Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика

Законы геометрической оптики

Некоторыеоптические законы были уже известны доустановления природы света. Основугеометрической оптики образуют четырезакона: 1) закон прямолинейногораспространения света; 2) законнезависимости световых лучей; 3) законотражения света; 4) закон преломлениясвета.

Законпрямолинейного распространения света:свет в оптически однородной средераспространяется прямолинейно. Этотзакон является приближенным, так какпри прохождении света через очень малыеотверстия наблюдаются отклонения отпрямолинейности, тем большие, чем меньшеотверстие.

Законнезависимости световых пучков:эффект, производимый отдельным пучком,не зависит от того, действуют лиодновременно остальные пучки или ониустранены. Пересечения лучей не мешаюткаждому из них распространятьсянезависимо друг от друга.

Разбиваясветовой пучок на отдельные световыепучки, можно показать, что действиевыделенных световых пучков независимо. Этот закон справедлив лишь при неслишком больших интенсивностях света.

При интенсивностях, достигаемых спомощью лазеров, независимость световыхлучей перестает соблюдаться.

Законотражения:отраженный от границы раздела двух средлуч лежит в одной плоскости с падающимлучом и перпендикуляром, проведеннымк границе раздела в точке падения; уголотражения равен углу падения.

Законпреломления:луч падающий, луч преломленный иперпендикуляр, проведенный к границераздела в точке падения, лежат в однойплоскости; отношение синуса угла паденияк синусу угла преломления есть величинапостоянная для данных сред

sini1/sini2= n12= n2/n1, очевидно sini1/sini2= V1/V2, (1)

гдеn12– относительныйпоказатель преломлениявторой среды относительно первой.Относительный показатель преломлениядвух сред равен отношению их абсолютныхпоказателей преломления n12= n2/n1.

Абсолютнымпоказателем преломления среды наз.величина n,равная отношению скорости С электромагнитныхволн в вакууме к их фазовой скорости Vв среде:

n= С/ V.

Средас большим оптическим показателемпреломления наз. оптически более плотной.

Изсимметрии выражения (1) вытекаетобратимостьсветовых лучей,сущность которой состоит в том, что еслинаправить световой луч из второй средыв первую под углом i2,то преломленный луч в первой средевыйдет под углом i1.

При переходе света из оптически менееплотной среды в более плотную получается,что sini1> sini2,т.е. угол преломления меньше угла падениясвета, и наоборот.

В последнем случаепри увеличении угла падения уголпреломления увеличивается в большеймере, так что при некотором предельномугле падения iпругол преломления становится равнымπ/2. С помощью закона преломления можнорассчитать значение предельного углападения:

siniпр/sin(π/2)= n2/n1, откуда iпр= arcsin n2/n1. (2)

Вэтом предельном случае преломленныйлуч скользит по границе раздела сред.При углах падения i>iпрсвет не проникает в глубь оптическименее плотной среды, имеет место явлениеполноговнутреннего отражения.Угол iпрназывается предельнымуглом полноговнутреннего отражения.

Явлениеполноговнутреннего отражения используетсяв призмах полного отражения, которыеприменяются в оптических приборах:биноклях, перископах, рефрактометрах(приборах, позволяющих определятьоптические показатели преломления), всветоводах, представляющих собой тонкие,гнущиеся нити (волокна) из оптическипрозрачного материала.

Свет, падающийна торец световода под углами, большимипредельного, претерпевает на границераздела сердцевины и оболочки полноевнутреннее отражение и распространяетсятолько по световедущей жиле. С помощьюсветоводов можно как угодно искривлятьпуть светового пучка. Для передачиизображений используются многожильныесветоводы.

Рассказать о применениисветоводов.

Дляобъяснения закона преломления иискривления лучей при прохождении ихчерез оптически неоднородные средывводится понятие оптическойдлины пути луча

L= nS или L= ∫ndS,

соответственнодля однородной и неоднородной сред.

