формулу, связывающую фокусное расстояние линзы с положениями предмета и его изображениями на оптической оси, и вводит ряд новейших определений (сходимость и расходимость пучков, оптическая ось, фокус системы).

Но его основным трудом по оптике стала «Диоптрика», написанная всего за два месяца в 1610 г. под впечатлением открытий Галилея. В ней он дает точное определение и систематизацию линз, выявляет закономерности в положениях предмета и изображения при одной и 2-ух линзах, доказывает схему собственного телескопа, анализирует сферическую аберрацию и диафрагмирование объектива, также разглядывает схему трехлинзовой трубы с прямым изображением. Таковым образом, в «Диоптрике» Кеплера содержатся начала анализа и синтеза оптических систем, также все главные понятия геометрической оптики. Этот выдающийся труд, и все другие работы, в том числе именитые законы для геоцентрической системы Коперника, он создавал в тяжелейших вещественных критериях. О его одержимости Альберт Эйнштейн писал «Какой глубочайшей была у него Вера, если работая в одиночестве, никем не поддерживаемый и не понятый, он в протяжении почти всех 10-ов лет черпал в ней силы для сложного и тщательного эмпирического исследования».

Таковым образом, в первом 10-летии XVII в. Кеплер научно растолковал ряд оптических явлений (отражение, преломление). Он в первый раз ввел понятие фокуса и отдал глубочайший анализ механизма зрения. Предстоящая разработка законов преломления принадлежит Декарту, выводы которого были доказаны Ферма. несколько позднее Гримальди открыл явление дифракции.

3.1.4 законпреломления

Явлением преломления света интересовались еще в ранешней Античности. Посреди ученых средневековья, занимавшихся сиим вопросцем, больших фурроров достигнул Альхазен. Он сделал много опытов, изучая прохождение света из воздуха в воду и из воды в стекло. Не считая того, веря в существование кристаллической небесной сферы, он считал, что и там имеет пространство явление преломления света.

Альхазен стремился обосновать это при помощи астрономических наблюдений. Кроме всего остального, он пришел к выводу, что преломление изменяет высоту небесных тел над горизонтом. Он также был первым, кто пришел к выводу, что время от времени мы смотрим звезды над горизонтом тогда, когда по сути они находятся ниже его. Потом это подтвердили Вителло, Тихо Браге и др.

много времени исследованию преломления света уделил также Кеплер, в особенности в связи с астрономическими неуввязками. Он увидел, что если падающий луч образует с перпендикуляром угол не наиболее чем 30 градусов, то преломленный луч идет под углом, не превосходящим 20 градусов. Он увидел также последующее: когда свет проходит из среды наиболее плотной в наименее плотную, угол, на который отклоняется преломленный луч (по отношению к перпендикуляру), растет с повышением угла падения до того времени, пока не оказывается параллельным преломляющей поверхности. Кирхер на основании огромного числа опытов составил таблицу углов падения и соответственных им углов преломления, прямо до одной минутки. Он употреблял в главном прозрачные воды и твердые тела. Описывал он также ход лучей из воздуха в воду, из воздуха в вино и из масла в стекло. Кирхер был известен также и как качественный изобретатель оптических инструментов и мастер по их усовершенствованию.

1621 год явился поворотным моментом в истории оптики, потому что конкретно в этом году датчанин Снеллиус (1591-1626) нашел четкий законпреломления, нареченный его именованием. Хотя, опосля кропотливых экспериментальных исследовательских работ, он и открыл законпреломления, но размещен при жизни Снеллиуса он не был, и в первый раз стал известен в 1637 г. благодаря Рене Декарту. Крайний не только лишь, вослед за Кеплером тщательно изучит строение глаза, да и уточняет его неверную формулировку закона преломления, получив этот закончисто математически независимо от Снеллиуса. Пользуясь своим законом и сочитая сферические поверхности линз с эллиптическими и гиперболическими, Декарт первым исправляет сферическую аберрацию, становясь одним из основателей асферической оптики, затрагивает вопросцы энергетики световых пучков, впритирку подступает к понятиям входного зрачка и винитирования. В практической оптике он занес ряд усовершенствований в систему микроскопа (осветительное зеркальце, конденсор), предложил способы центрирования и обработки асферических поверхностей. С открытием закона Снеллиуса оптика стала неразрывной частью геометрии, что обязано было бы привести к созданию совершенных телескопов. Но действующие телескопы оставались с недостатками, а именно, свет от звезд, проходя через их, окрашивался по бокам — появлялись нимбы вокруг наблюдаемых объектов.

