5. Оптика

5.1. Геометрическая оптика

5.1.1.Прямолинейное распространение света. Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение, его применение

Оптика – учение о свете и его взаимодействии с веществом.

Видимый свет – электромагнитные волны с длинами 400 – 760нм, которые вызывают зрительное ощущение.

Световой луч – ось достаточно узкого, остающегося при этом конечной ширины светового пучка (размер поперечного сечения светового конуса значительно больше длины волны).

Световой луч – понятие чисто геометрическое и самостоятельного физического значения не имеет.

В геометрической (лучевой) оптике свет рассматривается как совокупность световых лучей – линий, вдоль которых распространяется энергия световых электромагнитных волн. Эти линии проводятся перпендикулярно волновому фронту.

О снову геометрической оптики составляют четыре закона: 1) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых пучков; 3) законы отражения света; 4) законы преломления света.

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

З акон независимости световых пучков: пучки световых лучей, пересекаясь, не взаимодействуют друг с другом и распространяются после пересечения независимо друг от друга.

Законы отражения света: 1) луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный на границе двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол отражения α равен углу падения γ (рис. 21).

Углы в геометрической оптике отсчитываются от перпендикуляра, восстановленного к границе раздела двух сред в точке падения луча.

З еркальная поверхность – поверхность, размеры неровностей которой меньше длины световой волны.

Если на такую поверхность бросить пучок параллельных световых лучей, то после отражения от поверхности они останутся параллельными. Такое направленное отражение называют зеркальным (рис. 22).

Е сли размеры неровностей больше длины волны света, то параллельные лучи после отражения от такой поверхности рассеиваются по всевозможным направлениям. Такое отражение называют рассеянным или диффузным (рис. 23).

Законы преломления света (открыты голландским физиком В. Снеллиусом (около 1621 г) и независимо от него французским ученым Р. Декартом (в 1637 г)): 1) луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный на границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости; 2) отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред (рис. 24).

Математически это можно записать так: , где – величина, зависящая от свойств обеих граничащих сред, называемая показателем преломления второй среды относительно первой (относительным показателем преломления).

Если свет преломляется на границе «вакуум – прозрачная среда», то соответствующий показатель преломления называется абсолютным показателем преломления прозрачной среды.

Закон преломления света через абсолютные показатели преломления: , где n₁ – абсолютный показатель преломления первой среды (той среды, в которой свет распространяется до падения на границу раздела), n₂ – абсолютный показатель преломления второй среды (той среды, в которой свет распространяется после преломления на границе раздела), α – угол падения, β – угол преломления.

О птически более плотная среда – среда с бóльшим значением абсолютного показателя преломления.

Оптически менее плотная среда – среда с меньшим значением абсолютного показателя преломления.

Абсолютный показатель преломления воздуха очень близок к единице и равен при нормальных условиях 1,00029.

Абсолютный показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше, чем в вакууме: , где с = 3·10⁸ м/с – скорость света в вакууме, – скорость света в данной среде.

Принцип обратимости световых лучей: если световой луч, испытавший любое количество отражений и преломлений, на последнем этапе отразить точно назад, то он пройдет обратно всю последовательность отражающих и преломляющих поверхностей по тому же самому пути и вернется к своему источнику.

При падении луча света из оптически более плотной среды на границу раздела с оптически менее плотной средой наблюдается явление полного внутреннего отражения, заключающееся в том, что падающий на границу раздела сред луч полностью отражается от нее (как от зеркальной поверхности) и возвращается в оптически более плотную среду.

Явление полного внутреннего отражения наблюдается только при углах падения, больших предельного угла , где n₁ – абсолютный показатель преломления оптически более плотной среды, n₂ – абсолютный показатель преломления оптически менее плотной среды.

Полное внутреннее отражение света используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов.

Световод – стеклянный цилиндр, покрытый прозрачной оболочкой из материала с меньшим, чем у стекла, абсолютным показателем преломления. Свет, распространяясь по световоду, испытывает на границе «стекло – прозрачная оболочка» полное внутренне отражение. Это позволяет придать световоду любую форму (прямую или изогнутую, как на рис. 25, 26).

Явление полного внутреннего отражения света на боковой грани стеклянной призмы используется в поворотной (рис. 27 и 28) и оборачивающей (рис. 29) призмах. Материал призм имеет абсолютный показатель преломления, бóльший абсолютного показателя преломления среды, в которой они находятся (например, стеклянная призма в воздухе).

Поворотная призма поворачивает изображение, оборачивающая – переворачивает изображение.

Преимущество поворотных и оборачивающих призм: 1) их отражательные свойства не меняются со временем, в то время как металлические зеркала со временем тускнеют из-за окисления металлического покрытия на них; 2) оборачивающая призма проще по устройству эквивалентной ей системы зеркал.