В1660 году французский математик и физикП. Ферма установил принципэкстремальности(принцип Ферма) для оптической длиныпути луча, распространяющегося внеоднородных прозрачных средах:оптическая длина пути луча в среде междудвумя заданными точками минимальна,или другими словами, светраспространяется по такому пути,оптическая длина которого минимальна.

Фотометрическиевеличины и их единицы. Фотометрия – раздел физики, занимающийсявопросами измерения интенсивностисвета и его источников. 1.Энергетическиевеличины:

ПотокизлученияФе– величина, численно равная отношениюэнергии Wизлучения ко времени t, за котороеизлучение произошло:

Фе= W/t, ватт (Вт).

Энергетическаясветимость(излучательность) Rе– величина, равная отношению потокаизлучения Фе, испускаемого поверхностью, к площадиS сечения, сквозь которое этот потокпроходит:

Rе= Фе/ S, (Вт/м2)

т.е.представляет собой поверхностнуюплотность потока излучения.

Энергетическаясила света (сила излучения) Ieопределяетсяс помощью понятия о точечном источникесвета – источнике, размерами которогопо сравнению с расстоянием до местанаблюдения можно пренебречь. Энергетическаясила света Ieвеличина,равная отношению потока излучения Фе источника к телесному углу ω, в пределахкоторого это излучение распространяется:

Ie= Фе/ω, (Вт/ср)- ватт на стерадиан.

Силасвета часто зависит от направленияизлучения. Если она не зависит отнаправления излучения, то такой источникназывается изотропным.Для изотропного источника сила светаравна

Ie= Фе/4π.

Вслучае протяженного источника можноговорить о силе света элемента егоповерхности dS.

Энергетическаяяркость (лучистость)Ве– величина, равная отношению энергетическойсилы света ΔIeэлемента излучающей поверхности кплощади ΔSпроекции этого элемента на плоскость,перпендикулярную направлению наблюдения:

Ве= ΔIe/ ΔS. (Вт/ср.м2)

Энергетическая освещенность(облученность) Ее характеризует степень освещенностиповерхности и равна величине потокаизлучения, падающего на единицу освещаемойповерхности. (Вт/м2.

2.Световыевеличины.При оптических измерениях пользуютсяразличными приемниками излучения,спектральные характеристикичувствительности которых к светуразличных длин волн различны. Относительнаяспектральная чувствительностьчеловеческого глаза V(λ)приведена на рис. V(λ)

1,0

0,5

0

400 555 700 λ, нм

Поэтомусветовые измерения, являясь субъективными,отличаются от объективных, энергетическихи для них вводятся световые единицы,используемые только для видимого света.

Основной световой единицей в СИ являетсясила света – кандела(кд), которая равна силе света в заданномнаправлении источника, испускающегомонохроматическое излучение частотой540·1012Гц, энергетическая сила света которогов этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Определениесветовых единиц аналогично энергетическим.Для измерения световых величин используютспециальные приборы – фотометры.

Световойпоток.Единицей светового потока являетсялюмен(лм). Он равен световому потоку, излучаемомуизотропным источником света с силой в1 кд в пределах телесного угла в одинстерадиан (при равномерности поляизлучения внутри телесного угла):

1лм = 1 кд·1ср.

Опытнымпутем установлено, что световому потокув 1 лм, образованному излучением с длинойволны λ = 555 нм соответствует потокэнергии в 0,00146 Вт. Световому потоку в 1лм, образованному излучением с другойλ, соответствует поток энергии

Фе= 0,00146/V(λ), Вт.

1лм = 0,00146 Вт.

ОсвещенностьЕ — величина, раная отношению световогопотока Ф, падающего на поверхность, кплощади S этой поверхности:

Е= Ф/S, люкс (лк).

1лк – освещенность поверхности, на 1 м2которой падает световой поток в 1 лм(1лк = 1 лм/м2).

