Геометрична оптика. Закони відбивання та заломлення світла

В різних прозорих середовищах світло поширюється з різними швидкостями, які менші від швидкості світла у вакуумі. Середовище, в усіх точках якого швидкість поширення світла однакова, називається оптично однорідним.

Р озглянемо відбивання і заломлення монохроматичного світла на плоскій межі розділу двох різних, оптично однорідних середовищ, швидкості поширення світла в яких рівні та .

На межі розділу двох середовищ світло частково відбивається, а частково заломлюється, переходячи у друге середовище.

Промінь 1 називається падаючим, 2 – відбитим, а промінь 3 – заломленим.

Кут між падаючим променем і перпендикуляром, поставленим у точку падіння до межі розділу двох середовищ називається кутом падіння.

Сформулюємо закони відбивання світла:

1. Промінь падаючий, відбитий промінь і перпендикуляр, поставлений в точку падіння до межі розділу двох середовищ лежать у площині падіння.

2. Кут падіння рівний куту відбивання.

Згідно із законами заломлення світла:

1. Промінь падаючий, заломлений промінь і перпендикуляр, поставлений в точку падіння до межі розділу двох середовищ лежать у площині падіння;

2. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох прозорих середовищ залежить лише від довжини світлової хвилі і не залежить від кута падіння:

(3),

де величина n₂₁ називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого; він визначається відношенням швидкості поширення світла в першому середовищі υ₁ до швидкості світла в другому середовищі υ₂ .

Показник заломлення середовища відносно вакууму називають абсолютним показником заломлення цього середовища:

(4),

де  - кут падіння, - кут заломлення; с - швидкість світла у вакуумі; υ - швидкість світла в даному середовищі. Він показує у скільки разів швидкість світла у вакуумі більша від швидкості поширення світла у даному середовищі.

Оптичні явища в атмосфері

Блакитний колір неба. Ясне безхмарне небо має блакитний колір декілька різних відтінків у різних ділянках небесного зводу. Спробу дати його пояснення зробив ще Леонардо да Вінчі, але правильне пояснення було знайдено лише після того, як була розроблена теорія розсіювання світла в мутному середовищі.

Так як розсіювання світла (молекулярне) відбувається обернено-пропорційно λ⁴, то в спектрі розсіяного світла, що посилається небесним зводом, і максимум у розподілі енергії повинен бути зміщений в бік коротких довжин хвиль, і світло, що сприймається від небесного зводу, повинно мати блакитний колір.

У реальній атмосфері варто врахувати вплив поглинання й особливо розсіювання на великих частинках, що приводить до того, що розсіювання залежить від довжини хвилі в меншому степені і насиченість блакитного кольору розсіяного світла в замутненій атмосфері значно менше, ніж у релеївській (сухій і чистій) атмосфері.

Спостереження показують, що ступінь голубизни неба зазнає як добових, так і річних коливань. Разом з тим установлений тісний зв'язок зі ступенем мутності (прозорості) атмосфери: чим більша мутність, тим голубизна слабкіша і колір неба більш світліший.

Денна освітленість. Прямі і розсіяні промені Сонця створюють освітленість земної поверхні, дають те природне освітлення, що має виняткове значення як для життя людини, так і для життя усього органічного світу.

Говорячи про освітленість земної поверхні, можна розглядати освітленість, створювану прямими сонячними променями або розсіяною радіацією, а також сумарну освітленість. При цьому звичайно при вимірах освітленість відносять до горизонтальної поверхні і лише в спеціальних випадках розглядають освітленість похилих різно-орієнтованих поверхонь.

Ті теоретичні дані, що викладені стосовно до прямої і розсіяної радіації, цілком відносяться і до видимої області їхнього спектра.

Для освітленості Ε прямими сонячними променями горизонтальної поверхні в залежності від зенітної відстані сонця також можна написати

(5)

де — так званий візуальний коефіцієнт прозорості атмосфери, — зенітна відстань, а Е₀ — світлова сонячна стала, тобто та освітленість, що створюється прямими сонячними променями за межами атмосфери на поверхні, перпендикулярної до сонячних променів і розташованої на середній відстані Землі від Сонця. Значення її визначене менш надійно, чим значення енергетичної сонячної сталої, і може бути прийнято рівним 135000 лк.

Що стосується теоретичного розгляду питання про освітленість розсіяним світлом, то це можна зробити лише для ідеальної атмосфери, виходячи з теорії молекулярного розсіювання.

Як випливає із теоретичних міркувань, при збільшені мутності атмосфери освітленість прямими сонячними променями зменшується, але в той же час яскравість небесного зводу, а разом з нею й освітленість земної поверхні розсіяним світлом збільшується; сумарна освітленість при цьому зменшується.

Сутінки і зоря. Сутінкова освітленість. Після заходу Сонця, а також перед його сходом земна поверхня протягом деякого проміжку часу одержує світло, розсіяне тими частинами атмосфери, які розташовані над обрієм місця спостереження і у даний момент освітлюються прямими сонячними променями (Рис 1).

У зв'язку зі сказаним ввечері після заходу Сонця освітленість земної поверхні, обумовлена розсіяним світлом, буде досить швидко зменшуватися до моменту, поки не наступить нічна темрява. Та частина доби, коли відбувається цей перехід від денних умов освітленості до нічної темряви або навпаки, називається відповідно вечірніми або ранковими сутінками.

На підставі спостережень і розрахунків отримані наступні висновки:

1) освітленість на початку сутінок виміряється декількома сотнями люксів і може досягати значень порядку 500 лк; до кінця сутінків вона зменшується приблизно до 1 лк і, продовжуючи далі зменшуватись, при =-10° досягає значень порядку 0,03 лк, падає майже в 10000 разів;

2) хід зміни освітленості в сутінки не залежить від характеру хмарності і поверхні, причому логарифм освітленості змінюється пропорційно висоті сонця (при зміні останньої від -10 до -1°);

3) у залежності від хмарності освітленість може змінюватися в кілька разів;

4) наявність сніжного покриву збільшує сутінкову освітленість.