3.2 Зарождение физической оптики
3.2.1 Истоки корпускулярно-волнового дуализма

Уже в древности наметились три главных подхода к решению вопросца о природе света. Эти три подхода в следующем оформились в две конкурирующие теории — корпускулярную и волновую теории света.

Подавляющее большая часть старых философов и ученых разглядывало свет как некоторые лучи, соединяющие светящееся тело и человечий глаз. При всем этом одни из их считали, что лучи исходят из глаз человека, они вроде бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела огромное число последователей, посреди которых был Эвклид. Формулируя 1-ый законгеометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Эвклид писал: «Испускаемые очами лучи распространяются по прямому пути». Такового же взора придерживался Птолемей и почти все остальные ученые и философы.

Но позднее, уже в средние века, такое глаза, несут на для себя отпечаток светящегося предмета. Таковой точки зрения придерживались атомисты свет есть поток каких-либо частиц, испускаемых светящимся телом.

3-я точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он разглядывал свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие либо движение. Мировоззрение Аристотеля в его время не много кто делил. Но в предстоящем, снова же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

К середине XVII века накопились факты, которые толкали научную идея за границы геометрической оптики. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную идея к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци. Его работы известны не только лишь в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 им открыто явление дисперсии света.

В XVII в. в связи с развитием оптики вопросец о природе света стал вызывать все больший и больший Энтузиазм. При всем этом равномерно происходит образование 2-ух обратных теорий света: корпускулярной и волновой. Для развития корпускулярной теории света была наиболее подходящая почва. Вправду, для геометрической оптики законы отражения и преломления отлично объяснялись исходя из убеждений данной теории.

Общее время в базе взглядов на строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Меж атомами существует пустое место. А именно, тогда считали, что межпланетное место является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Потому полностью естественно, что в XVII в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. В это время начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта.

3.2.2 Гримальди: интерференция и дифракция цвета

Гримальди увидел, что если на пути узенького пучка световых лучей поставить предмет, то на дисплее, поставленном сзаду, не выходит резкой тени. Края тени размыты, не считая того, вдоль тени возникают цветные полосы. Открытое явление Гримальди именовал дифракцией, но разъяснить его верно не смог. Он осознавал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с законом прямолинейного распространения света, а совместно с тем и с корпускулярной теорией. Но он не отважился вполне отрешиться от данной теории.

Принципиальным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Опыт Гримальди заключался в последующем: на пути солнечных лучей ставят экран с 2-мя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в неких местах освещенность экрана меньше, чем если б его освещал лишь один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не постоянно наращивает освещенность.

Гримальди был первым ученым, наблюдавшим явления интерференции, дифракции и появляющиеся при всем этом цвета. Он обрисовал проведенные им опыты в собственном основном труде «Физическо-математический трактат о свете, цветах и радуге», вышедшем в свет в 1665 г. уже опосля погибели ученого. Гримальди занимался важным вопросцем того времени: является ли свет субстанцией либо свойством. Его вывод совпал с выводом Аристотеля — свет это акцидентальное свойство. Также он изучал солнечный диапазон, явления преломления и отражения, разработал теорию цветов. Также как и Гук, был приверженцем теории волновой природы света.

свет, по Гримальди, — это распространяющийся световой флюид (узкая неощутимая жидкость). Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди привел аналогию с волнами, распространяющимися по поверхности воды. Подобно тому, как вокруг камня, брошенного в воду, появляется волна, так и препятствие, помещенное на пути света, вызывает в световом флюиде волны, которые распространяются за границы геометрической тени. Гримальди открыл, что различие видимых цветов разъясняется определенной волнистостью света.