ЯркостьRC(светимость) светящейся поверхности внекотором направлении φ есть величина,равная отношению силы света I в этомнаправлении к площади S проекциисветящейся поверхности на плоскость,перпендикулярную данному направлению:

RC= I/(Scosφ). (кд/м2).

Источник: https://studfile.net/preview/5240137/page:8/

Законы геометрической оптики

Законы геометрической оптики

Оптические исследования проводились еще в древние времена. Эмпирически были получены четыре основных закона этой части знаний:

  • Закон, в соответствии с которым считается, что свет распространяется вдоль прямой линии.
  • Закон устанавливающий, что разные пучки света ведут себя независимо друг от друга.
  • Закон, описывающий характер отражения света от зеркальных поверхностей.
  • Закон, характеризующий процесс преломления лучей света при переходе через границу двух прозрачных веществ.

Замечание 1

Перечисленные выше законы называют основными законами геометрической (лучевой) оптики.

Исследование законов геометрической оптики показало:

  • что их смысл достаточно глубок, нежели можно предположить с первого взгляда;
  • их использование ограничено. Это приближенные законы.

Определение условий и рамок, при которых можно без потери точности применять основные законы лучевой оптики, стало значимым прогрессом в изучении природы света.

Закон прямолинейного распространения света

Если луч распространяется в однородном веществе, то он следует по прямой линии.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Данный закон можно встретить в сочинениях Евклида (три века до нашей эры). Считается, что эмпирически он доказывается наличием теней с резкими границами, которые создают точечные источники света, если они освещают непрозрачные тела.

Определение 1

Точечным считают источник света, если его размеры много меньше, чем расстояние до объекта, который он освещает.

Если соотнести контур освещаемого предмета и его тень, полученную с помощью точечного источника света, то можно увидеть, что их размеры соотносятся так же, как при проектировании в геометрии прямыми линиями (рис.1).

Рисунок 1. Закон прямолинейного распространения света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассматриваемый нами закон имел большое значение, так как считается, что само понятие о прямой линии появилось из оптических представлений. Определение прямой линии, как о самом коротком пути между парой точек в геометрии, и есть представление о линии, по которой следует свет при отсутствии оптических неоднородностей.

Дальнейшее изучение оптических явлений показало, что закон о прямолинейном распространении света не работает, если преграды (или отверстия) на пути его следования становятся очень малыми. Отступление от закона о котором мы говорим изучают при рассмотрении явления дифракции в волновой оптике.

Закон о независимости пучков света

Большой поток света можно разделить на малые световые пучки. Для этого применяют, например, диафрагмы. Результат действия полученных пучков является независимым друг от друга. Например, в объектив фотокамеры попадает свет от большой картинки, если мы закроем доступ некоторым из пучков света, мы не изменим изображения, которое получается от оставшихся пучков.

Глубже содержание данного закона раскрывается в принципе суперпозиции, применяемом при описании явления интерференции света.

Закон отражения света

Допустим, что луч света падает на поверхность способную отражать (рис.2). Тогда рассматриваемый луч (1), перпендикуляр к поверхности (2) и отраженный луч (3) находятся в одной плоскости (рис.2).

Рисунок 2. Закон отражения света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Угол падения ($\alpha{}$ ) равен углу отражения ($\beta{}$):

$\alpha{}=\beta{}\left(1\right).$

Данный закон тоже упоминался в работе Евклида. Установлен от был тогда, когда начали применять полированные металлические поверхности в качестве зеркал.

Закон преломления света

Луч света, следующий к границе раздела, перпендикуляр к ней и луч, проходящий в новую среду (так называемый преломленный луч) находятся в единой плоскости. При этом угол падения ($\alpha{}$) и угол преломления ($\gamma{}$) связывает соотношение:

$\frac{\sin{\alpha{}}}{\sin{\gamma{}}}=n_{21}\left(2\right),$

где $n_{21}=\frac{n_2}{n_1} (3)$ – неизменная величина, которая не зависит от углов падения и преломления, называемая показателем преломления второй среды относительно первой. $n_{21}$ — определен свойствами обоих веществ, сквозь границу которых следует луч света. $n_{21}$ зависит от цвета луча (длины волны).

