Датируемой примерно 300 до н. э.
Законы отражения. Формулы Френеля
Закон отражения света - устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:
Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики . Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света , он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.
Механизм отражения
При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникает ток, электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.
Виды отражения
Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.
Зеркальное О. с. отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности; 2) угол отражения равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая отражения коэффициентом) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения преломления показателей n2 и n1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды - диэлектрика) выражают формулы Френеля . Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен
(n2 - n1)²/(n2 + n1)²
В очень важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (nвозд " 1,0; nст = 1,5) он составляет " 4 %.
Характер поляризации отражённого света меняется с изменением j и различен для компонент падающего света, поляризованных параллельно (р-компонента) и перпендикулярно (s-компонента) плоскости падения. Под плоскостью поляризации при этом понимается, как обычно, плоскость колебаний электрического вектора световой волны. При углах j, равных так называемому углу Брюстера (см. Брюстера закон), отражённый свет становится полностью поляризованным перпендикулярно плоскости падения (р-составляющая падающего света полностью преломляется в отражающую среду; если эта среда сильно поглощает свет, то преломленная р-составляющая проходит в среде очень малый путь). Эту особенность зеркального О. с. используют в ряде поляризационных приборов. При j, больших угла Брюстера, коэффициент отражения от диэлектриков растет с увеличением j, стремясь в пределе к 1, независимо от поляризации падающего света. При зеркальном О. с., как явствует из формул Френеля, фаза отражённого света в общем случае скачкообразно изменяется. Если j = 0 (свет падает нормально к границе раздела), то при n2 > n1 фаза отражённой волны сдвигается на p, при n2 < n1 - остаётся неизменной. Сдвиг фазы при О. с. в случае j ¹ 0 может быть различен для р- и s-составляющих падающего света в зависимости от того, больше или меньше j угла Брюстера, а также от соотношения n2 и n1. О. с. от поверхности оптически менее плотной среды (n2 < n1) при sin j ³ n2 / n1 является полным внутренним отражением, при котором вся энергия падающего пучка лучей возвращается в 1-ю среду. Зеркальное О. с. от поверхностей сильно отражающих сред (например, металлов) описывается формулами, подобными формулам Френеля, с тем (правда, весьма существенным) изменением, что n2 становится комплексной величиной, мнимая часть которой характеризует поглощение падающего света.
Поглощение в отражающей среде приводит к отсутствию угла Брюстера и более высоким (в сравнении с диэлектриками) значениям коэффициента отражения - даже при нормальном падении он может превышать 90% (именно этим объясняется широкое применение гладких металлических и металлизированных поверхностей в зеркалах).Отличаются и поляризационные характеристики отражённых от поглощающей среды световых волн (вследствие иных сдвигов фаз р- и s-составляющих падающих волн). Характер поляризации отражённого света настолько чувствителен к параметрам отражающей среды, что на этом явлении основаны многочисленные оптические методы исследования металлов (см. Магнитооптика, Металлооптика).
Диффузное О. с. - его рассеивание неровной поверхностью 2-й среды по всем возможным направлениям. Пространственное распределение отражённого потока излучения и его интенсивность различны в разных конкретных случаях и определяются соотношением между l и размерами неровностей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, свойствами отражающей среды. Предельный, строго не выполняющийся в природе случай пространственного распределения диффузно отражённого света описывается Ламберта законом. Диффузное О. с. наблюдается также от сред, внутренняя структура которых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в 1-ю среду. Закономерности диффузного О. с. от таких сред определяются характером процессов однократного и многократного рассеяния света в них. И поглощение, и рассеяние света могут обнаруживать сильную зависимость от l. Результатом этого является изменение спектрального состава диффузно отражённого света, что (при освещении белым светом)визуально воспринимается как окраска тел.
Полное внутреннее отражение
При увеличении угла падения i , угол преломления тоже увеличивается, при этом интенсивность отраженного луча растет, а преломленного - падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При каком-то значении i = i k угол r = π / 2 , интенсивность преломленного луча станет равной нулю, весь свет отразится. При дальнейшем увеличении угла i > i k преломленного луча не будет, происходит полное отражение света.
Значение критического угла падения, при котором начинается полное отражение найдем, положим в законе преломления r = π / 2 , тогда sinr = 1 , значит:
sini k = n 2 / n 1Диффузное рассеяние света
θ i = θ r .
