Законы геометрической оптики
В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпирических законов:
Закон прямолинейного распространения света
Закон независимого распространения лучей
Закон отражения света
Закон преломления света (Закон Снелла)
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.
Однако наиболее последовательным является вывод законов геометрической оптики из волновой оптики в эйкональном приближении. В этом случае, основным уравнением геометрической оптики становится уравнение эйконала, которое допускает также словесную интерпретацию в виде принципа Ферма, из которого и выводятся перечисленные выше законы.
Частным видом геометрической оптики является матричная оптика
Представим себе путешественника в пустыне, который умирает от жажды. Он смотрит вдаль и видит озеро с чистой водой в окружении густой растительности. Он бросается вперед, но видение пропадает, а вокруг ничего, кроме горячего песка. Обман зрения? Видение? Галлюцинация? Озеро, которое он видел на расстоянии, не что иное, как мираж. Откуда он взялся? Мираж – это шутка природы, явление, появляющееся при определенных атмосферных условиях. Чтобы понять природу миража, следует усвоить, что мы видим различные предметы, благодаря тому, что свет отражается от них и попадает нам в глаза по прямой. Поэтому, когда мы смотрим вдаль, видим только те предметы, которые находятся над линией горизонта. Всего лишь отражение неба. А сейчас мы подошли к объяснению тех трюков, которые проделывает атмосфера с лучами света. В пустыне существует слой плотного воздуха над поверхностью земли, который играет роль зеркала. Объект может находиться за пределами нашей видимости или за горизонтом, но когда лучи света от него попадают на слой воздуха, они отражаются. Мы «видим» этот объект, как если бы он находился над горизонтом или в зоне нашей видимости. Мы «видим» предмет, который в действительности нам невидим! Отражение неба в таком «воздушном зеркале» можно принять за озеро. Так появляется мираж. Мираж в пути... В жаркий день, приближаясь к вершине холма, нам кажется, что дорога впереди мокрая. Это тоже мираж! Световые лучи, падающие с неба и преломленные горячим воздухом над земной поверхностью, похожи на саму дорогу. Мираж на море... Миражи можно увидеть и в море, когда в небе появляется изображение кораблей. В этом случае все объясняется наличием холодного воздуха над поверхностью воды и слоя теплого воздуха над ним. Корабли, находящиеся за горизонтом, становятся «видимыми», так как лучи света, идущие от них, отражаются от слоя теплого воздуха. В итоге, мы видим корабли в воздухе! 42. Преломление и отражение света.
Преломле́ние (рефра́кция) — изменение направления распространения волнэлектромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.
Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (то есть преломлёнными «вверх»); в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (то есть преломляется «вниз»). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоёма, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.
Преломление света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, а закат несколько позже, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы. По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали.
Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными оптическими 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 случаевполного внутреннего отражения).
Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:
А если говорить проще, то угол падения равен углу отражения
Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивностиотражённого света.