Раздел IV. Оптика Основные понятия и уравнения оптики

Оптика – это раздел физики, изучающий природу света, закономерности его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.

Свет является электромагнитной волной и ему присущи все свойства электромагнитных волн, перечислим основные из них:

1) Свет распространяется с конечной скоростью, которая зависит от электрических и магнитных свойств среды (– диэлектрическая проницаемость, μ – магнитная проницаемость),

где с – скорость света в вакууме,- абсолютный показатель преломления среды.

2) Световые волны являются поперечными, то есть, колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей (и, соответственно) происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Модули векторовисвязаны между собой соотношением:

.

3) Световые волны переносят энергию. Плотность энергии электромагнитного поля в вакууме: .

Поток энергии через площадку S: .

(ватт). Плотность потока энергии (то есть, поток, падающий на единицу площади): .

Среднее значение плотности потока энергии – интенсивность

.

Основные световые характеристики. Фотометрия

Раздел оптики, изучающий световые характеристики, называется фотометрией.

Световой поток Ф_св– это поток, оцениваемый по зрительному ощущению. Он связан с энергетическим потоком,

где 1/А=683 лм/Вт, ν(λ) - функция видности (при λ=555 мкм ν(λ) = 1) (рис.4.1). Например, ν(λ) = 0,5 означает, что для получения зрительного ощущения такой интенсивности свет данной длины волны должен иметь плотность энергии в два раза большую, чем свет для которого ν(λ) = 1.

Сила света – это величина светового потока dФ_св, приходящаяся на единицу телесного углаdΩ:,

где(рис.4.2). Единица измерения в СИ,.

Освещенность – отношение светового потока, падающего на площадку, к ее площади

.

Единица измерения в СИ: .

Яркость – это световой поток, посылаемый в определенном направлении единицей поверхности в единицу телесного угла

.

Единица измерения в СИ:

Светимость – отношение светового потока, излучаемого участком поверхности, к его площади .

Единица измерения в СИ:.

Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика рассматривает распространение независимых друг от друга световых лучей в однородной среде и на границах сред с разными оптическими свойствами, не затрагивая изучение природы света.

В основе геометрической оптики лежит принцип Ферма: свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время – ,

где δ – оптическая длина пути, n- показатель преломления среды, в которой происходит распространение света,L– геометрическая длина пути.

Закон прямолинейного распространения – в однородной и изотропной среде свет распространяется прямолинейно.

Закон независимости световых лучей – изображение, полученное световыми лучами, идущими от предмета, не зависит от световых лучей, идущих от других предметов.

Закон отражения света – отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точку падения; угол отражения равен углу падения  = ’ (рис.4.3 а, лучи 1 и 2).

Закон преломления света – преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точку падения;отношение синуса угла падения к синусу угла преломления величина постоянная для данных веществ(рис.4.3 а, лучи 1 и 3).n₁₂– относительный показатель преломления второй среды по отношению к первому.

При переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления β будет больше угла падения и может достигнуть значения, то есть, преломленный луч пойдет вдоль границы раздела сред (рис. 4.3 б, луч 2), при условии:. При дальнейшем увеличении угла падениясвет будет полностью возвращаться в первую среду (отражаться) (рис. 4.3 б, лучи 1΄ и 2΄). Это явление называется полным внутренним отражением.