Рисунок 3. Закон преломления света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

О явлении преломления говорил еще Аристотель около 350 лет до нашей эры. Количественную связь между углами падения и преломления пытался установить известный астроном Птолемей (около 120 г. нашей эры). Птолемей проводил измерения углов падения и преломления.

Его измерения были очень точными. Ученый принимал во внимание то, что атмосфера оказывает влияние на то, как видится положение звезд, он даже создал таблицы рефракции. Но Птолемей имел дело с очень малыми углами, что ввело его в заблуждение.

В результате Птолемей решил, что угол падения пропорционален углу преломления.

Существенно позднее (примерно в 1000 г) арабский исследователь Альгазен увидел, что отношение угла падения к углу преломления величина переменная, но окончательной верной формулировки закона сделать не смог.

Считают, что верная формулировка закона преломления была дана Снеллием (или иначе Снеллиусом) в середине XVI века в его неопубликованной работе. Снеллий писал о том, что отношение косекансов углов падения и преломления величина постоянная. И только Декарт дал привычную нам формулу закона преломления в своем труде «Диоптрика» в 1637 г. Знал ли Декарт о работах Снеллия не известно.

Законы отражения и преломления имеют ограничения в применении. Так, если размер отражающей поверхности или границы двух веществ является малым, то имеются значимые нарушения данных законов в виду существования явления дифракции.

Кроме дифракции на законы геометрической оптики накладывают ограничения нелинейные оптические явления, которые проявляются при больших интенсивностях пучков света.

Отметим, что для широкого спектра процессов, происходящих в обычных оптических приборах законы лучевой оптики можно считать верными с высокой точностью. Данные законы используются в разделе оптики, который посвящён теории оптических инструментов.

Первым этапом учения о свете был этап формулирования законов геометрической оптики, их применения. Эти законы стали теоретической основой геометрической оптики.

Законы геометрической оптики были установлены очень давно, но взгляды на них изменялись всю дальнейшую историю развития оптики как науки.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/zakony_geometricheskoy_optiki/

Основные законы оптики

Законы геометрической оптики

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следующие четыре основных закона оптических явлений:

1. Закон прямолинейного распространения света.

2. Закон независимости световых пучков.

3. Закон отражения света от зеркальной поверхности.

4. Закон преломления света на границе двух прозрачных сред, дальнейшее изучение этих законов показало, во-первых, что они

имеют гораздо более глубокий смысл, чем может казаться с первого взгляда, и, во-вторых, что их применение ограничено, и они являются лишь приближенными законами. Установление условий и границ при­менимости основных оптических законов означало важный прогресс в исследовании природы света.

Сущность этих законов сводится к следующему.

1. Закон прямолинейного распространения света. В однородной среде свет распространяется по прямым линиям. Закон этот встречается в со­чинении по оптике, приписывае­мом Евклиду (300 лет до нашей эры) и, вероятно, был известен и применялся гораздо раньше.

Опытным доказательством этого закона могут служить наблюдения над резкими те­нями, даваемыми точечными источниками света, или получе­ние изображений при помощи малых отверстий. Соотношение между контуром предмета и его тенью при освещении точечным источником (т.е.

источником, размеры которого очень малы по сравнению с расстоянием до предмета) соответствует геометрическому проецированию при помощи прямых линий (рис. 1.1). Аналогично рис. 1.

2 иллюстрирует получение изображения при помощи малого отверстия, причем фор­ма и размер изображения показывают, что проецирование происходит при помощи прямолинейных лучей.

Закон прямолинейного распространения может считаться прочно установленным на опыте. Он имеет весьма глубокий смысл, ибо само понятие о прямой линии, по-видимому, возникло из оптических на­блюдений.

Геометрическое понятие прямой как линии, представляю­щей кратчайшее расстояние между двумя точками, есть понятие о линии, по которой распространяется свет в однородной среде.