Таковым образом, Гримальди приписал наблюдаемые им явления волновым колебаниям, схожим всем отлично знакомой ряби на воде либо звуковым колебаниям, при этом разные цвета имели различную длину волн, подобно музыкальным звукам.

3.2.3 Волновая теория Декарта. Эфир

Декарта можно считать родоначальником волновой теории света. Декарт был противником существования пустого места, в связи с чем не мог считать свет потоком световых частиц. свет, по Декарту, это нечто вроде давления, передающегося через узкую среду от светящегося тела во все стороны.

Если тело нагрето и сияет, то это означает, что его частички находятся в движении и оказывают давление на частички той среды, которая заполняет все место. Эта среда получила заглавие эфира. давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем чувство света.

Такая точка зрения Декарта на природу света. необходимо лишь отметить, что в собственном сочинении, посвященном специально оптике, Декарт пользуется и корпускулярной догадкой. Но это, как он сам гласит, изготовлено для того, чтоб его рассуждения были наиболее понятны. Ученые XVII и XVIII вв. это отлично соображали и считали Декарта родоначальником волновой теории света.

естественно, у Декарта нет еще представления о световых волнах. Он представляет для себя свет как распространяющееся движение, либо импульс в эфире. Но не это принципиально. Принципиальным будет то, что Декарт разглядывает свет уже не как поток частиц, как распространение давления, либо движение импульса и т.п.

Декарт пришел к отказу от корпускулярной теории света чисто умозрительным методом. Никаких опытнейших данных, которые подтверждали бы справедливость волновой теории света, тогда еще не было. 1-ое открытие такового рода было изготовлено Гримальди. Оно было размещено в 1665 г. опосля погибели ученого.

3.2.4 Оптические исследования Ньютона

1642 год — год погибели Галилея и год рождения Ньютона. К этому году традиционная картина мира была разрушена, ее пространство заняли исходные положения новейшей. Ньютон разработал фундаментальные концепции новейшей картины мира, нареченной традиционной. Не наименее значительны и его открытия в оптике. Уже в 26-летнем возрасте он становится преемником собственного учителя Барроу в качестве доктора кафедры арифметики. Его 1-ые лекции касались оптики. В их он выложил свои открытия и накидал корпускулярную теорию света, согласно которой свет представляет собой поток частиц, а не волны, как утверждали Гюйгенс и Гук.

В 1668 году Ньютон своими руками выстроил отражательный телескоп — и употреблял его для наблюдений за спутниками Юпитера. Он, непременно, ставил собственной целью проверить, подчиняется ли движение этих спутников закону глобального тяготения.

При избрании в 1672 году в Королевское общество Ньютон представил работы о телескопах и корпускулярную теорию света. Для рассмотрения работ по оптике была назначена комиссия из 3-х человек, включая Гука, который противопоставил ньютоновской свою теорию — волновую.

В 60-х-70-х гг. Ньютон продолжил исследования Гримальди. Он сделал два отражательных телескопа и провел серию опытов по дисперсии света. Ньютон установил, что всякий однородный свет имеет свою расцветку, отвечающую степени его преломляемости. Хотя его рассуждения о природе света содержат некие внутренние противоречия, но в целом это корпускулярная теория. Ньютон считал свет истечением некоторых световых частиц — корпускул различного размера, которые создают разные колебания в эфире, заполняющем всю Вселенную.

иной теории света придерживался Гюйгенс. В 1690 г. он издал «Трактат о свете». Гюйгенс выдвигал волновую теорию света, но, в отличие от Гримальди, Гюйгенс и его последователи считали, что волны образует не сам свет, а светоносный эфир. Обе теории — корпускулярная и волновая — имели собственных последователей. Ломоносов выступал с критикой ньютоновской концепции, предлагая собственный вариант волновой теории.

