Основные законы геометрической оптики

Главные законы геометрической оптики были известны за длительное время до установления физической природы света. Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным подтверждением этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника довольно малых размеров («точечный источник»).

Другим подтверждением может служить узнаваемый опыт по прохождению света дальнего источника через маленькое отверстие, в итоге чего появляется узенький световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической полосы, повдоль которой распространяется свет. Необходимо подчеркнуть, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны.

Таким макаром, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. Границы применимости геометрической оптики подвергнутся рассмотрению в разделе о дифракции света. На границе раздела 2-ух прозрачных сред свет может отчасти отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новенькому направлению, а отчасти пройти через границу и распространяться во 2-ой среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, также перпендикуляр к границе раздела 2-ух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в  одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α. Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, также перпендикуляр к границе раздела 2-ух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, неизменная для 2-ух данных сред:

 Главные законы геометрической оптики

  Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом (1621 г.). Постоянную величину n именуют относительным показателем преломления 2-ой среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума именуют абсолютным показателем преломления. Относительный показатель преломления 2-ух сред равен отношению их абсолютных характеристик преломления:

n = n2 / n1.

  Законы отражения и преломления находят разъяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием конфигурации скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во 2-ой среде υ2:

 Главные законы геометрической оптики

  Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

 Главные законы геометрической оптики

  Рис 6.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.

Законы отражения и преломления: 1
Набросок 6.1.1. Законы отражения и преломления: γ = α; n1 sin α = n2 sin β.

Среду с наименьшим абсолютным показателем преломления именуют оптически наименее плотной. При переходе света из оптически более плотной среды в оптически наименее плотную n2 < n1 (к примеру, из стекла в воздух) можно следить явление полного отражения, другими словами исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превосходящих некий критичный угол αпр, который именуется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 6.1.2). Для угла падения α = αпр sin β = 1 значение sin αпр = n2 / n1 < 1. Если 2-ой средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу комфортно переписать в виде

sin αпр = 1 / n,

где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.  Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критичный угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) – αпр = 48,7°.

Полное внутреннее отражение света 2
Набросок 6.1.2. Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света.

Явление полного внутреннего отражения находит применение в почти всех оптических устройствах. Более увлекательным и фактически принципиальным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до мм) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на огромные расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 6.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, именуется волоконной оптикой.

Распространение света 3
Набросок 6.1.3. Распространение света в волоконном световоде. При сильном извиве волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет отчасти выходит из волокна через боковую поверхность.