Определение 1

Оптика – один из разделов физики, который изучает свойства и физическую природу света, а также его взаимодействия с веществами.

Данный раздел делят на три, приведенные ниже, части:

• геометрическая или, как ее еще называют, лучевая оптика, которая базируется на понятии о световых лучах, откуда и исходит ее название;
• волновая оптика, исследует явления, в которых проявляются волновые свойства света;
• квантовая оптика, рассматривает такие взаимодействия света с веществами, при которых о себе дают знать корпускулярные свойства света.

В текущей главе нами будут рассмотрены два подраздела оптики. Корпускулярные свойства света будут рассматриваться в пятой главе.

Задолго до возникновения понимания истинной физической природы света человечеству уже были известны основные законы геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

Определение 1

Закон прямолинейного распространения света гласит, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Подтверждением этому служат резкие тени, которые отбрасываются непрозрачными телами при освещении с помощью источника света сравнительно малых размеров, то есть так называемым «точечным источником».

Иное доказательство заключается в достаточно известном эксперименте по прохождению света далекого источника сквозь малое отверстие, с образующимся в результате узким световым пучком. Данный опыт подводит нас к представлению светового луча в виде геометрической линии, вдоль которой распространяется свет.

Определение 2

Стоит отметить тот факт, что само понятие светового луча вместе с законом прямолинейного распространения света утрачивают весь свой смысл, в случае если свет проходит через отверстия, размеры которых аналогичны с длиной волны.

Исходя из этого, геометрическая оптика, которая опирается на определение световых лучей – это предельный случай волновой оптики при λ → 0 , рамки применения которой рассмотрим в разделе, посвященном дифракции света.

На грани раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться таким образом, что некоторая часть световой энергии будет рассеиваться после отражения по уже новому направлению, а другая пересечет границу и продолжит свое распространение во второй среде.

Закон отражения света

Определение 3

Закон отражения света , основывается на том, что падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, находятся в одной плоскости (плоскость падения). При этом углы отражения и падения, γ и α – соответственно, являются равными величинами.

Закон преломления света

Определение 4

Закон преломления света , базируется на том, что падающий и преломленный лучи, также как перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение sin угла падения α к sin угла преломления β является величиной, неизменной для двух приведенных сред:

sin α sin β = n .

Ученый В. Снеллиус экспериментально установил закон преломления в 1621 году.

Определение 5

Постоянная величина n – является относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Определение 6

Показатель преломления среды относительно вакуума имеет название – абсолютный показатель преломления .

Определение 7

Относительный показатель преломления двух сред – это отношение абсолютных показателей преломления данных сред, т.е.:

Свое значение законы преломления и отражения находят в волновой физике. Исходя из ее определений, преломление является результатом преобразования скорости распространения волн в процессе перехода между двумя средами.

Определение 8

Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ 1 к скорости во второй υ 2:

Определение 9

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

На рисунке 3 . 1 . 1 проиллюстрированы законы отражения и преломления света.

Рисунок 3 . 1 . 1 . Законы отражения υ преломления: γ = α ; n 1 sin α = n 2 sin β .

Определение 10

Среда, абсолютный показатель преломления которой является меньшим, является оптически менее плотной .

Определение 11

В условиях перехода света из одной среды, уступающей в оптической плотности другой (n 2 < n 1) мы получаем возможность наблюдать явление исчезновения преломленного луча.

Данное явление можно наблюдать при углах падения, которые превышают некий критический угол α п р. Этот угол носит название предельного угла полного внутреннего отражения (см. рис. 3 . 1 . 2).

Для угла падения α = α п р sin β = 1 ; значение sin α п р = n 2 n 1 < 1 .

При условии, что второй средой будет воздух (n 2 ≈ 1) , то равенство будет допустимо переписать в вид: sin α п р = 1 n , где n = n 1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

В условиях границы раздела «стекло–воздух», где n = 1 , 5 , критический угол равен α п р = 42 ° , в то время как для границы «вода–воздух» n = 1 , 33 , а α п р = 48 , 7 ° .

Рисунок 3 . 1 . 2 . Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света.

Феномен полного внутреннего отражения широко используется во многих оптических устройствах. Одним из таких устройств является волоконный световод – тонкие, изогнутые случайным образом, нити из оптически прозрачного материала, внутри которых свет, попавший на торец, может распространяться на огромные расстояния. Данное изобретение стало возможным только благодаря правильному применению феномена полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3 . 1 . 3).

Определение 12

Волоконная оптика – это научно-техническое направление, основывающееся на разработке и использовании оптических световодов.

Рисунок 3 . 1 . 3 . Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность.

Рисунок 3 . 1 . 4 . Модель отражения и преломления света.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Основные законы геометрической оптики

ОПТИКА

Геометрическая оптика

Среда отличается от вакуума тем, что она содержит атомы и молекулы вещества. Наличие среды оказывает влияние на распространение света. Следующие параметры среды оказывают влияние на распространение света в ней: показатель преломления, коэффициенты отражения и поглощения, диэлектрическая и магнитная относительные проницаемости среды. Рассмотрим основные законы распространения света в среде.