Угол падения равен углу отражения
Принцип действия уголкового отражателя
Wikimedia Foundation . 2010 .
Основные оптические законы были установлены очень давно. Уже в первые периоды оптических исследований экспериментально были открыты четыре основных закона относящихся к оптическим явлениям:
- закон прямолинейного распространения света;
- закон независимости пучков света;
- закон отражения света от зеркальной поверхности;
- закон преломление света на границе двух прозрачных веществ.
Закон отражения упоминается в сочинениях Евклида.
Открытие закона отражения связывают с применением полированных металлических поверхностей (зеркал), которые были известны в древние времена.
Формулировка закона отражения света
Падающий луч света, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух прозрачных сред лежат в одной плоскости (рис.1). При этом угол падения () и угол отражения () равны:
Явление полного отражения света
В том случае, если световая волна распространяется из вещества с большим показателем преломления в среде с меньшим показателем преломления, то угол преломления () будет больше, чем угол падения.
При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления. Это происходит до тех пор, пока при некотором угле падения, который называют предельным (), угол преломления не станет равен 900. Если угол падения больше предельного угла (), то весь падающий свет отражается от границы раздела, явления преломления не происходит. Такое явление называют полным отражением. Угол падения, при котором происходит полное отражение, определено условием:
где — предельный угол полного отражения, — относительный показатель преломления вещества, в котором распространяется преломленный свет, относительно среды, в которой распространялась падающая волна света:
где — абсолютный показатель преломления второй среды, — абсолютный показатель преломления первого вещества; — фазовая скорость распространения света в первой среде; — фазовая скорость распространения света вовтором веществе.
Границы применения закона отражения
Если поверхность границы раздела веществ является не плоской, то ее можно разбить на маленькие площадки, которые в отдельности можно считать плоскими. Тогда ход лучей можно искать по законам преломления и отражения. Однако, кривизна поверхности не должна превышать некоторого предела, после которого наступает дифракция.
Шероховатые поверхности приводят к рассеянному (диффузному) отражению света. Абсолютно зеркальная поверхность становится невидимой. Видны только отраженные от нее лучи.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Два плоских зеркала составляют двугранный угол (рис.2). Падающий луч распространяется в плоскости, которая перпендикулярна ребру двугранного угла. Он отражается от первого, затем второго зеркал. Каким будет угол (),на который отклоняется луч в результате двух отражений?
|
| Решение | Рассмотрим треугольник ABD. Видим, что:
Из рассмотрения треугольника ABCследует то, что: Из полученных формул (1.1) и (1.2) имеем: |
| Ответ |
ПРИМЕР 2
| Задание | Каким должен быть угол падения, при котором отраженный луч составляет угол 900 относительно преломленного луча?Абсолютные показатели преломления веществ равны: и . |
| Решение | Сделаем рисунок. |
Большинство окружающих вас объектов: дома, деревья, ваши одноклассники и т. д. — не являются источниками света. Но вы их видите. Ответ на вопрос «Почему так?» вы найдете в этом параграфе.
Рис. 11.1. При отсутствии источника света невозможно ничего увидеть. Если есть источник света, мы видим не только сам источник, но и предметы, которые отражают свет, идущий от источника
Выясняем, почему мы видим тела, не являющиеся источниками света
Вы уже знаете, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
А что происходит, если на пути пучка света находится какое-то тело? Часть света может пройти сквозь тело, если оно прозрачное, часть поглотится, а часть обязательно отразится от тела. Некоторые отраженные лучи попадут нам в глаза, и мы увидим это тело (рис. 11.1).
Устанавливаем законы отражения света
Чтобы установить законы отражения света, воспользуемся специальным прибором — оптической шайбой*. В центре шайбы закрепим зеркало и направим на него узкий пучок света так, чтобы он давал на поверхности шайбы светлую полосу. Видим, что пучок света, отраженный от зеркала, тоже дает светлую полосу на поверхности шайбы (см. рис. 11.2).
Направление падающего пучка света зададим лучом СО (рис. 11.2). Этот луч называют падающим лучом. Направление отраженного пучка света зададим лучом OK. Этот луч называют отраженным, лучом.
Из точки O падения луча проведем перпендикуляр OB к поверхности зеркала. Обратим внимание на то, что падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр лежат в одной плоскости, — в плоскости поверхности шайбы.
Угол α между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным из точки падения, называют углом падения; угол β между отраженным лучом и данным перпендикуляром называют углом отражения.