От­сюда берет начало практикуемый с незапамятных времен контроль прямолинейности лекала или изделия по лучу зрения.

Детальное исследование описываемых явлений показывает, что закон прямолинейного распространения света теряет силу, если мы переходим к очень малым отверстиям. Так, в опыте, изображен­ном на рис. 1.

2, мы получим хорошее изображение при размере от­верстия около 0,5 мм; изображение будет очень несовершенным при отверстии 0,02-0,03 мм. Изображения совсем не получится и экран бу­дет освещен практически равномерно при размерах отверстия около 0,5-1 мкм.

Отступления от закона прямолинейного распространения света рассматриваются в учении о дифракции.

2. Закон независимости световых пучков. Све­товой поток можно разбить на отдельные световые пучки, выделяя их, например, при помощи диафрагм. Действие этих выделенных све­товых пучков оказывается независимым, т.е.

эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно другие пучки или они устранены.

Так, если на объектив фотоаппарата падает свет от обширного ландшафта, то, за­гораживая доступ части световых пучков, мы не изменяем изображения, даваемого осталь­ными.

Более глубокое содержание этого закона выясняется в явлениях интерференции света

3. Закон отражения света. Луч падающий, нормаль к отражающей по­верхности и луч отраженный лежат в одной плоскости (рис. 1.3), причем углы между лучами и нормалью равны между собой: угол падения i равен углу отражения i`. Этот закон также упоминается в сочинении Евклида.

Установление его связано с употреблением полированных металли­ческих поверхностей (зеркал), известных уже в очень отдаленную эпоху.

4. Закон преломления света. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела. Угол падения i и угол преломления r (рис. 1.4) связаны соотношением

где п — постоянная, не зависящая от углов i и r. Величина п — показатель преломле­ния, определяется свойствами обеих сред, че­рез границу раздела которых проходит свет, и зависит также от цвета лучей.

Явление преломления света было извест­но уже Аристотелю (350 лет до нашей эры). Попытка установить количественный закон принадлежит знаменитому астроному Птолемею, который предпринял измерение углов паде­ния и преломления. Приводимые им данные измерений весьма точны.

Птолемей учитывал влияние преломления в атмосфере на видимое по­ложение светил (атмосферная рефракция) и даже составил таблицы рефракции. Однако измерения Птолемея относились к сравнительно небольшим углам, и поэтому он пришел к неправильному заключе­нию о пропорциональности угла преломления углу падения. Значи­тельно позже (около 1000 г.

) арабский оптик Альгазен (Альхайтам) обнаружил, что отношение углов падения и преломления не остается постоянным, но правильного выражения закона дать не смог.

Пра­вильная формулировка закона преломления принадлежит Снеллию (1591-1626), указавшему в сочинении, оставшемся неопубликованным, что отношение косекансов углов падения и преломления остается по­стоянным, и Декарту, давшему в своей «Диоптрике» (1637 г. современную формулировку закона преломления. Декарт установил свои закон около 1630 г.; были ли ему известны исследования Снеллия — неясно.

Закон отражения и закон преломления также справедливы лишь при соблюдении известных условий. В том случае, когда размер отра­жающего зеркала или поверхности, разделяющей две среды, мал, мы наблюдаем заметные отступления от указанных выше законов (см. главы, посвященные дифракции).

Помимо дифракционных явлений, основные законы, обсуждав­шиеся выше, могут нарушаться и в случае нелинейных явлений, на­блюдаемых при достаточно больших значениях интенсивности свето­вых пучков.

Однако для обширной области явлений, наблюдаемых в обыч­ных оптических приборах, все перечисленные законы соблюдаются достаточно строго.

Поэтому в весьма важном практически разделе оптики — учении об оптических инструментах — эти законы могут считаться вполне применимыми.

Весь первый этап учения о свете стоял в исследованиях, относящихся к установлению этих законов, и в их применении, т.е. закладывал основы геометрической или лучевой, оптики.

