11.Основные положения геометрической оптики. Отражение преломление света

Поверхности любых объектов отражают свет. Интенсивность отражения зависит от состояния и свойства поверхности. Однако в ощущаемой природе нет таких объектов, которые бы полностью поглощали или отражали свет. Какая-то часть света всегда отражается от поверхности, а какая-то всегда поглощается.

Способность поверхности объекта отражать оптическое излучение характеризуется коэффициентом отражения

К_отр = I_отр/I_под,

где I_отр – сила отраженного света;I_под – сила падающего света.

Геометрическая оптика исходит из закона независимости распространения света. Сущность его заключается в том, что отдельные лучи и пучки света, встречаясь друг с другом, пересекаясь, не оказывают влияния друг на друга.

Другими основными законами, на которых базируется геометрическая оптика, являются законы отражения и преломления света.

Если лучи света, распространяясь в одной оптической среде, встречают другую среду, то на границе этих сред они полностью или частично отражаются (рисунок 1.1).

n₁ – показатель преломления среды 1; n₂ – показатель преломления среды 2

Рисунок 1.1 – Отражение света от плоской поверхности

При отражении лучи света подчиняются следующим законам:

а) падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, восстановленный к поверхности в точке падения, лежат в одной плоскости;

б) угол отражения равен углу падения (φ = φ₁);

в) луч падающий и луч отраженный обратимы.

Если лучи света, встречая другую оптическую среду, преломляются (рисунок 1.2), то они подчиняются следующим законам:

а) луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный к поверхности в точке падения, лежат в одной плоскости;

б) отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления луча для двух данных оптических сред есть величина постоянная и называется она относительным показателем преломления двух сред (формула 1.1);

в) луч падающий и луч преломленный обратимы.

n₁ – показатель преломления среды 1; n₂ – показатель преломления среды 2

Рисунок 1.2 – Преломление света на границе двух сред

Относительный показатель преломления двух сред

, (1.1)

где φ – угол падения;ψ – угол преломления; v₁ – скорость света в среде 1;

v₂ – скорость света в среде 2.

Исходя из вышеизложенного, закон преломления можно представить в виде

n₁· sin φ = n₂· sin ψ.

Из этой формулы видно, что при переходе света из оптически боле плотной среды в менее плотную, угол преломления больше чем угол падения.

Увеличение угла падения φ сопровождается более быстрым ростом угла преломления ψ, и при достижении углом φ значения

φ _пред = arcsin n₁₂ (1.2)

угол ψ становится равным 90^о. Угол, определяемый формулой 1.2, называется предельным углом (рисунок 1.4).

а) б)

а – предельное значение угла преломления; б – полное внутреннее отражение при φ > φ_пред

12. Явление полного внутреннего отражения

Энергия, которую несет с собой падающий луч, распространяется между отраженным и преломленным лучами. По мере увеличения угла падения интенсивность отраженного луча растет, интенсивность же преломленного луча падает, обращаясь в нуль при предельном угле (рисунок 1.4). При углах падения, заключенных в пределах от φ _пред до π/2, световая волна проникает во вторую среду на расстоянии порядка длины волны λ и затем возвращается в первую среду. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения.

1– преломленные лучи света; 2 – луч света, претерпевший полное внутреннее отражение

Рисунок 1.5 – Явление преломления и полного внутреннего отражения

Предельный угол падения для стекла составляет приблизительно 42º, для воды 47,5º.

На рисунке 1.5 проиллюстрированы явления преломления и полного внутреннего отражения.