1. Закон прямолинейного распространения света . В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.
2. Закон независимости световых пучков. Действие одного пучка не зависит от наличия других пучков.

Рассмотрим падение света на границу раздела двух сред.

При падении света на границу раздела двух прозрачных сред поведение лучей света подчиняется следующим законам:

1. Закон преломления света . Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр, восстановленный из точки падения к границе раздела, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – есть величина постоянная для данных сред.

(2)

где - угол преломления, - относительный показатель преломления. - абсолютный показатель преломления -ой среды. Он равен

(3)

где - скорость света в среде. - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Соотношение (2) можно записать в виде

Соотношение (4) симметрично. Из него следует, что световые лучи обратимы.

Если свет распространяется из среды оптически более плотной () в среду менее плотную (): , соотношение (2) примет вид:

(5)

При росте угла угол преломления, , растет до тех пор, пока не станет равным . Соответствующий эту значению угол называется предельным углом - . Для углов весь свет остается в первой среде. Это явление называется полным отражением . В этом случае для из (5) получаем:

.

Тонкая линза

Световой луч – направление переноса энергии. Он перпендикулярен волновой поверхности.

Линза – оптический прибор, состоящий из прозрачной среды, ограниченной поверхностями. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Линза называется тонкой, если её толщина значительно меньше радиуса кривизны ограничивающих поверхностей. Оптическая ось – прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы. Оптический центр линзы – точка, при переходе через которую луч света не преломляется. Будем считать, что оптический центр совпадает с геометрическим центром линзы. Для вывода формулы линзы используется принцип Ферма или принцип наименьшего действия : Свет распространяется по траектории, для прохождения которой требуется минимальное время. Выпишем формулу тонкой линзы без выводов.

(1)

Где ; - абсолютный показатель линзы; - абсолютный показатель среды. - радиусы кривизны первой и второй поверхностей линзы. - расстояние от центра линзы до точек источника (объекта). - расстояние от центра линзы до точек приемника (изображение).

Формула (1) пригодна для параксиальных лучей . Это лучи, которые образуют малые углы с оптической осью линзы. Радиус кривизны выпуклой поверхности линзы считается положительным, вогнутой поверхности – отрицательным.

Если , т.е. падающие лучи параллельны оптической оси, то Ур. (1)

В этом случае - называется фокусным расстоянием линзы.

Если , то изображение находится на бесконечности, тогда . Точки , лежащие на расстоянии равном фокусному, называются фокусами линзы . Фокус – это точка, в которой собираются все лучи, падающие на линзу параллельно оптической оси. Величина

(2)

называется оптической силой линзы . Единица измерения - диоптрия (дптр ). Это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием равным 1м . . Для собирающей линзы оптическая сила , для рассеивающей линзы - . Плоскости, проходящие через фокусы перпендикулярно главной оптической оси, называются фокальными . С учетом определения фокусного расстояния, формула тонкой линзы примет вид:

Отношение линейных размеров изображения и объекта называется линейным увеличением линзы .

Построение изображений .

Для построения изображений с использованием тонкой линзы применяются три замечательных луча. Они представлены на рисунке.

Ось ОО – оптическая ось. Луч 1 проходит через оптический центр линзы без изменения. Луч 2 идет параллельно оптической оси и после прохождения линзы он идет через фокус. Луч 3 проходит через фокус линзы, а после линзы он идет параллельно оптической оси. Кроме того, если на тонкую линзу под углом к её плоскости падает параллельный пучок, то он пересечет фокальную плоскость в одной точке.

Волновая оптика

Световые волны. Монохроматичность. Интерференция света .

Свет – это электромагнитные волны (ЭМВ). ЭМВ не заполняют все пространство. Атомы и молекулы испускают и поглощают волны порциями. Поэтому световая волна ограничена во времени и пространстве. Вводится понятие монохроматической волны – это неограниченная в пространстве волна одной постоянной частоты. Т.О. ЭМВ не являются строго монохроматическими волнами. Время испускания . За это время волна проходит расстояние . Эта волна называется фотон . Поскольку фотон ограничен в пространстве, его невозможно представить в виде монохроматической волны. Это набор (суперпозиция) волн, имеющие разные частоты. Совокупность таких волн образует волной цуг . В цуге можно выделить колебания с основной частотой. Эту волну можно приближенно рассматривать как монохроматическую в пределах пространства, занимаемого цугом в данный момент времени. Это приближение накладывает определенные ограничения на сложение колебаний. Рассмотрим две световые волны частоты . В определенной точке пространства это соответствует колебаниям или .

Амплитуда результирующего колебания

Интенсивность волны пропорциональна амплитуде в квадрате , тогда

Рассмотрим случай, когда разность фаз постоянная. Эта ситуация соответствует когерентности двух волн (или согласованному во времени и пространстве протеканию двух и более волновых процессов). В зависимости от разности фаз будем иметь разные результаты от сложения двух волн.

