Оптика. 
Предмет физики и биофизики

Любой объект становится видимым одним из двух способов:

он сам может быть источником света (лампа, свеча, звезда);

он отражает падающий на него свет.

Прямолинейные траектории распространения света получили название световых лучей. Луч — зрительно видимый узкий пучок света.

Падая на поверхность тела, свет частично отражается, либо поглощается телом, либо (если тело прозрачно) проходит сквозь него. Если луч падет на плоскую поверхность, то углом падения называется угол, который падающий луч образует с нормально к поверхности, а углом отражения — угол, который образует с этой нормально отраженный луч.

Первый закон отражения:

Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности.

Второй закон отражения:

Угол падения равен углу отражения.

При переходе света из одной среды в другую скорость распространения его изменяется. Если свет идет из вакуума в какую-то среду, то отношение скорости света в вакууме С0 к скорости света С1 в данной среде называется абсолютным показателем преломления этой среды:

n = С0/С1.

Если свет падает под углом к поверхности раздела, то на границе световой луч изменяет свое направление. Это явление называется преломлением света.

Первый закон преломления:

Луч падающий, луч преломленный и нормаль к поверхности раздела сред лежат в одной плоскости.

Второй закон преломления:

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде:

sin/ sin= С1/ С2; т.к. С1= С0/ n1 и С2 = С0/ n2, то sin/ sin= С1/ С2= n2/n1 = n2,1.

— относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной.

При переходе света из среды более плотной в менее плотную угол преломления больше угла падения.

При определенном угле падения угол преломления достигает 900 и преломленный луч должен скользить по его поверхности. Угол падения (А), при котором это происходит, называется предельным (или критическим) углом падения. При угле падения, большем критического, свет полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным отражением света. Для полного отражения справедливо соотношение sinА = 1/n2,1. На явлении полного отражения основана работа приборов: рефрактометра, призматического бинокля, а также ряд явлений: сверкание драгоценных кристаллов, блеск капель дождя, росы.

Техническое применение полного отражения — волоконная оптика.

Микроскоп служит для получения увеличенного изображения малых объектов. Оптическая схема: объектив, тубус, окуляр. Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра.

Разрешающая способность — способность микроскопа давать раздельные изображения близких деталей рассматриваемого предмета.

Эта величина обратна пределу разрешения. Предел разрешения — наименьшее расстояние между двумя точками предмета, видимых в микроскопе раздельно. Предел разрешения микроскопа:

у = 0,61 ,.

где — длина волны света, n — показатель преломления среды, — апертурный угол. Произведение nsin — числовая апертура.

Числовая апертура может быть увеличена специально жидкой средой — иммерсией. Иммерсионные жидкости: вода (1,33), глицерин (1,47), кедровое масло (1,515), монобромнафталин (1,66).

Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, состоит из белковой оболочки, сосудистой сетчатки. В сетчатке находятся окончания нервных волокон, которые являются светочувствительными элементами (фоторецепторами). В передней части глаза белковая оболочка переходит в прозрачную роговую оболочку (роговица), а сосудистая — в радужную, имеющую посередине отверстие — зрачок. Посередине зрачка расположен хрусталик — прозрачное упругое тело в форме двояковыпуклой линзы. Вся плоскость глаза заполнена прозрачной жидкостью с показателем преломления 1,33.

Глаз представляет собой устройство, в котором световая энергия, полученная светочувствительными элементами (фоторецепторами), преобразуется в энергию электрических импульсов, распространяющихся по зрительному нерву от органов зрения к центральной нервной системе. При возбуждении рецепторов в мозг поступают сигналы различной интенсивности, которые создают ощущение промежуточных цветов.

Помимо человека цветным зрением (чувствительностью к цвету) обладают и другие позвоночные, но спектральные характеристики глаз животных, как правило, не совпадают. Так, лошади, овцы и свиньи различают красный и зеленый цвета. Животные, ведущие сумеречный и ночной образ жизни (волки, кошки), не нуждаются в аппарате цветного зрения, и поэтому в их глазах колбочки отсутствуют.

Основная роль глаза, как и остальных органов чувств, — доставлять мозгу информацию об окружающем нас мире. На долю слуха приходится примерно 9% информации, на все остальные (кроме глаза) не более 1%, на долю зрения — 90%.