Ньютон первым попробовал избежать помехи окрашивания объекта при рассмотрении его через телескоп (явление хроматической аберрации). Он также занялся неувязкой цвета, продолжив опыты Декарта с призмой там, где он их оставил. Благодаря блестящему сочетанию экспериментальной техники и логики он сумел обосновать, что цвета создаются не призмой либо радугой, а являются компонентами обыденного белоснежного цвета. Он не сумел, правда, выполнить свою задачку — убрать рассеивающие и цветообразующие характеристики линз. Ему пришлось прийти к выводу, что это нереально. Его Авторитет задержал решение данной трудности приблизительно на 80 лет. Исследуя оптические явления, Ньютон разглядывал не цвета радуги, а остальные виды цветов, а именно те, которые порождались отражением от тонких слоев, как, к примеру, от слоя водянистого масла на воде. Конкретно тут он отыскал 1-ый намек на прерывность либо зернистость как материи, так и света. Это открытие укрепило в нем убеждение о атомистическом строении материи, к которому он пришел ранее через философию и склонность к арифметике. Но здесь он начал двигаться по стопам Декарта и считал, что свет имеет атомистическое строение, а лучи представляют собой линии движения частиц, отражающихся так же, как мячи отскакивают от стенки.

3.2.5 Гюйгенс. Волны и эфир

Последующий шаг в развитии волновой теории света был изготовлен Гюйгенсом. По существу, он сделал волновую теорию света и растолковал на ее базе все известные на тот момент явления. В первый раз идею волновой природы света высказывали Марти в 1648 г. и в 1665 г. Гримальди и Гук. Гюйгенс работал над волновой теорией света в 70-х гг. 17 века. В это время он написал «Трактат о свете», содержание которого доложил Парижской Академии. Но опубликовал он это сочинение позднее, в 1690 г., уже опосля того, как стали известны работы Ньютона по оптике.

В ставшем именитом «Трактате о свете», вышедшем в 1690 г., помещены волновая теория света (световые возбуждения являются упругими импульсами в эфире), исследования двойного лучепреломления в исландском шпате и описание явления поляризации света. тут же сформулирован именитый принцип Гюйгенса, согласно которому любой элемент волны считается центром вторичных волн и прямолинейное распространение света является следствием огибающей вторичных волн, как в прямом, так и в отраженном свете. Это принцип пригодился, чтоб показать, что волновая теория способна разъяснить прямолинейное распространение света. Приведем формулировку этого принципа, данную самим Гюйгенсом.

«По поводу процесса образования этих волн следует еще отметить, что любая частичка вещества, в каком распространяется волна, обязана докладывать свое движение не только лишь наиблежайшей частичке, лежащей на проведенной от светящейся точки прямой, но нужно докладывает его также и всем иным частичкам, которые касаются ее и препятствуют ее движению. Таковым образом, вокруг каждой частички обязана образоваться волна, центром которой она является. Но любая из этих волн очень слаба, и световой эффект наблюдается лишь там, где проходит их огибающая».

Основываясь на этом принципе, Гюйгенс дает известные разъяснения закону прямолинейного распространения света законам отражения и преломления.

При всем этом он строго математическим методом показал, как происходит отражение и преломление света. Гюйгенс также вел понятие сферических и сфероидных волн, но не знал обстоятельств их появления.

Гюйгенс считал, что все мировое место заполнено узкой неощутимой средой — эфиром, который состоит из весьма малеханьких упругих шариков. Эфир также заполняет место меж атомами, образующими обыденные тела. Распространение света, по Гюйгенсу, есть процесс передачи движения от шарика к шарику, подобно тому, как распространяется импульс вдоль железных шаров, соприкасающихся друг с другом и вытянутых в одну линию.

Выдвинув такую догадку о свете, Гюйгенс предназначил основную часть собственной работы разъяснению узнаваемых законов оптики: закона прямолинейного распространения света, законов отражения и преломления.

Дело в том, что в тот период от всякой теории света требовалось сначала разъяснить эти отлично знакомые всем законы оптики. Эту задачку отлично делала корпускулярная теория света. Но вот может ли совладать с ней волновая теория?