, ; и , ;

Т.о. при наложении двух когерентных световых волн происходит пространственное перераспределение светового потока. В результате возникает чередование максимумов и минимумов интенсивности. Это явление называется интерференцией света . Чтобы наблюдать это явление необходимо иметь две когерентные световые волны. Для этого применяют следующий прием: исходящую волну разделяют на две, каждая из которых проходит свой путь до точки встречи. Причем каждая волна может двигаться в своей среде и проходит своё расстояние. Пусть первый луч прошел путь в среде с показателем преломления , второй луч прошел путь в среде с показателем преломления . Если в исходной точке , где волна разделяется, фаза колебаний равна , то в точке встречи, , первая волна удовлетворяет уравнению

Длины волн видимого света лежат в диапазоне 0,4 ….. 0,75 мкм. Геометрическая оптика представляет собой предельный случай волновой оптики при . В геометрической оптике отвлекаются от волновой природы света, это возможно, когда дифракционные эффекты пренебрежимо малы. В геометрической оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о свете как совокупности световых лучей - линий, вдоль которых распространяется поток световой энергии. В оптически изотропной среде световые лучи ортогональны к волновым поверхностям и направлены в сторону внешних нормалей к этим поверхностям. В оптически однородной среде лучи прямолинейны. Световой пучок – совокупность световых лучей.

1. Закон прямолинейности распространения света: в оптически однородной среде свет распрстраняется прямолинейно. В неоднородной среде световые лучи искривляются. Путь, по которому распространяется свет в неоднородной среде, может быть найден с помощью вариационного принципа Ферма: свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время. Другая формулировка принципа Ферма: свет распространяется по такому пути, оптическая длина которого минимальна. Оптической длиной пути света между двумя точками в неоднородной среде называется величина:

(6.35.11)

где – абсолютный показатель преломления среды, – геометрическая длина пути. В однородной среде .

2. Закон независимости световых лучей (световых воздействий): световые лучи (пучки световых лучей) могут пересекаться, не возмущая друг друга, и распространяться после пересечения независимо друг от друга.

На границе раздела двух оптических сред световые лучи могут отражаться и преломляться.

3. Закон отражения света: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, проведенный в точке падения к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости, причем угол отражения равен углу падения :

4. Закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

(6.35.12)

где – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Полное внутренне отражение света. Если свет распространяется из оптически более плотной среды в оптически менее плотную > , то < 1, т.е. угол преломления больше угла падения. Если увеличивать угол падения, то будет увеличиваться угол преломления. И при некотором предельном угле падения (предельном угле), угол преломления станет равным = 90°. При этом интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего. Значение предельного угла определим из выражения (6.35.12), подставив в него 90º:

Геометрическая оптика использует представление о световых лучах, распространяющихся независимо друг от друга, прямолинейных в однородной среде, отражающихся и преломляющихся на границах сред с разными оптическими свойствами. Вдоль лучей происходит перенос энергии световых колебаний.

Показатель преломления среды. Оптические свойства прозрачной среды характеризуются показателем преломления который определяет скорость (точнее, фазовую скорость) световых волн:

где с - скорость света в вакууме. Показатель преломления воздуха близок к единице (пвозд воды его значение равно 1,33, а у стекла в зависимости от сорта может составлять от 1,5 до 1,95. Особенно велик показатель преломления алмаза - приблизительно 2,5.

Значение показателя преломления, вообще говоря, зависит от длины волны Я (или от частоты : Эту зависимость называют дисперсией света. Например, у хрусталя (свинцового стекла) показатель преломления плавно меняется от 1,87 для красного света с длиной волны до 1,95 для синего света с

Показатель преломления связан с диэлектрической проницаемостью среды (для данной длины волны или частоты) соотношением Среда с большим значением показателя преломления называется оптически более плотной.

Законы геометрической оптики. Поведение световых лучей подчиняется основным законам геометрической оптики.

1. В однородной среде световые лучи прямолинейны (закон прямолинейного распространения света).

2. На границе двух сред (или на границе среды с вакуумом) возникает отраженный луч, лежащий в плоскости, образуемой падающим лучом и нормалью к границе, т. е. в плоскости падения, причем угол отражения равен углу падения (рис. 224):

(закон отражения, света).

3. Преломленный луч лежит в плоскости падения (при падении света на границу изотропной среды) и образует с нормалью к границе угол (угол преломления), определяемый соотношением

(закон преломления света или закон Снеллиуса).

При переходе света в оптически более плотную среду луч приближается к нормали Отношение называют относительным показателем преломления двух сред (или показателем преломления второй среды относительно первой).

Рис. 224. Отражение и преломление спета на плоской границе двух сред

При падении света из вакуума на границу среды с показателем преломления закон преломления принимает вид

Для воздуха показатель преломления близок к единице поэтому и при падении света из воздуха на некоторую среду можно пользоваться формулой (4).