Основное свойство света — прямолинейное распространение, — по-видимому, заставило Ньютона держаться теории ис­течения световых частиц, летящих прямолинейно, согласно законам механики (закон инерции).

Громадные успехи, достигнутые Ньюто­ном в механике, оказали коренное влияние на его взгляды на опти­ческие явления. Отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика при ударе о плоскость.

Преломление Ньютон объяснял, так же как и Декарт, притя­жением световых частиц преломляющей средой, благодаря чему ме­няется скорость световых частиц при переходе из первой среды во вторую.

Данная теория вкладывает определенный физический смысл в показатель преломления: п есть отношение скоростей световых частиц во второй и первой средах, причем скорость света в оптически более плотной среде оказывается большей, чем в менее плотной.

Во времена Ньютона еще не были сделаны прямые измерения ско­рости света в разных средах. Поэтому полученный вывод не мог быть проверен непосредственно. Впоследствии такие измерения были вы­полнены (Фуко, 1850 г.

) и показали, что скорость света в плотных средах (вода, например) меньше, чем скорость света в воздухе, тог­да как показатель преломления при переходе света из воздуха в воду равен 1,33, т.е. больше единицы.

Таким образом, ньютоново толкова­ние показателя преломления оказывается неправильным.

В эпоху Ньютона было выполнено определение скорости, с которой свет распространяется в межпланетном пространстве (Рёмер, 1676 г.). Это определение дало величину около 300 000 км/с.

Такое огромное значение скорости распространения света делало для многих совре­менников Ньютона неприемлемым его представление о свете, ибо ка­залось затруднительным допустить наличие частиц, несущихся с та­кой скоростью.

Современник Ньютона Гюйгенс выступил с другой теорией света «Трактат о свете», написан в 1678 г., издан в 1690 г.).

Он исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явления­ми и полагал, что световое возбуждение следует рассматривать как упругие импульсы, распространяющиеся в особой среде — в эфире, заполняющем все пространство как внутри материальных тел, так и между ними.

Огромная скорость распространения света обусловлива­ется свойствами эфира (его упругостью и плотностью) и не предпо­лагает быстрых перемещений частиц эфира. Из наблюдений над распространением волн по поверхности воды было известно, что сравни­тельно медленные движения частиц вверх и вниз могут давать начало волнам, быстро распространяющимся по поверхности воды.

Хотя Гюйгенс и говорил о световых волнах, он не вкладывал в это понятие того содержания, которое оно получило позже и которое принято теперь.

Также он не предполагал периодичности в световых явлениях и поэтому не пользовался понятием длины волны, полагая, что свет распространяется прямолинейно, сколь бы малым не было отверстие, через которое он проходит, ибо «отверстие это всегда достаточно велико, чтобы заключить большое количество непостижимо малых частиц эфирной материи».

Из идей Гюйгенса наибольшую ценность представляет общий принцип, носящий его имя и выдвинутый им как прием для отыска­ния направления распространения световых импульсов. При помощи этого принципа Гюйгенс объяснял не только обычные законы отра­жения и преломления, но даже явления двойного лучепреломления в исландском шпате, открытые в 1670 г. Бартолинусом.

Принцип Гюйгенса можно сформулировать следующим образом:

Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, явля­ется в свою очередь центром вторичных волн; поверхность, огибаю­щая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распростра­няющейся волны.

В течение всего XVIII века корпускулярная теория света (тео­рия истечения) занимала господствующее положение в науке, одна­ко острая борьба между этой и волновой теориями света не прекра­щалась.

Убежденными противниками теории истечения были Эйлер «Новая теория света и цветов», 1746 г.) и Ломоносов («Слово о про­исхождении света, новую теорию о цветах представляющее», 1756 г.

): они оба отстаивали и развивали представление о свете как о волнооб­разных колебаниях эфира.