Измерив углы α и β, можно убедиться, что они равны.
Если перемещать источник света по краю диска, угол падения светового пучка будет изменяться и соответственно будет изменяться угол отражения, причем каждый раз угол падения и угол отражения света будут равны (рис. 11.3). Итак, мы установили законы отражения света:
Рис. 11.3. С изменением угла падения света изменяется и угол отражения. Угол отражения всегда равен углу падения
Рис. 11.5. Демонстрация обратимости световых лучей: отраженный луч идет по пути падающего луча
рис. 11.6. Подходя к зеркалу, мы видим в нем своего «двойника». Конечно, никакого «двойника» там нет — мы видим в зеркале свое отражение
1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения, проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения: β = α.
Законы отражения света установил древнегреческий ученый Евклид еще в III в. до н. э.
В каком направлении следует повернуть зеркало профессору, чтобы «солнечный зайчик» попал на мальчика (рис. 11.4)?
С помощью зеркала на оптической шайбе можно продемонстрировать также обратимость световых лучей: если падающий луч направить по пути отраженного, то отраженный луч пойдет по пути падающего (рис. 11.5).
Изучаем изображение в плоском зеркале
Рассмотрим, как создается изображение в плоском зеркале (рис. 11.6).
Пусть из точечного источника света S на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света. Из этого пучка выделим лучи SA, SB и SC. Используя законы отражения света, построим отраженные лучи ЛЛ Ъ BB 1 и CC 1 (рис. 11.7, а). Эти лучи пойдут расходящимся пучком. Если продлить их в противоположном направлении (за зеркало), все они пересекутся в одной точке — S 1 , расположенной за зеркалом.
Если часть отраженных от зеркала лучей попадет в ваш глаз, вам будет казаться, что отраженные лучи выходят из точки S 1 , хотя в действительности никакого источника света в точке S 1 нет. Поэтому точку S 1 называют мнимым изображением точки S. Плоское зеркало всегда дает мнимое изображение.
Выясним, как расположены предмет и его изображение относительно зеркала. Для этого обратимся к геометрии. Рассмотрим, например, луч SC, который падает на зеркало и отражается от него (рис. 11.7, б).
Из рисунка видим, что Δ SOC = Δ S 1 OC — прямоугольные треугольники, имеющие общую сторону CO и равные острые углы (так как по закону отражения света α = β). Из равенства треугольников имеем, что SO = S 1 O, то есть точка S и ее изображение S 1 симметричны относительно поверхности плоского зеркала.
То же можно сказать и об изображении протяженного предмета: предмет и его изображение симметричны относительно поверхности плоского зеркала.
Итак, нами установлены общие характеристики изображений в плоских зеркалах.
1. Плоское зеркало дает мнимое изображение предмета.
2. Изображение предмета в плоском зеркале и собственно предмет симметричны относительно поверхности зеркала, и это означает:
1) изображение предмета равно по размеру самому предмету;
2) изображение предмета расположено на том же расстоянии от поверхности зеркала, что и сам предмет;
3) отрезок, соединяющий точку на предмете и соответствующую ей точку на изображении, перпендикулярен поверхности зеркала.
Различаем зеркальное и рассеянное отражение света
Вечером, когда в комнате горит свет, мы можем видеть свое изображение в оконном стекле. Но изображение исчезает, если задернуть шторы: на ткани мы своего изображения не увидим. А почему? Ответ на этот вопрос связан по меньшей мере с двумя физическими явлениями.
Первое такое физическое явление — отражение света. Чтобы появилось изображение, свет должен отразиться от поверхности зеркально: после зеркального отражения света, идущего от точечного источника S, продолжения отраженных лучей пересекутся в одной точке S 1 , которая и будет изображением точки S (рис. 11.8, а). Такое отражение возможно только от очень гладких поверхностей. Их так и называют — зеркальные поверхности. Кроме обычного зеркала примерами зеркальных поверхностей являются стекло, полированная мебель, спокойная гладь воды и т. п. (рис. 11.8, б, в).
Если свет отражается от шероховатой поверхности, такое отражение называют рассеянным (диффузным) (рис. 11.9). В этом случае отраженные лучи распространяются в разных направлениях (именно поэтому мы видим освещенный предмет с любой стороны). Понятно, что поверхностей, рассеивающих свет, намного больше, чем зеркальных.
Посмотрите вокруг и назовите не менее десяти поверхностей, отражающих свет рассеянно.
