Глава 5. Применение законов оптики в физических измерениях.

5.1.Законы оптики

Оптика – раздел физики изучающая свет. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитных излучений. Классическая оптика делится на две главные ветви: геометрическая оптика и физическая (волновая) оптика. Геометрическая оптика, раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света на основе представлений о световых лучах. «Луч» в геометрической оптике — абстрактный геометрический объект, перпендикулярный фронту импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика описывает правила прохождения лучей через оптическую систему и позволяют создать упрощённую, но в большинстве случаев достаточно точную теорию оптических систем. Законы геометрической оптики применимы, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, т.е. можно пренебречь расходимостью пучка света

В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпирических законов:

1. Закон прямолинейного распространения света

2. Закон независимого распространения лучей

3. Закон отражения света

4. Закон преломления света (Закон Снелла)

5. Закон обратимости светового луча. Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

С помощью геометрической оптики рассчитываются оптические приборы. Одним из основных элементов оптических приборов является линза. Геометрическая оптика не в состоянии объяснить много важных оптических эффектов, например дифракцию и поляризацию. Волновая теория, рассматривает свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. Рис. 5.1 дает представление о построениях Гюйгенса для определения направления распространения волны, преломленной на границе двух прозрачных сред.

На границу двух сред падает плоская волна под углом φ к поверхности. Левая часть волны распространяется в более плотной среде со скоростью V₂, тогда как правая часть волны распространяется в среде 1 со скоростью V1. За одно и тоже время в более плотной среде волна распространится на меньшее расстояние (длина волны среде 2 меньше чем в среде 1). Соединив точки волны, находящиеся в одной и той же фазе, мы получим новый фронт волны, а перпендикуляр к нему – направление распространения волны в среде 2. Таким образом, преломление на границе двух сред объясняется разной скоростью распространения света в различных средах, а отношение показателей преломления обратно пропорционально отношению скоростей света в этих средах .

Дифракция света - явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.

Интерференция света — явление взаимного усиления или ослабления света до полной темноты (гашения) при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний. Интерференция возникает, когда два когерентных источника света, т.е. испускающие полностью однородные лучи света с постоянной разностью фаз, расположены очень близко друг от друга. Два источника света не дают когерентных волн. Поэтому для создания таких источников используют разделение волнового фронта одного источника на два.