7.2.1. Электромагнитная природа света

В 1873 г. Максвелл получил уравнения, ставшие основой теории электромагнитного поля, согласно которой расчётная скорость ЭМВ в вакууме равна скорости света, полученной из опытов. Такое совпадение привело Максвелла к гипотезе, что свет – один из видов ЭМВ. Это хорошо объясняло волновые свойства света и устраняло слабое место теории механической волны Гюйгенса – необходимость существования абсолютно жёсткого эфира.

Опыты Герца по обнаружению ЭМВ показали, что ЭМВ подобны свету и на границе раздела двух сред испытывают отражение и преломление. Они привели к полному признанию теории Максвелла и его гипотезы об электромагнитной природе света.

7.3. Геометрическая оптика

Геометрическая оптика основана на понятии светового луча, позволяет описать явления отражения и преломления света в зеркалах, призмах и линзах, используя соответствующие законы (п.6.1.2.4, 6.1.2.5), содержит сведения о принципах построения оптических систем (очков, микро- и телескопов и пр.), устройстве оптической системы глаза и т. д. В данном курсе предусмотрено лишь краткое повторение основных сведений геометрической оптики, необходимых для изучения волновой и квантовой оптики. На рисунке изображены: 1 – падающий луч (п.6.1.2.4); 2 – отражённый луч (п.6.1.2.4); 3 – преломлённый луч (п.6.1.2.5).

7.3.1. Длина световой волны в различных средах

Согласно теории Максвелла, свет – ЭМВ. Тогда (п.6.2.6.5) в вакууме (n = 1) длина волны ; в среде (n > 1) – и 

Опыты по изучению интерференции света полностью подтвердили эти соотношения.

7.3.2. Отражение и преломление света

Законы отражения светового луча были открыты Евклидом (III в. до н. э., Греция). Опытным путём он установил два закона, описанные в п.6.1.2.4.

Законы преломления света были открыты Виллебродом Снеллиусом (1580–1626, Голландия) в начале XVII в., а современную форму им придал Рене Декарт (1596–1650, Франция). Опытным путём они установили, что на границе раздела двух прозрачных однородных сред преломление подчиняется двум законам, описанным в п.6.1.2.5.

На границе раздела двух сред луч частично отражается и частично преломляется (часть энергии света отражается от границы, часть – проходит сквозь неё). При этом выполняются законы отражения и преломления: ; .

7.3.3. Показатель преломления

Относительный показатель преломления (второй среды относительно первой) (n₂₁) – отношение синуса угла падения () к синусу угла преломления () . Из (п.6.1.2.5) и (*)  .

Физический смысл:

n₂₁ показывает, во сколько раз скорость света в среде 2 меньше скорости света в среде 1. Тогда другое определение n (ср. с п.6.2.6.5):

Абсолютный показатель преломления среды (n) – относительный показатель преломления этой среды n₂₁ относительно вакуума , где с – скорость света в вакууме; v – скорость света в среде.

• Для вакуума n = 1, для воздуха n  1,00029  .

• 

  Для двух сред с абсолютными показателями n₁ и n₂ относительный показатель или .

Оптически более плотная среда – среда с большим абсолютным показателем преломления.

7.3.4. Полное отражение света

Рассмотрим переход луча из оптически более плотной среды n₁ в оптически менее плотную n₂ < n₁ (например, из воды в воздух).

Луч А₁ частично отражается от границы раздела (луч А₂) и частично преломляется (луч А₃ ).

   .

Опыты показали, что с увеличением  доля энергии луча растет, а луча уменьшается и при определённом значении ₀, не входит в среду n₂ ( = 90^о). При  > ₀ луч полностью отражается и преломление прекращается.

Полное отражение света – явление, при котором свет полностью отражается от границы раздела сред.

Предельный угол полного отражения (₀) – угол падения, соответствующий углу преломления  = 90^о.

При полном отражении sin = 1 и из  .

Например, при переходе в воздух (n₂ = 1) из воды (n₁ = 1,33), ₀ = 48^о35'; из стекла (n₁ = 1,5), ₀ = 41^о51'; из алмаза (n₁ = 2,42), ₀ = 24^о40'.

• 

  Явление полного отражения используют при производстве световодов, состоящих из гибкого стекловолокна 1, покрытого слоем оптически менее плотного материала 2. Свет, многократно испытывая полное отражение, движется в световоде, перенося информацию. Световоды используют для оптической связи, в медицине, телевидении, оборонной промышленности и др.