Лекция 1 Элементы геометрической оптики.

1. Основные законы геометрической оптики.

Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптики:

Закон прямолинейного распространения света.

Длины световых волн воспринимаемых глазом очень малы (порядка м). Поэтому рассмотрение видимого света приближенно можно рассматривать отвлекаясь от его волновой природы и полагая, что свет распространяется вдоль некоторых линий, называемых лучами. В этом приближении законы оптики можно сформулировать на языке геометрии. Поэтому раздел оптики, в котором пренебрегают конечностью длин волн () называется геометрической оптикой. Другое название этого раздела лучевая оптика. Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их точечными источниками света (источники, размеры которых значительно меньше освещаемого предмета и расстояния от него). Этот закон нарушается при прохождении света через малые отверстия или освещении малых преград.

Закон независимости световых лучей.

Эффект производимый отдельным лучом, не зависит от того действуют ли одновременно остальные лучи или они устранены. Лучи при пересечении не изменяют друг друга. Пересечение лучей не мешает каждому из них распространяться независимо друг от друга. Этот закон справедлив лишь при небольших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей нарушается.

Если свет падает на границу двух оптически прозрачных сред, то падающий луч разделяется на два: отраженный и преломленный, направления которых задаются законами отражения и преломления.

Закон отражения света: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим и перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения. При этом угол падения равен углу отражения (рис.1)

Рис. 1.

Закон преломления света: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим и перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения. При этом отношение синуса угла падения к углу преломления есть величина постоянная для данных сред:, где- относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Если луч шел из второй среды в первую, то вследствие обратимости световых лучей относительный показатель преломления первой среды относительно второй записывается в виде:. Следовательно,.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: .

Абсолютным показателем преломления называется величина равная отношению скорости света в вакууме к фазовой скорости волны в среде:. Фазовая скорость волны в среде определяется величинами магнитнойи электрическойпроницаемости среды и связана со скоростью света по формуле:. Следовательно, абсолютный показатель преломления среды равен:.

Учитывая определение абсолютного показателя преломления, закон преломления можно записать в следующем виде:

.

Значения абсолютных показателей преломления приводятся в физических таблицах.

Если свет распространяется в среду с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления , то угол преломления больше угла падения:. С увеличением угла падения увеличивается и преломленный угол до тех пор, пока при некотором угле паденияугол преломления не окажется равным. Уголназываетсяпредельным углом.Преломленный луч при этом скользит вдоль раздела сред. При углах падениявесь падающий свет полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным отражением. Подставив в закон преломления, получим. Отсюда

.

При полном внутреннем отражении потерь интенсивности света не происходит.

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения. Показатель преломления стекла равен , поэтому предельный угол отражения на границе стекло-воздух равен. Свойство полного отражения используется в различных оптических приборах для поворота лучей и пр. (рис. 2).

Поворот луча на	Поворот изображения	Оборачивание лучей
Рис. 2.