6.1.3. Основные законы геометрической оптики
Длины
волн видимого света лежат в диапазоне
0,4 ….. 0,75 мкм. Геометрическая оптика
представляет собой предельный случай
волновой оптики при
.
В геометрической оптике отвлекаются
от волновой природы света, это возможно,
когда дифракционные эффекты пренебрежимо
малы. В геометрической оптике
рассматриваются законы распространения
света в прозрачных средах на основе
представления о свете как совокупности
световых лучей - линий, вдоль которых
распространяется поток световой
энергии. В оптически изотропной среде
световые лучи ортогональны к волновым
поверхностям и направлены в сторону
внешних нормалей к этим поверхностям.
В оптически однородной среде лучи
прямолинейны. Световой пучок –
совокупность световых лучей.
1. Закон прямолинейности распространения света: в оптически однородной среде свет распрстраняется прямолинейно. В неоднородной среде световые лучи искривляются. Путь, по которому распространяется свет в неоднородной среде, может быть найден с помощью вариационного принципа Ферма: свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время. Другая формулировка принципа Ферма: свет распространяется по такому пути, оптическая длина которого минимальна. Оптической длиной пути света между двумя точками в неоднородной среде называется величина:
(6.35.11)
где
– абсолютный показатель преломления
среды,
– геометрическая длина пути. В однородной
среде
.
2. Закон независимости световых лучей (световых воздействий): световые лучи (пучки световых лучей) могут пересекаться, не возмущая друг друга, и распространяться после пересечения независимо друг от друга.
На границе раздела двух оптических сред световые лучи могут отражаться и преломляться.
3.
Закон отражения света: луч падающий,
луч отраженный и перпендикуляр,
проведенный в точке падения к границе
раздела двух сред, лежат в одной плоскости,
причем угол отражения
равен углу падения
:
4.
Закон преломления: луч падающий, луч
преломленный и перпендикуляр, проведенный
к границе раздела двух сред в точке
падения, лежат в одной плоскости;
отношение синуса угла падения
к синусу угла преломления
есть величина постоянная для данных
сред:
(6.35.12)
где – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Полное
внутренне отражение света.
Если свет распространяется из
оптически более плотной среды в оптически
менее плотную
>
,
то
< 1, т.е. угол преломления больше угла
падения. Если увеличивать угол падения,
то будет увеличиваться угол преломления.
И при некотором предельном угле падения
(предельном
угле), угол преломления станет равным
= 90.
При этом интенсивность преломленного
луча обращается в нуль, а интенсивность
отраженного равна интенсивности
падающего. Значение предельного угла
определим из выражения (6.35.12), подставив
в него
90º:
(6.35.13)
Таким образом, при углах < < 90 падающий луч не преломляется во вторую среду, причем интенсивность отраженного и падающего лучей равны. Это явление называется полным внутренним отражением.
5. Закон обратимости световых лучей: если навстречу лучу, претерпевшему ряд отражений и преломлений пустить другой луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый, но в обратном направлении.