При переходе света в оптически менее плотную среду угол падения не может превышать предельного значения так как угол преломления не может превышать (рис. 225):

Если угол падения происходит полное отражение, т. е. вся энергия падающего света возвращается в первую, оптически более плотную, среду. Для границы стекло - воздух

Рис. 225. Предельный угол полного отражения

Принцип Гюйгенса и законы геометрической оптики. Законы геометрической оптики были установлены задолго до выяснения природы света. Эти законы могут быть выведены из волновой теории на основе принципа Гюйгенса. Их применимость ограничена явлениями дифракции.

Остановимся подробнее на переходе от волновых представлений о распространении света к представлениям геометрической оптики. С помощью принципа Гюйгенса по заданной волновой поверхности падающей волны можно построить волновые поверхности преломленной и отраженной волн. При этом следует учесть, что световые лучи перпендикулярны волновым поверхностям.

Рассмотрим плоскую световую волну, падающую из среды 1 (с показателем преломления на плоскую границу раздела со средой 2 (с показателем преломления под углом (рис. 226). Угол падения - это угол между падающим лучом и нормалью к границе раздела.

Рис. 226. Построение Гюйгенса для отражения и преломления света

В то же время - это угол между границей раздела и волновой поверхностью падающей волны. Пусть в некоторый момент эта волновая поверхность занимает положение Спустя время она достигнет точки В границы раздела. За это же время вторичная волна из точки А, распространяющаяся в среде X, расширится до радиуса Подставляя сюда получаем Отсюда ясно, что волновая поверхность отраженной волны, представляющая собой огибающую всех вторичных сферических волн с центрами на отрезке наклонена к границе раздела на угол который равен (равенство углов и следует из равенства прямоугольных треугольников и имеющих общую гипотенузу и равные катеты и Таким образом, отраженный луч перпендикулярный фронту отраженной волны, образует с нормалью угол равный углу падения

Аналогично из этого построения Гюйгенса можно получить и закон преломления. В среде 2 вторичные волны распространяются со скоростью и поэтому выходящая из точки А сферическая волна спустя время имеет радиус Подставляя сюда находим Разделив обе части этого равенства на приходим к соотношению

которое, очевидно, совпадает с законом преломления (3), так как угол наклона волновой поверхности волны в среде 2 есть в то же время и угол между преломленным лучом и нормалью к границе раздела (угол преломления, рис. 226).

Отражение и преломление на искривленной поверхности. Плоская волна характеризуется тем свойством, что ее волновые поверхности представляют собой неограниченные плоскости, а направление ее распространения и амплитуда везде одинаковы. Часто электромагнитные волны, не являющиеся плоскими, можно приближенно рассматривать как плоские на небольшом участке пространства. Для этого необходимо, чтобы амплитуда и направление распространения волны почти не менялись на протяжении расстояний порядка длины волны. Тогда также можно ввести понятие лучей, т. е. линий, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением распространения волны. Если при этом граница раздела двух сред, например поверхность линзы, может считаться приблизительно плоской на расстояниях порядка длины волны, то поведение лучей света на такой границе будет описываться теми же законами отражения и преломления.

Изучение законов распространения световых волн в этом случае составляет предмет геометрической оптики, поскольку в этом приближении оптические законы можно сформулировать на языке геометрии. Многие оптические явления, такие, как, например, прохождение света через оптические системы, формирующие изображение, можно рассматривать исходя из представления о световых лучах, совершенно отвлекаясь от волновой природы света. Поэтому представления геометрической оптики справедливы лишь в той степени, в какой можно пренебречь явлениями дифракции световых волн. Дифракция сказывается тем слабее, чем меньше длина волны. Это значит, что геометрическая оптика соответствует предельному случаю малых длин волн:

Физическую модель пучка световых лучей можно получить, если пропустить свет от источника пренебрежимо малого размера через небольшое отверстие в непрозрачном экране. Выходящий из отверстия свет заполняет некоторую область, и если длина волны пренебрежимо мала по сравнению с размерами отверстия, то на небольшом расстоянии от него можно говорить о пучке световых лучей с резкой границей.

Интенсивность отраженного и преломленного света. Законы отражения и преломления позволяют определить только направление соответствующих световых лучей, но ничего не говорят об их интенсивности. Между тем опыт показывает, что соотношение интенсивностей отраженного и преломленного лучей, на которые расщепляется исходный луч на границе раздела, сильно зависит от угла падения. Например, при нормальном падении света на поверхность стекла отражается около 4% энергии падающего светового пучка, а при падении на поверхность воды - только 2 %. Но при скользящем падении поверхности стекла и воды отражают почти все падающее излучение. Благодаря этому мы можем любоваться зеркальными отражениями берегов в спокойной прозрачной воде горных озер.

Рис. 227. У естественного спета колебания сектора Е происходят по всевозможных направлениях в плоскости, перпендикулярной лучу

Естественный свет. Световая волна, как и любая электромагнитная волна, поперечна: вектор Е лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Испускаемый обычными источниками (например, раскаленными телами) свет неполяризован. Это значит, что в световом луче колебания вектора Е происходят во всевозможных направлениях в плоскости, перпендикулярной направлению луча (рис. 227). Такой неполяризованный свет называется естественным. Его можно представить как некогерентную смесь двух световых волн одинаковой интенсивности, линейно поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Эти направления можно выбрать произвольно.