Ведь если свет представляет собой распространяющееся движение в эфире, то как можно разъяснить законпрямолинейного распространения света? Для звука, к примеру, волновая природа которого была ясна, таковой закон, чудилось, не существует. Вправду, если меж наблюдателем и звучащим телом поставить маленький экран, то ведь все равно наблюдающий будет слышать звук. Но для света это ошибочно. правда, явление дифракции уже открыто, но это весьма малый эффект и на него можно не заострять внимания.

Гюйгенс математически показал, каким образом волновая теория света разъясняет дифракцию и цвета тонких пластинок. Не считая того, он растолковал еще лучше Ньютона характеристики исландского шпата, который умножал предметы, если глядеть через него.

3.2.6 Гук: цвета тонких пленок

Приблизительно в те же годы интерференцию света изучил британский физик Роберт Гук. Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При всем этом он нашел, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки либо слюдяной пластинки.

Гук подошел к исследованию этих явлений с правильной точки зрения. Он считал, что свет — это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными.

Явление интерференции света в тонких пленках Гук разъяснял тем, что от верхней и нижней поверхности узкой, к примеру мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, создают чувство разных цветов. Но у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний либо с длиной волны, потому не сумел создать теорию интерференции.

Гука заинтересовывали два вопросца оптики — природа света и природа появления цветов в прозрачных телах. Это те вопросцы, которые оказались в центре внимания оптики 17 века. Они взаимосвязаны, и разъяснение обстоятельств возникновения цветов в прозрачных телах почти во всем определяло цвета тонких пленок, содержалась догадка о свете как о поперечных волнах. В 1672 Роберт Гук гласил о поперечности световых колебаний. Взяв за базу законотражения, он выполнил ряд опытов с целью выявить природу света. Гук изучал явление дифракции, так же как и Ньютон, Гук следил и верно растолковал атмосферную рефракцию. Он создатель рефрактометра, первым сконструировал отражательный телескоп, правда наиболее низкого свойства, чем у Ньютона. Для Гука свет есть осциллирующее движение (а не вращательное, как у Декарта) движение, при этом куцее и резвое, вследствие стремительных колебательных частиц светящихся тел.

Гук сделал ряд опытов и обрисовал явление дифракции как «новое свойство цвета» в 1672, хотя ранее дифракция была уже описана Гримальди. Будучи многосторонним ученым, Гук занимался механикой, астрономией, оптикой, акустикой, геологией и анатомией.

3.2.7 Начало кристаллооптики

Принципиальное открытие, относящееся к волновой оптике, было изготовлено датским ученым Бартолином. В 1669 г. Бартолин нашел, что если глядеть на какой-нибудь предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенных друг относительно друга. Это явление потом изучил Гюйгенс и попробовал отдать ему разъяснение исходя из убеждений волновой теории света. Бартолин не только лишь открыл двойное лучепреломление в кристаллах исландского шпата, да и отдал описание самого кристалла и основных явлений в нем в собственной работе «Опыты с кристаллами исландского известкового шпата, которые обнаруживают необычное и странноватое преломление». Эта книжка положила начало кристаллооптике.

3.2.8 Оптика Ньютона

Еще в 60-е гг. XVII в. Ньютон заинтересовался оптикой и сделал открытие, которое, как чудилось поначалу, гласило в пользу корпускулярной теории света. Сиим открытием было явление дисперсии света и обычных цветов.

Разложение белоснежного света призмой в диапазон было понятно весьма издавна. Но разобраться в этом явлении до Ньютона никто не сумел. Ученых, занимающихся оптикой, заинтересовывал вопросец о природе цвета. Более всераспространенным было мировоззрение о том, что белоснежный свет является обычным. Цветные же лучи получаются в итоге тех либо других его конфигураций. Существовали разные теории по этому вопросцу.

Изучая явление разложения белоснежного света в диапазон, Ньютон пришел к заключению, что белоснежный свет является сложным светом. Он представляет собой сумму обычных цветных лучей.

]]>