Основные законы геометрической оптики

      РћСЃРЅРѕРІРЅС‹Рµ законы геометрической оптики были известны задолго РґРѕ установления физической РїСЂРёСЂРѕРґС‹ света.
      Р—акон прямолинейного распространения света: РІ оптически РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕР№ среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона РјРѕРіСѓС‚ служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами РїСЂРё освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт РїРѕ прохождению света далекого источника СЃРєРІРѕР·СЊ небольшое отверстие, РІ результате чего образуется СѓР·РєРёР№ световой пучок. Этот опыт РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє представлению Рѕ световом луче как Рѕ геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается Рё понятие светового луча утрачивает смысл, если свет РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ через малые отверстия, размеры которых сравнимы СЃ длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся РЅР° представление Рѕ световых лучах, есть предельный случай волновой оптики РїСЂРё λ → 0.
      РќР° границе раздела РґРІСѓС… прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения РїРѕ РЅРѕРІРѕРјСѓ направлению, Р° частично пройти через границу Рё распространяться РІРѕ второй среде.
      Р—акон отражения света: падающий Рё отраженный лучи, Р° также перпендикуляр Рє границе раздела РґРІСѓС… сред, восстановленный РІ точке падения луча, лежат РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости (плоскость падения). РЈРіРѕР» отражения γ равен углу падения α.
      Р—акон преломления света: падающий Рё преломленный лучи, Р° также перпендикуляр Рє границе раздела РґРІСѓС… сред, восстановленный РІ точке падения луча, лежат РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости. Отношение СЃРёРЅСѓСЃР° угла падения α Рє СЃРёРЅСѓСЃСѓ угла преломления β есть величина, постоянная для РґРІСѓС… данных сред:

      Р—акон преломления был экспериментально установлен голландским ученым Р’. Снеллиусом (1621 Рі.).
      РџРѕСЃС‚РѕСЏРЅРЅСѓСЋ величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.
      РћС‚носительный показатель преломления РґРІСѓС… сред равен отношению РёС… абсолютных показателей преломления:

n = n2/n1

      Р—аконы отражения Рё преломления находят объяснение РІ волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн РїСЂРё переходе РёР· РѕРґРЅРѕР№ среды РІ РґСЂСѓРіСѓСЋ. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн РІ первой среде υ1 Рє скорости РёС… распространения РІРѕ второй среде υ2:

      РђР±СЃРѕР»СЋС‚ный показатель преломления равен отношению скорости света c РІ вакууме Рє скорости света υ РІ среде:

Данный рисунок иллюстрирует законы отражения и преломления света.
      РЎСЂРµРґСѓ СЃ меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.
      РџСЂРё переходе света РёР· оптически более плотной среды РІ оптически менее плотную n2 < n1 (например, РёР· стекла РІ РІРѕР·РґСѓС…) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается РїСЂРё углах падения, превышающих некоторый критический СѓРіРѕР» αРїСЂ, который называется предельным углом полного внутреннего отражения.
      Р”ля угла падения α = αРїСЂ sin β = 1 значение sin αРїСЂ = n2 / n1 < 1.
      Р•СЃР»Рё второй средой является РІРѕР·РґСѓС… (n2 ≈ 1), то формулу СѓРґРѕР±РЅРѕ переписать РІ РІРёРґРµ

sin αРїСЂ = 1 / n,

где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.
      Р”ля границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический СѓРіРѕР» равен sin αРїСЂ = 42В°, для границы вода–воздух (n = 1,33) – sin αРїСЂ = 48,7В°.
Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света.
      РЇРІР»РµРЅРёРµ полного внутреннего отражения находит применение РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… оптических устройствах. Наиболее интересным Рё практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют СЃРѕР±РѕР№ тонкие (РѕС‚ нескольких микрометров РґРѕ миллиметров) произвольно изогнутые нити РёР· оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий РЅР° торец световода, может распространяться РїРѕ нему РЅР° большие расстояния Р·Р° счет полного внутреннего отражения РѕС‚ боковых поверхностей. Научно-техническое направление, занимающееся разработкой Рё применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.
Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность.




Яндекс.Реклама