Рис. 11.8. Зеркальное отражение света — это отражение света от гладкой поверхности
Рис. 11.9. Рассеянное (диффузное) отражение света — это отражение света от шероховатой поверхности
Второе физическое явление, влияющее на возможность видеть изображение, — это поглощение света. Ведь свет не только отражается от физических тел, но и поглощается ими. Лучшие отражатели света — зеркала: они могут отражать до 95 % падающего света. Хорошими отражателями света являются тела белого цвета, а вот черная поверхность поглощает практически весь свет, падающий на нее.
Когда осенью выпадает снег, ночи становятся намного светлее. Почему? Учимся решать задачи
Задача. На рис. 1 схематически изображены предмет ВС и зеркало NM. Найдите графически участок, из которого изображение предмета ВС видно полностью.
Анализ физической проблемы. Чтобы видеть изображение некоторой точки предмета в зеркале, необходимо, чтобы в глаз наблюдателя отразилась хотя бы часть лучей, падающих из этой точки на зеркало. Понятно, что если в глаз отразятся лучи, исходящие из крайних точек предмета, то в глаз отразятся и лучи, исходящие из всех точек предмета.
Решение, анализ результатов
1. Построим точку B 1 — изображение точки В в плоском зеркале (рис. 2, а). Область, ограниченная поверхностью зеркала и лучами, отраженными от крайних точек зеркала, и будет той областью, из которой видно изображение B 1 точки В в зеркале.
2. Аналогично построив изображение С 1 точки С, определим область ее видения в зеркале (рис. 2, б).
3. Видеть изображение всего предмета наблюдатель может только в том случае, если в его глаз попадают лучи, которые дают оба изображения — B 1 и С 1 (рис. 2, в). Значит, участок, выделенный на рис. 2, в оранжевым, и есть тот участок, из которого изображение предмета видно полностью.
Проанализируйте полученный результат, еще раз рассмотрите рис. 2 к задаче и предложите более простой способ найти область видения предмета в плоском зеркале. Проверьте свои предположения, построив область видения нескольких предметов двумя способами.
Подводим итоги
Все видимые тела отражают свет. При отражении света выполняются два закона отражения света: 1) луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения, проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости; 2) угол отражения равен углу падения.
Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, равное по размеру самому предмету и расположено на том же расстоянии от зеркала, что и сам предмет.
Различают зеркальное и рассеянное отражения света. В случае зеркального отражения мы можем видеть мнимое изображение предмета в отражающей поверхности; в случае рассеянного отражения изображение не возникает.
Контрольные вопросы
1. Почему мы видим окружающие тела? 2. Какой угол называют углом падения? углом отражения? 3. Сформулируйте законы отражения света. 4. С помощью какого прибора можно удостовериться в справедливости законов отражения света? 5. В чем состоит свойство обратимости световых лучей? 6. В каком случае изображение называют мнимым? 7. Охарактеризуйте изображение предмета в плоском зеркале. 8. Чем рассеянное отражение света отличается от зеркального?
Упражнение № 11
1. Девочка стоит на расстоянии 1,5 м от плоского зеркала. На каком расстоянии от девочки находится ее отражение? Охарактеризуйте его.
2. Водитель автомобиля, глянув в зеркало заднего вида, увидел пассажира, сидящего на заднем сиденье. Может ли пассажир в этот момент, глядя в то же зеркало, увидеть водителя?
3. Перенесите рис. 1 в тетрадь, для каждого случая постройте падающий (или отраженный) луч. Обозначьте углы падения и отражения.
4. Угол между падающим и отраженным лучами равен 80°. Чему равен угол падения луча?
5. Предмет находился на расстоянии 30 см от плоского зеркала. Затем предмет переместили на 10 см от зеркала в направлении, перпендикулярном поверхности зеркала, и на 15 см — параллельно ей. Каким было расстояние между предметом и его отражением? Каким оно стало?
6. Вы движетесь к зеркальной витрине со скоростью 4 км/ч. С какой скоростью приближается к вам ваше отражение? На сколько сократится расстояние между вами и вашим отражением, когда вы пройдете 2 м?
7. Солнечный луч отражается от поверхности озера. Угол между падающим лучом и горизонтом в два раза больше, чем угол между падающим и отраженным лучами. Чему равен угол падения луча?
8. Девочка смотрит в зеркало, висящее на стене под небольшим углом (рис. 2).
1) Постройте отражение девочки в зеркале.
