52. Основные законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение.

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей – линий, вдоль которых распространяется энергия световых волн.

Законы геометрической оптики используются для описания наблюдаемых явлений, если эффекты, связанные с волновой природой света, не существенны. Основные законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, отражения и преломления света.

Геометрическая оптика

В оптически однородной среде лучи прямолинейны, на границе раздела двух сред они подчиняются законам отражения и преломления. Пучки световых лучей могут пересекаться, не интерферируя и распространяясь независимо друг от друга.

Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными или криволинейной и плоской поверхностями. Тонкая линза – линза, для которой ее толщина мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей. В противном случае линза называется толстой.

Главная оптическая ось – прямая проходящая через центры кривизны ее поверхностей. В тонкой линзе точки пересечения главной оптической оси с обеими поверхностями линзы сливаются в одну точку, называемую оптическим центром линзы.

О птическая сила линзы

a₁ и a₂ - расстояния от предмета и его изображения отсчитываемые от оптического центра линзы вдоль ее главной оптической оси.

, абсолютные показатели преломления для материала линзы и окружающей среды.

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны. В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.

53. Развитие представлений о природе света. Корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.

Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны.

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

Развитие представлений о природе света.

Первые представления о природе света возникли у древних греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования различных оптических приборов (параболического зеркала, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались. В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую.

Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Таким образом, к началу XVIII века существовало два противоположных подхода к объяснению природы света. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия ситуация коренным образом изменилась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. Большая заслуга в этом принадлежит английскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции.

Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался открытым.

В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет – это электромагнитные волны. Важным подтверждением такой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной. Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца по исследованию электромагнитных волн. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления электромагнитная теория света превратилась в факт.