Поляризация света при отражении. При изучении отражения неполяризованного света от границы раздела сред удобно выбрать одно из двух независимых направлений вектора Е в плоскости падения, а второе - перпендикулярно ей. Условия отражения этих двух волн оказываются различными: волна, у которой вектор Е перпендикулярен плоскости падения (т. е. параллелен границе раздела) при всех углах падения (кроме 0 и 90°), отражается сильнее. Поэтому отраженный свет оказывается частично поляризованным, а при отражении под некоторым определенным углом (для стекла около 56°) - полностью поляризованным.

Этим обстоятельством пользуются для устранения бликов, например при фотографировании пейзажа с водной поверхностью. Подбирая должным образом ориентацию поляризационного светофильтра, пропускающего световые колебания только определенной поляризации, можно практически полностью устранить блики на фотографии.

Принцип Ферма. Основные законы геометрической оптики - закон прямолинейного распространения света в однородной среде, законы отражения и преломления света на границе раздела двух сред - могут быть получены с помощью принципа Ферма. Согласно этому принципу действительный путь распространения монохроматического луча света есть путь, для прохождения которого свету требуется экстремальное (как правило, минимальное) время по сравнению с любым другим близким к нему мыслимым путем между теми же точками.

Рис. 228. К выводу закона отражения света из принципа Ферма

Возьмем для примера закон отражения света. Сразу видно, что он непосредственно следует из принципа Ферма. Пусть луч света, вышедшего из точки А, отражается от зеркала в некоторой точке С и приходит в заданную точку В (рис. 228). Согласно принципу Ферма, проходимый светом путь должен быть короче любого другого пути по близкой траектории, например Чтобы найти положение точки отражения С, отложим на опущенном из точки А перпендикуляре к зеркалу отрезок равный и соединим точки А и В отрезком прямой.

Пересечение этого отрезка с поверхностью зеркала и дает положение точки С. Действительно, легко видеть, что и потому путь света из точки А в точку В равен отрезку Путь света из А в В через любую другую точку равный будет длиннее, так как прямая - это кратчайшее расстояние между двумя точками А и В. Из рис. 228 сразу видно, что именно такое положение точки С соответствует равенству углов падения и отражения:

Рис. 229. Мнимое изображение точки А в плоском зеркале

Изображение в плоском зеркале. Точка А, расположенная симметрично точке А относительно поверхности плоского зеркала, представляет собой изображение точки А в этом зеркале. В самом деле, узкий пучок лучей, выходящих из

А, отражающихся в зеркале и попадающих в глаз наблюдателя (рис. 229), будет казаться выходящим из точки А. Создаваемое плоским зеркалом изображение называется мнимым, так как в точке А пересекаются не сами отраженные лучи, а их продолжения назад. Очевидно, что изображение протяженного предмета в плоском зеркале будет равным по размерам самому предмету.

Что такое световые лучи? Как это понятие соотносится с понятием волновой поверхности? Какое отношение имеют лучи к направлению распространения световых колебаний?

В каких условиях можно использовать представление о световых лучах?

Что такое показатель преломления среды? Как он связан со скоростью распространения света?

Сформулируйте основные законы геометрической оптики. Что такое плоскость падения? Объясните на основе соображений симметрии, почему луч как при отражении, так и при преломлении не выходит из этой плоскости.

При каких условиях отражение света на границе раздела будет полным? Что такое предельный угол полного отражения?

Поясните, как можно получить законы прямолинейного распространения, отражения и преломления на основе принципа Гюйгенса.

Почему законы отражения и преломления света, сформулированные для плоской границы раздела, можно применять и в случае искривленных поверхностей (линзы, капли воды и др.)?

Приведите примеры наблюдавшихся вами явлений, свидетельствующих о зависимости интенсивности отраженного света от угла падения.

Почему при отражении естественного света получается частично поляризованный свет?

Сформулируйте принцип Ферма и покажите, что из него следует закон отражения света.

Докажите, что изображение предмета в плоском зеркале равно по размерам самому предмету.

Принцип Ферма и формула линзы. Скорость света в среде с показателем преломления равна Поэтому принцип Ферма можно сформулировать как требование минимальности оптической длины луча при распространении света между двумя заданными точками. Под оптической длиной луча понимается произведение показателя преломления на длину пути луча. В неоднородной среде оптическая длина складывается из оптических длин на отдельных участках. Использование этого принципа позволяет рассмотреть некоторые задачи с несколько иной точки зрения, чем при непосредственном применении законов отражения и преломления. Например, при рассмотрении фокусирующей оптической системы вместо применения закона преломления можно просто потребовать равенства оптических длин всех лучей.

Получим с помощью принципа Ферма формулу тонкой линзы, не прибегая к закону преломления. Для определенности будем рассматривать двояковыпуклую линзу со сферическими преломляющими поверхностями, радиусы кривизны которых равны (рис. 230).