2) Найдите графически, какую часть своего тела видит девочка; область, из которой девочка видит себя полностью.
3) Какие изменения будут наблюдаться, если зеркало постепенно закрывать непрозрачным экраном?
9. Ночью в свете фар автомобиля лужа на асфальте кажется водителю темным пятном на более светлом фоне дороги. Почему?
10. На рис. 3 показан ход лучей в перископе — устройстве, действие которого основано на прямолинейном распространении света. Объясните, как работает это устройство. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, где его применяют.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Тема. Исследование отражения света с помощью плоского зеркала.
Цель: экспериментально проверить законы отражения света.
оборудование: источник света (свеча или электрическая лампа на подставке), плоское зеркало, экран со щелью, несколько чистых белых листов бумаги, линейка, транспортир, карандаш.
указания к работе
подготовка к эксперименту
1. Перед выполнением работы вспомните: 1) требования безопасности при работе со стеклянными предметами; 2) законы отражения света.
2. Соберите экспериментальную установку (рис. 1). Для этого:
1) установите экран со щелью на белом листе бумаги;
2) перемещая источник света, получите на бумаге полоску света;
3) установите плоское зеркало под некоторым углом к полоске света и перпендикулярно листу бумаги так, чтобы отраженный пучок света тоже давал на бумаге хорошо заметную полоску.
Эксперимент
Строго соблюдайте инструкцию по безопасности (см. форзац учебника).
1. Хорошо заточенным карандашом начертите на бумаге линию вдоль зеркала.
2. Поставьте на листе бумаги три точки: первую — посреди падающего пучка света, вторую — посреди отраженного пучка света, третью — в месте падения светового пучка на зеркало (рис. 2).
3. Повторите описанные действия еще несколько раз (на разных листах бумаги), устанавливая зеркало под разными углами к падающему пучку света.
4. Изменив угол между зеркалом и листом бумаги, убедитесь, что в этом случае вы не увидите отраженного пучка света.
Обработка результатов эксперимента
Для каждого опыта:
1) постройте луч, падающий на зеркало, и отраженный луч;
2) через точку падения луча проведите перпендикуляр к линии, проведенной вдоль зеркала;
3) обозначьте и измерьте угол падения (α) и угол отражения (β) света. Результаты измерений занесите в таблицу.
Анализ эксперимента и его результатов
Проанализируйте эксперимент и его результаты. Сделайте вывод, в котором укажите: 1) какое соотношение между углом падения светового луча и углом его отражения вы установили; 2) оказались ли результаты опытов абсолютно точными, а если нет, то в чем причины погрешности.
творческое задание
Используя рис. 3, продумайте и запишите план проведения эксперимента по определению высоты комнаты с помощью плоского зеркала; укажите необходимое оборудование.
По возможности проведите эксперимент.
Задание «со звездочкой»
Отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения.
Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью ) и исходным лучом называется углом падения , а угол между нормалью и отраженным лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению падающего луча, как того и требует закон.
Закон отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа Ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).
Ключевым моментом в этом законе является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. Для плоской поверхности, например, плоского зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок параллельных лучей света. Если такой пучок отразится от плоской поверхности, все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.
Однако имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные отражения самих себя.
Закону отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио, СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему, например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется всё тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.
Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил закон прямолинейного распространения света. В трактатах Евклида формулируется закон прямолинейного распространения света и закон равенства углов падения и отражения. Аристотель и Птолемей изучали преломление света. Но точных формулировок этих законов геометрической оптики греческим философам найти не удалось.
Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики, когда длина световой волны стремится к нулю.
Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики.
В основу формального построения геометрической оптики положено четыре закона , установленных опытным путем:
· закон прямолинейного распространения света;
· закон независимости световых лучей;
· закон отражения;
· закон преломления света.
Для анализа этих законов Х. Гюйгенс предложил простой и наглядный метод, названный впоследствии принципом Гюйгенса .
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.
Основываясь на своем методе, Гюйгенс объяснил прямолинейность распространения света и вывел законы отражения и преломления .
Закон прямолинейного распространения света :
· свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно .
Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками малых размеров.
Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.
Тень, отбрасываемая предметом, обусловлена прямолинейностью распространения световых лучей в оптически однородных средах.
Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны , когда Луна попадает в тень Земли (рис. 7.1). Вследствие взаимного движения Луны и Земли тень Земли перемещается по поверхности Луны, и лунное затмение проходит через несколько частных фаз (рис. 7.2).
