1.Световая волна. Отражение и преломление плоской волны на границе двух диэлектриков.

Оптика – это раздел физики, который изучает распространение света и взаимодействие его с веществом. Свет представляет собой электромагнитное излучение и обладает двойственной природой. В одних явлениях свет ведёт себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц фотонов или квантов света. Волновыми свойствами света занимается волновая оптика, квантовой – квантовая.

Свет – поток фотонов. С точки зрения волновой оптики световая волна – это процесс колебания электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве.

Оптика занимается световыми волнами, в основном инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапазонов. Как электромагнитная волна свет обладает следующими свойствами (они следуют из уравнения Максвелла):

Вектора напряжённости электрического поля E, магнитного поля H и скорость распространения волны V взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую систему.

Вектора E и H колеблются в одной фазе.

Для волны выполняется условие:

Уравнение световой волны имеет , где - волновое число, - радиус-вектор, - начальная фаза.

Рассмотрим падение плоской световой волны на границе раздела двух прозрачных (не поглощающих) сред с показателями преломления n₁ и n₂. В этом случае происходит преломление и отражение света. Вывод закона преломления и отражения удобно проводить с помощью принципа Гюйгенса: каждая точка волнового фронта становится источником вторичных сферических волн и новым фронтом волны является огибающая этих вторичных волн.

Рассмотрим преломление света.

α – угол падения. BD=L₁, AC=L₂, AD=L. В первой среде световая волна движется с V₁, а во второй с V₂. Расстояние L₁ и L₂ волна проходит за время t => (1) . Из ABD и ACD: (2). Отсюда . => (3).

Формула (3) представляет собой запись закона преломления света: луч падающий, луч преломлённый и нормаль границ раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина постоянная для данных сред и называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.

Совершенно аналогично используя принцип Гюйгенса можно показать, что угол падения равен углу отражения, что является основой закона отражения: луч падающий, луч отражённый и нормаль границы раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения. Причём падающие отражённые лучи лежат по разные стороны нормали.

Среду, у которой показатель преломления больше, называют оптически более плотной. Из закона преломления (4) видно, что при падении луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду (n₂>n₁) α>β.

Если увеличить α, то мы получим прямой угол β.

Луч падает из оптически более плотной в менее плотную среду (n₂<n₁) α<β.

При некотором α_кр преломлённый луч становится скользящим (β=90°).

Если α>α_кр, то наблюдается явление полного внутреннего отражения. Предельный α_кр находится:

При переходе из одной среды в другую наряду со скоростью волны меняется и λ в n₂₁ раз, а частота .