Хорошо известно, что с помощью собирающей линзы можно получить действительное изображение точки. Пусть предмет, его изображение. Все лучи, исходящие из и прошедшие через линзу, собираются в одной точке Пусть лежит на главной оптической оси линзы, тогда изображение также лежит на оси. Что значит получить формулу линзы? Это значит установить связь между расстояниями от предмета до линзы и от линзы до изображения и величинами, характеризующими данную линзу: радиусами кривизны ее поверхностей и показателем преломления

Из принципа Ферма следует, что оптические длины всех лучей, выходящих из источника и собирающихся в точке, являющейся его изображением, одинаковы. Рассмотрим два из этих лучей: один, идущий вдоль оптической оси, второй - через край линзы (рис. 230а).

Рис. 230. К вьшоду формулы тонкой линзы

Несмотря на то, что второй луч проходит большее расстояние, его путь в стекле короче, чем у первого, так что время распространения света для них одинаково. Выразим это математически. Обозначения величин всех отрезков указаны на рисунке. Приравняем оптические длины первого и второго лучей:

Выразим по теореме Пифагора:

Теперь воспользуемся приближенной формулой которая справедлива при с точностью до членов порядка Считая малым по сравнению с с точностью до членов порядка имеем

Аналогично для получаем

Подставляем выражения (8) и (9) в основное соотношение (7) и приводим подобные члены:

В этой формуле в случае тонкой линзы можно пренебречь величинами в знаменателях правой части по сравнению с и очевидно, что в левой части выражения следует сохранить, ибо этот член стоит множителем.

С той же точностью, что и в формулах (8) и (9), с помощью теоремы Пифагора можно представить в виде (рис. 230б)

Теперь остается только подставить эти выражения в левую часть формулы (10) и сократить обе части равенства на :

Это и есть искомая формула тонкой линзы. Вводя обозначение

ее можно переписать в виде

Фокусное расстояние линзы. Из формулы (12) нетрудно понять, что есть фокусное расстояние линзы: если источник находится на бесконечности (т.е. на линзу падает параллельный пучок лучей), его изображение находится в фокусе. Полагая получаем

Аберрации. Полученное свойство фокусировки параллельного пучка монохроматических лучей является, как видно из проделанного вывода, приближенным и справедливо лишь для узкого пучка, т. е. для лучей, не слишком сильно отстоящих от оптической оси. Для широких пучков лучей имеет место сферическая аберрация, проявляющаяся в том, что далекие от оптической оси лучи пересекают ее не в фокусе (рис. 231). В результате изображение бесконечно удаленного точечного источника, создаваемое широким пучком лучей, преломленных линзой, оказывается несколько размытым.

Кроме сферической аберрации, линза как оптический прибор, формирующий изображение, обладает рядом других недостатков.

Например, даже узкий параллельный пучок монохроматических лучей, образующий некоторый угол с оптической осью линзы, после преломления не собирается в одну точку. При использовании немонохроматического света у линзы проявляется еще и хроматическая аберрация, связанная с тем, что показатель преломления зависит от длины волны. В результате, как видно из формулы (11), узкий параллельный пучок лучей белого света пересекается после преломления в линзе не в одной точке: лучи каждого цвета имеют свой фокус.

При конструировании оптических приборов удается в большей или меньшей степени устранить эти недостатки путем применения специально рассчитанных сложных многолинзовых систем. Однако одновременно устранить все недостатки невозможно. Поэтому приходится идти на компромисс и, рассчитывая оптические приборы, предназначенные для определенной цели, добиваться устранения одних недостатков и мириться с присутствием других. Например, объективы, предназначенные для наблюдения объектов малой яркости, должны пропускать возможно больше света, что вынуждает мириться с некоторыми аберрациями, неизбежными при использовании широких пучков света.

Рис. 231. Сферическая аберрация линзы

Для объективов телескопов, где изучаемыми объектами являются звезды - точечные источники, расположенные вблизи оптической оси прибора, особенно важно устранить сферическую и хроматическую аберрацию для широких пучков, параллельных оптической оси. Устранить хроматическую аберрацию проще всего путем использования в оптической системе отражения вместо преломления. Так как лучи всех длин волн отражаются одинаково, то телескоп-рефлектор, в отличие от рефрактора, полностью лишен хроматической аберрации. Если при этом еще надлежащим образом выбрать форму поверхности отражающего зеркала, то можно полностью избавиться и от сферической аберрации для пучков, параллельных оптической оси. Для получения точечного осевого изображения зеркало должно быть параболическим.

Возводя обе части в квадрат и приводя подобные члены, найдем

Это уравнение параболы.

Рис. 232. Все параллельные лучи после отражения от параболического зеркала собираются в точке

Параболические зеркала используются во всех крупнейших телескопах. В этих телескопах устранены сферическая и хроматическая аберрации; однако параллельные пучки, идущие даже под небольшими углами к оптической оси, после отражения не пересекаются в одной точке и дают сильно искаженные внеосевые изображения. Поэтому пригодное для работы поле зрения оказывается очень небольшим, порядка нескольких десятков угловых минут,

Поясните, почему применительно к фокусирующей оптической системе принцип Ферма формулируется как условие равенства оптических длин всех лучей от точки предмета до ее изображения.

