Прямолинейное распространение, отражение и преломление света

Отражение волн.

Угол падения, угол отражения

Закон отражения волн исходя из принципа Гюйгенса

Обратимость светового луча.

Зеркальное и диффузное отражение

Преломление волны

Закон преломления волн исходя из принципа Гюйгенса

Абсолютный показатель преломления среды

Оптическая плотность среды

Закон преломления волн через показатели преломления сред

Полное внутреннее отражение (см.ниже)

Если размеры светящегося тела намного меньше расстояния, на котором мы оцениваем его действие, и его размерами можно пренебречь, то светящееся тело называется точечным источником.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об этом свиде­тельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света.

Прямая, указывающая направление распространения света, называется световым лучом.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.

На границе двух сред свет может частично отразиться и распространяться в первой среде по новому направлению, а также частично пройти через границу и распространиться во второй среде.

Изменение направления распространения волны может происходить при отражении от границы раздела двух сред. Найти количественно это изменение позволяет принцип Гюйгенса.

Рассмотрим процесс возникновения отраженной волны при падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред.

Угол падения волны – угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения.

Падающая под углом волна достигает различных точек границы раздела двух сред в разные моменты времени. Вторичные волны от точек падения волны (согласно принципу Гюйгенса) начинают излучаться по мере достижения падающей волной границы раздела сред.

Фронт отраженной волны является плоской поверхностью, касательной к сферическим фронтам вторичных волн.

В момент, когда точка В фронта падающей волны попадает в точку В’, вторичное излучение от точки А распространяется на расстояние vt. Положение фронта отраженной волны в этот момент определяется плоскостью, проходящей через A’ и B’.

AB’A’ = BAB’ или  = 

Отраженные лучи из точек А и В’ составляют с перпендикулярами к границе раздела O₁A и O₂B’ тот же угол .

Угол отражения волны – угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.

Закон отражения волн, полученный с помощью принципа Гюйгенса:

Угол отражения равен углу падения.

Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения к отражающей поверхности, лежат в одной плоскости.

Важным свойством лучей является их обратимость.

Если пустить падающий луч в направлении отраженного, то он отразиться в направлении падающего.

Закон зеркального отражения справедлив для идеально плоской поверхности.

Зеркальное отражение изменяет направление распространения плоского фронта волны, не изменяя его формы.

В случае неровной поверхности возникает диффузное отражение. Параллельный пучок падающих лучей не преобразуется в параллельный пучок отраженных лучей. При этом в каждой отдельной точке поверхности справедлив закон отражения волн.

Преломление волн

На границе раздела двух сред свет, падающий из первой среды, отражается в нее обратно. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред. При этом, как правило, он меняет направление распространения или испытывает преломление.

Преломление – изменение направления распространения волны при прохождении из одно среды в другую.

Преломление волн при переходе из одной среды в другую вызвано тем, что скорости распространения волн в этих средах различны.

Выведем закон преломления с помощью принципа Гюйгенса. Обозначим скорость волны в первой среде v₁, во второй – v₂.

Рассмотрим возникновение преломленной волны, прошедшей во вторую среду, при падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред.

Фронт падающей волны образует с поверхностью раздела угол . Такой же угол падения волны. В момент, когда точка В фронта волны попадает в точку В’ (BB’ = v₁t) , вторичное излучение от точки А распространиться на AA’ = v₂t

Огибающей фронтов вторичных волн является плоский фронт A’B’ преломленной волны.

Проведем преломленные лучи в точках A’ и В’ перпендикулярно фронту A’B’, составляющие с перпендикулярами к границе раздела угол .

Угол преломления – угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным в точке падения.

В AA’B’ AB’A’ =  как углы с соответственно перпендикулярными сторонами. Приравнивая выражения для гипотенузы АВ, общей для AA’B’ и ABB”:

=

Закон преломления волн:

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть вели­чина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости волн в первой среде к скорости волн во второй среде и называется показателем преломле­ния второй среды относительно первой:

n = = .

Величина n называется показателем преломления.

Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения лежат в одной плоскости.

Физической величиной, характеризующей уменьшение скорости распространения света в среде по сравнению со скоростью света в вакууме, является абсолютный показатель преломления среды.

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды:

Абсолютный показатель преломления среды – физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде:

n =

Абсолютный показатель преломления среды показывает во сколько раз скорость распространения света в данной точке меньше, чем скорость света в вакууме:

v =

Для любой среды n > 1.

Чем больше абсолютный показатель преломления среды, тем меньше скорость распространения света в ней.

При сравнении абсолютных показателей двух сред используют понятие оптической плотности среды.

Оптически более плотная среда – среда с большим показателем преломления.

Закон преломления через абсолютные показатели преломления сред:

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению абсолютных показателей преломления второй среды к первой:

=

Если луч света падает из оптически менее плотной среды (n₁< n₂), то угол преломления оказывается меньше угла падения ( < )

ЛУЧ

См.выше «Прямолинейное распространение, отражение и преломление света»