В начале XIX века стала складываться последовательно развитая система волновой оптики. Главную роль при этом сыграли труды Юн­га и Френеля. Френель (1815 г.) уточнил принцип Гюйгенса, дополнив его принципом интерференции Юнга, с помощью которого этот последний дал в 1801 г.

удовлетворительное толкование окраски тонких пластинок, наблюдаемых в отраженном свете. Принцип Гюйгенса-Френеля не только вполне удовлетворительно объяснил прямолиней­ное распространение света, но и позволил разрешить вопрос о распре­делении интенсивности света при прохождении света мимо препят­ствий, т.е.

рассмотреть явления дифракции.

В дальнейшем изучение явлений поляризации света и интерферен­ции поляризованных лучей (Френель и Араго) позволило установить особенности световых волн, которые были объяснены Юнгом и Фре­нелем при помощи допущения, что световые волны поперечны, т.е. что направления колебаний в них перпендикулярны к направлению распространения.

Основные понятия геометрической оптики:

1. Передовой фронт волны – совокупность наиболее отдаленных от источника точек, до которых дошел процесс распространения волны.

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

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

4. Закон отражения волн: Угол отражения равен углу падения. Падающий луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения к отражающей поверхности, лежат в одной плоскости.

5. Преломление – изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую. Преломление волн при переходе из одной среды в другую вызвано тем, что скорости распространения волн в этих средах различны.

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

7. Закон преломления волн: Отношение синус угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:

sinα/sinβ = v1/v2

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

8. Абсолютный показатель преломления среды – физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: n = c/v. Показывает во сколько раз скорость распространения света в данной среде меньше, чем скорость света в вакууме. Для любой среды n >

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

sinα/sinβ = n2/n1

Прочитать и ответить на вопросы к тексту: (критерии оценки: 11- «оценка 5», 9 – «оценка 4», 7 – «оценка 3»)

1. Какой процесс может быть использован для обнаружения и измерения световой энергии?

2. Укажите, какие действия может оказывать свет, как они проявляются (или как их можно обнаружить).

3. Что такое лазер?

4. Перечислите основные законы геометрической оптики и укажите, в чем они заключаются.

5. Укажите, при каких условиях справедливы и несправедливы те или иные законы геометрической оптики.

6. Укажите основное свойство света.

7. Укажите, на какие подразделы делится раздел физики, который называется «Оптические явления».

8. Укажите модель, которая используется в геометрической оптике.

9. На основании чего было установлено, что свет имеет волновую природу?

10. Сформулируйте принцип Гюйгенса.

11. Запишите основные понятия геометрической оптики. Нарисуйте углы падения, отражения и преломления.

Источник: https://studopedia.su/3_31474_osnovnie-zakoni-optiki.html

Световые лучи

Законы геометрической оптики

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: прямолинейное распространение света.

Мы приступаем к изучению оптики — науки о распространении света. Нас ждут два раздела оптики: сравнительно простая геометрическая оптика и более общая волновая оптика.

Говоря о свете, мы всегда подразумеваем видимый свет, то есть электромагнитные волны в узком частотном диапазоне, непосредственно воспринимаемые человеческим глазом. Как вы помните, длины волн видимого света находятся в промежутке от 380 до 780 нм.

С точки зрения электродинамики Максвелла распространение света ничем не отличается от распространения других электромагнитных излучений — радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. В этом смысле оптика оказывается просто частью электродинамики.

Но ввиду той колоссальной роли, которую свет играет в жизни человека, оптические явления начали изучаться давным-давно. Все основные законы оптики были установлены задолго до создания электродинамики и открытия электромагнитных волн. И потому с тех давних пор оптика оформилась в самостоятельный раздел физики — со своими специфическими задачами, методами, экспериментами и приборами.

Главным природным источником света служит Солнце, и люди ставили много опытов с солнечными лучами. Отсюда в оптику вошло понятие светового луча. Впоследствии оно получило строгое определение.