Закон независимости световых пучков :
· эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того , действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.
Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.
Закон отражения (рис. 7.3):
· отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром , проведенным к границе раздела двух сред в точке падения ;
· угол падения α равен углу отражения γ: α = γ
Рис. 7.3 Рис. 7.4
Для вывода закона отражения воспользуемся принципом Гюйгенса. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ со скоростью с , падает на границу раздела двух сред (рис. 7.4). Когда фронт волны АВ достигнет отражающей поверхности в точке А , эта точка начнет излучать вторичную волну .
· Для прохождения волной расстояния ВС требуется время Δt = BC / υ . За это же время фронт вторичной волны достигнет точек полусферы, радиус AD которой равен: υ Δt = ВС. Положение фронта отраженной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление распространения этой волны – лучом II. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает закон отражения : угол падения α равен углу отражения γ.
Закон преломления (закон Снелиуса ) (рис. 7.5):
· луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости;
· отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред .
Рис. 7.5 Рис. 7.6
Вывод закона преломления. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления Iсо скоростью с , падает на границу раздела со средой, в которой скорость ее распространения равна u (рис. 7.6).
Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС , равно Dt . Тогда ВС = с Dt . За это же время фронт волны, возбуждаемой точкой А в среде со скоростью u , достигнет точек полусферы, радиус которой AD = u Dt . Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление ее распространения – лучом III. Из рис. 7.6 видно, что
Отсюда следует закон Снелиуса :
Несколько иная формулировка закона распространения света была дана французским математиком и физиком П. Ферма.
Физические исследования относятся большей частью к оптике, где он установил в 1662 г. основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма). Аналогия между принципом Ферма и вариационными принципами механики сыграла значительную роль в развитии современной динамики и теории оптических инструментов.
Согласно принципу Ферма , свет распространяется между двумя точками по пути, для прохождения которого необходимо наименьшее время .
Покажем применение этого принципа к решению той же задачи о преломлении света.
Луч от источника света S , расположенного в вакууме идет до точки В , расположенной в некоторой среде за границей раздела (рис. 7.7).
В каждой среде кратчайшим путем будут прямые SA и AB . Точку A охарактеризуем расстоянием x от перпендикуляра, опущенного из источника на границу раздела. Определим время, затраченное на прохождение пути SAB :
.
Для нахождения минимума найдем первую производную от τ по х и приравняем ее к нулю:
отсюда приходим к тому же выражению, что получено исходя из принципа Гюйгенса: .
Принцип Ферма сохранил свое значение до наших дней и послужил основой для общей формулировки законов механики (в том числе теории относительности и квантовой механики).
Из принципа Ферма вытекает несколько следствий.
Обратимость световых лучей : если обратить луч III (рис. 7.7), заставив его падать на границу раздела под углом β, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом α, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча I.
Другой пример – мираж , который часто наблюдают путешественники на раскаленных солнцем дорогах. Они видят впереди оазис, но когда приходят туда, кругом оказывается песок. Сущность в том, что мы видим в этом случае свет, прошедший над песком. Воздух сильно раскален над самой дорогой, а в верхних слоях холоднее. Горячий воздух, расширяясь, становится более разреженным и скорость света в нем больше, чем в холодном. Поэтому свет проходит не по прямой, а по траектории с наименьшим временем, заворачивая в теплые слои воздуха.
Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотной)( > ), например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 7.8 а ).
С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 7.8 б , в ), до тех пор, пока при некотором угле падения () угол преломления не окажется равным π/2.
Угол называется предельным углом . При углах падения α > весь падающий свет полностью отражается (рис. 7.8 г ).
· По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.
· Если , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 7.8 г ).
· Таким образом , при углах падения в пределах от до π/2 , луч не преломляется , а полностью отражается в первую среду , причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.
Предельный угол определим из формулы:
;
.
Явление полного отражения используется в призмах полного отражения (Рис. 7.9).
Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух = arcsin (1/1,5) = 42°.
При падении света на границу стекло – воздух при α > 42° всегда будет иметь место полное отражение.
На рис. 7.9 показаны призмы полного отражения, позволяющие:
а) повернуть луч на 90°;
б) повернуть изображение;
в) обернуть лучи.
Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя , определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).
Явление полного отражения используется также в световодах , представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.
В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углам больше предельного , претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.
Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой емкости . Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.
Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.
