5.4. Явление полного внутреннего отражения от границы двух сред

Если источник света находится в среде с показателем преломления (рис. 21), то испускаемые им лучи, достигая границы данной среды со средой, характеризуемой показателем преломления<, преломляются так, что угол преломления больше угла падения :

.

При этом часть падающего света, как на любой границе раздела, отражается в среду с показателем преломления . Если значение угла падения таково, что угол преломления = 90°, то свет не выходит

Рис. 21. Полное внутреннее отражение.

в среду с показателем преломления <, а полностью отражается в среду, где находится источник. Такое явление называется явлениемполного внутреннего отражения, а угол , соответствующий углу преломления = 90°, называется предельным углом полного внутреннего отражения и определяется равенством

.

Полное внутреннее отражение наблюдается и при всех углах падения >, что и объясняет название этого угла как предельного.

Явление полного внутреннего отражения широко используется в современной компьютерной технике для организации оптоволоконной связи. Ее основу составляет шнур, собранный из тонких стеклянных нитей (волокон), вдоль которых свет распространяется с небольшими потерями из-за его малого поглощения. Покинуть волокно через боковую поверхность свет не может.

5.5. Линзы. Построение изображения в линзе

1. На рис. 22 представлены простейшие профили стеклянных линз: плоско-выпуклая, двояковыпуклая (рис. 22,б), плоско-вогнутая (рис. 22,в) и двояковогнутая (рис. 22,г). Первые две из них в воздухе являются собирающими линзами, а вторые две – рассеивающими. Эти названия связаны с тем, что в собирающей линзе луч, преломляясь, отклоняется в сторону оптической оси, а в рассеивающей наоборот.

2. Лучи, идущие параллельно главной оптической оси, отклоняются за собирающей линзой (рис. 23,а) так, что собираются в точке, называемой фокусом. В рассеивающей линзе лучи, идущие параллельно главной оптической оси, отклоняются так, что в фокусе, находящемся со стороны падающих лучей, собираются их продолжения (рис. 23,б). Расстояние до фокусов с одной и другой стороны тонкой линзы одинаково и не зависит от профиля правой и левой поверхностей линзы.

Рис. 22. Плоско-выпуклая (а), двояковыпуклая (б), плоско-вогнутая (в) и двояковогнутая (г) линзы.

Рис. 23. Ход лучей, идущих параллельно главной оптической оси, в собирающей (а) и рассеивающей (б) линзах.

3. Луч, идущий через центр линзы (рис. 24,а – собирающая линза, рис. 24,б – рассеивающая линза), не преломляется.

Рис. 24. Ход лучей, идущих через оптический центр О, в собирающей (а) и рассеивающей (б) линзах.

4. Лучи, идущие параллельно друг другу, но не параллельно главной оптической оси, пересекаются в точке (побочном фокусе) на фокальной плоскости, которая проходит через фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси (рис. 25,а – собирающая линза, рис. 25,б – рассеивающая линза).

Рис. 25. Ход параллельных пучков лучей в собирающей (а) и рассеивающей (б) линзах.

5. Фокусное расстояние – расстояние от центра линзы до фокуса – зависит только от относительного показателя преломленияматериала линзы и среды и радиусов кривизны сфер, ограничивающих поверхность линзы. Например, для двояковыпуклой собирающей линзы, ограниченной сферами с радиусамии,

.

При построении (рис. 26) изображения какой-либо точки (например, кончика стрелки) с помощью собирающей линзы, из этой точки выпускают два луча: параллельно главной оптической оси и через центр O линзы.

Рис. 26. Построение изображений в собирающей линзе

В зависимости от расстояния от стрелки до линзы можно получить четыре типа изображения, характеристики которых описаны в таблице 2. При построении изображения отрезка, перпендикулярного главной оптической оси, его изображение оказывается также отрезком, перпендикулярным главной оптической оси.

В случае рассеивающей линзы изображение предмета может получиться только одного типа – мнимое, уменьшенное, прямое. В этом легко убедиться, проведя аналогичные построения конца стрелки с помощью двух лучей (рис. 27).

Таблица 2

Расстояние от предмета до линзы	Характеристика изображения
0 <<	Мнимое, увеличенное, прямое
<< 2	Действительное, увеличенное, перевернутое
= 2	Действительное, в натуральную величину, перевернутое
> 2	Действительное, уменьшенное, перевернутое

Рис. 27. Построение изображений в рассеивающей линзе