Световой луч — это геометрическая линия, которая в каждой своей точке перпендикулярна волновому фронту, проходящему через эту точку. Направление светового луча совпадает с направлением распространения света.

Если данное определение осталось для вас не совсем понятным — ничего страшного: на первых порах вы можете представлять себе просто узкие пучки света наподобие солнечных лучей. Этого вполне хватит, чтобы уяснить все основные вещи и научиться решать задачи. Ну а время строгого определения придёт несколько позже — когда начнётся волновая оптика.

Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика изучает распространение световых лучей. Это исторически первый и наиболее простой раздел оптики. В основе геометрической оптики лежат четыре основных
закона.

1. Закон независимости световых лучей.2. Закон прямолинейного распространения света.3. Закон отражения света.

4. Закон преломления света.

Данные законы были установлены в результате наблюдений за световыми лучами и послужили обобщениями многочисленных опытных фактов. Они являются утверждениями, сформулированными на языке геометрии. Волновая природа света в них не затрагивается.

Законы геометрической оптики первоначально являлись постулатами. Они лишь констатировали: таким вот образом ведёт себя природа. Однако впоследствии оказалось, что законы геометрической оптики могут быть выведены из более фундаментальных законов волновой оптики.

Геометрическая оптика отлично работает, когда длина световой волны много меньше размеров объектов, присутствующих в данной физической ситуации.

Можно сказать, что геометрическая оптика есть предельный случай волновой оптики при .

Неудивительно поэтому, что сначала были открыты законы именно геометрической оптики: ведь размеры предметов, встречающихся нам в повседневной жизни, намного превышают длины волн видимого света.

Первый закон геометрической оптики совсем простой. Он говорит о том, что вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от наличия других лучей.

Закон независимости световых лучей.
Если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.

Закон прямолинейного распространения света также очень прост, и мы его сейчас обсудим. Законам отражения и преломления будут посвящены следующие разделы.

Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями.

Что такое «прозрачная однородная среда»? Среда называется прозрачной, если в ней может распространяться свет. Среда называется однородной, если её свойства не меняются от точки
к точке. Равномерно прогретый воздух, чистая вода, стекло без примесей — всё это примеры прозрачных и оптически однородных сред.

Таким образом, закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной однородной среде понятие светового луча совпадает с понятием луча в геометрии.

Данный закон не требует каких-либо дополнительных пояснений — он хорошо вам известен. Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запылённой комнате через щель в окне. Находясь под водой, можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду.

При нарушении однородности среды нарушается и закон прямолинейного распространения света. Например, на границе раздела двух прозрачных сред световой луч может разделиться на два луча: отражённый и преломлённый.

Если оптические свойства среды меняются от точки к точке, то ход световых лучей искривляется.

В этом состоит причина миражей: слой воздуха вблизи раскалённой земной поверхности нагрет больше, чем вышележащие слои; он имеет иные оптические свойства, и его действие оказывается подобным зеркалу. Обо всём этом мы поговорим позднее.

Геометрическая тень

Вам хорошо известно, что различные предметы отбрасывают тень. На рис. 1 изображён точечный источник света и непрозрачный предмет — красный треугольник. На экране мы видим тень этого предмета в виде серого треугольника.

Откуда берётся тень? Дело в том, что если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, то происходит следующее.

1.Луч, идущий мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении — как если бы данного предмета вообще не было.

2. Луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета. Дальнейший ход такого луча в прежнем направлении пресекается.

Так возникает геометрическая тень, края которой чётко очерчены. Поскольку свет распространяется прямолинейно, форма геометрической тени оказывается подобной контуру предмета. Так, на рис. 1 серый треугольник подобен красному.

Граница реальной тени имеет более сложный вид: вмешивается дифракция света на краях предмета. Дифракция — это отклонение света от первоначального направления; данное явление обусловлено волновой природой света и не описывается в рамках геометрической оптики.

Рис. 1. Геометрическая тень

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/svetovye-luchi/

Booksm
Добавить комментарий