Выведите с помощью принципа Ферма закон преломления света на границе раздела двух сред.

Сформулируйте приближения, при выполнении которых справедлива формула тонкой линзы.

В чем проявляются сферическая и хроматическая аберрации линзы?

Какие преимущества и какие недостатки имеет параболическое зеркало по сравнению со сферическим?

Покажите, что эллиптическое зеркало отражает все лучи, вышедшие из одного фокуса эллипсоида, в другой фокус.

Основные законы геометрической оптики. Полное отражение

Световой луч - это направленная линия, вдоль которой распространяется световая энергия. При этом ход светового луча не зависит от поперечных размеров пучка света. Говорят, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпирических законов:

1)Закон прямолинейного распространения света : в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

Отсюда - понятие световой луч, которое имеет геометрический смысл как линия, вдоль которой распространяется свет. Реальный физический смысл имеют световые пучки конечной ширины. Световой луч можно рассматривать как ось светового пучка. Поскольку свет, как и всякое излучение, переносит энергию, то можно говорить, что световой луч указывает направление переноса энергии световым пучком.

Наблюдения за распространением света во многих случаях свидетельствуют о том, что свет распространяется прямолинейно. Это и тень от предмета͵ освещаемого уличным фонарем, и движение тени Луны по Земле во время солнечных затмений, и лазерная юстировка приборов, и многие другие факты. Во всех случаях мы подразумеваем, что свет движется по прямой линии.

В геометрической оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о свете как о совокупности световых лучей – прямых или искривленных линий , которые начинаются на источнике света и продолжаются бесконечно. В случае если среда однородная, то лучи распространяются по прямым линиям. Эта закономерность и известна как закон прямолинейного распространения света. Прямолинейность распространения света проявляется в образовании тени от непрозрачного тела, если его освещают точечным источником света. В случае если тот же предмет освещают двумя точечными источниками света S 1 и S 2 (рис.1) или одним протяженным источником, то на экране возникают участки, которые освещены частично и носят название полутени. Примером образования тени и полутени в природе является солнечное затмение. Область применения этого закона ограничена. При малых размерах отверстия, через ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ проходит свет (порядка 10 -5 м), как уже отмечалось выше, наблюдается явление отклонения света от прямой траектории, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ получило название дифракции света.

Рис.1.1.1 Образование тени и полутени.

В неоднородной среде лучи распространяются по криволинейным траекториям. Примеров неоднородной среды – разогретый песок в пустыне. Вблизи него воздух имеет высокую температуру, которая с высотой уменьшается. Соответственно плотность воздуха ближе к поверхности пустыни уменьшается. По этой причине лучи, идущие от реального объекта͵ преломляются в слоях воздуха, имеющих различную температуру, и искривляются. Как результат – формируется ложное представление о местоположении объекта. Возникает мираж, то есть изображение вблизи поверхности может казаться расположенным высоко на небе. По сути, это явление аналогично преломлению света в воде. К примеру, конец шеста͵ опущенного в воду, нам будет казаться расположенным ближе к ее поверхности, чем на самом деле.

2)Закон независимого распространения лучей : световые лучи распространяются независимо друг от друга.

Так, например, при установке непрозрачного экрана на пути пучка световых лучей экранируется (исключается) из состава пучка некоторая его часть. Однако, по свойству независимости необходимо считать, что действие лучей оставшихся незаэкранированными от этого не изменится. То есть предполагается, что лучи не влияют друг на друга, и распространяются так, как будто других лучей, кроме рассматриваемого, не существует.

Закон независимости световых пучков означает, что эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, пучки света можно складывать и расщеплять. Сложенные пучки будут ярче. Хорошо известный пример из истории сложения пучков солнечного света͵ когда при защите города от нападения вражеских судов с моря пучки света от Солнца множеством зеркал направлялись на судно в одну точку, так что в жаркое лето на деревянном судне возникал пожар. Многие из нас в детстве с помощью увеличительного стекла, собирающего свет, пробовали выжигать буквы на деревянной поверхности.

3) Закон отражения света

Отраже́ние - физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации. В геологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света. Отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами. В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики.

Закон отражения света:

падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, «угол падения α равен углу отражения γ».

Рис.1.1.2 Закон преломления

Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.

Зеркальным называют отражение света͵ когда падающий параллельный пучок света сохраняет свою параллельность после отражения. В случае если размеры неровностей поверхности больше длины волны падающего света͵ то он рассеивается по всевозможным направлениям, такое отражение света называют рассеянным или диффузионным.

Зеркальное отражение света:

1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения;

2) угол отражения равен углу падения. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от угла падения и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды - диэлектрика) выражают формулы Френеля. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен

Пример. В частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления воздуха = 1,0; стекла = 1,5) он составляет 4 %.

4)Закон преломления света

На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света.

Если вторая среда прозрачна, то часть света при определенных условиях может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление своего распространения. Это явление называется преломлением света.

Закон преломления света: Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления β есть величина постоянная для двух данных сред

Показатель преломления - постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления одной среды относительно первой.

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения α к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду. Относительный показатель преломления n связан с абсолютными показателями n2 и n1 первой среды соотношением:

Поэтому закон преломления может быть записан следующим образом:

Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:

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

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой

Абсолютный показатель преломления среды связан со скоростью распространения света в данной среде и зависит от физического состояния среды, в которой распространяется свет, т.е. от температуры, плотности вещества, наличия в нем упругих натяжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового.

5) Закон обратимости светового луча . Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

Поскольку геометрическая оптика не учитывает волновой природы света, в ней действует постулат, согласно которому если в какой-то точке сходятся две (или большее количество) систем лучей, то освещённости, создаваемые ими, складываются.

Полное (внутреннее) отражение

Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей скоростью распространения (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

С увеличением угла падения , угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного - падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении интенсивность преломленного луча становится равной нулю и происходит полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления β равным 90°:

Если n - показатель преломления стекла относительно воздуха (n>1), то показатель преломления воздуха относительно стекла будет равен 1/n. В данном случае стекло является первой средой, а воздух - второй. Закон преломления запишется так:

При этом угол преломления больше угла падения, Значит, переходя в оптически менее плотную среду, луч отклоняется в сторону от перпендикуляра к границе двух сред. Наибольшему возможному углу преломления β = 90° соответствует угол падения a0.

При угле падения a > a0 преломленный пучок исчезнет, и весь свет отражается от границы раздела, т.е. происходит полное отражение света. Тогда, если направить луч света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то по мере увеличения угла падения преломленный луч будет приближаться к границе раздела двух сред, затем пойдет по границе раздела, а при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезнет, т.е. падающий луч будет полностью отражаться границей раздела двух сред.

Рис.1.1.3 Полное отражение

Предельный угол (альфа нулевое)– это угол падения, которому соответствует угол преломления 90 градусов.

Сумма интенсивностей отраженного и преломленного лучей равна интенсивности падающего луча. При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча растет, а интенсивность преломленного луча убывает и для предельного угла падения становится равной нулю.

Рис.1.1.4 Световод

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передаётся какой-нибудь элемент изображения.

Жгуты из волокон используются в медицине для исследования внутренних органов. Два световода можно закинуть в любое малодоступое место организма. С помощью одного световода освещают нужный объект, посредством другого передают его изображение в фотокамеру или глаз. Например, опуская световоды в желудок, медикам удаётся получить прекрасное изображение интересующей их области, несмотря на то, что световоды приходится перекручивать и изгибать самым причудливым образом.

Волоконная оптика применяется в для передачи большого объема информации в компьютерных сетях, для освещения недоступных мест, в рекламе, бытовой осветительной технике.

В военном деле, на подводных лодках широко используются перископы. Периско́п (от греч. peri - «вокруг» и scopo - «смотрю») - прибор для наблюдения из укрытия. Простейшая форма перископа - труба, на обоих концах которой закреплены зеркала, наклоненные относительно оси трубы на 45° для изменения хода световых лучей. В более сложных вариантах для отклонения лучей вместо зеркал используются призмы, а получаемое наблюдателем изображение увеличивается с помощью системы линз. Луч света полностью отражается и попадает в глаз наблюдателя.

Отклонение лучей призмой

На рисунке изображено сечение стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях ОА и 0В. Угол А между этими гранями называют преломляющим углом призмы. Угол φ отклонения луча зависит от преломляющего угла призмы А, показателя преломления п материала призмы и угла падения a1. Он может быть вычислен с помощью закона преломления.

φ = А (п-1)

Следовательно, угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы

Рис.1.1.5 Отклонение лучей призмой

Призмы используются в конструкциях многих оптических приборов, к примеру, телескопов, биноклей, перископов, спектрометров. Используя призму, И.Ньютон впервые разложил свет на составляющие, и увидел, что на выходе из призмы возникает разноцветный спектр, причем цвета расположены в том же порядке, как и в радуге. Оказалось, что естественный «белый» свет состоит из большого количества разноцветных пучков.

Контрольные вопросы и задания

1. Сформулируйте и поясните основные законы геометрической оптики.

2. В чем заключается физический смысл абсолютного показателя преломления среды? Что такое относительный показатель преломления?

3. Сформулируйте условия зеркального и диффузного отражений света.

4. При каком условии наблюдается полное отражение?

5. Чему равен угол падения луча, если луч падающий и луч отраженный образуют угол ?

6. Докажете обратимость направления световых лучей для случая отражения света.

7.Можно ли придумать такую систему зеркал и призм (линз) через которую один наблюдатель видел бы второго наблюдателя, а второй наблюдатель не видел бы первого?

8.Показатель преломления стекла относительно воды равен 1,182: показатель преломления глицерина относительно воды равен 1.105. Найдите показатель преломления стекла относительно глицерина.

9. Найдите предельный угол полного внутреннего отражения для алмаза на границе с водой.

10. Почему блестят воздушные пузыри в воде?(Ответ: за счет отражения света на границе «вода-воздух»)