Основные законы геометрической оптики

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

пример - резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n₂ < n₁ (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α_пред, который называется предельным углом полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение света на границе вода-воздух

S - точечный источник света

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц).

Мираж - оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко различными по плотности слоями воздуха.

Миражи делят на нижние, видимые под объектом, верхние - над объектом и боковые.

Так называемые "озерные", или нижние, миражи - самые распространенные и простые. Они возникают над сильно охлажденной или сильно нагретой поверхностью.

Миражи второго класса, лучи которых загибаются за линию горизонта. Их называют верхними или миражами дальнего видения. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения: прямое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, а другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом, Иногда возникает еще одно - третье изображение.

Боковые миражи - отражение от нагретой отвесной стены.

Дисперсия света (разложение света) - это зависимость абсолютного показателя преломления вещества от длины волны света.

Один из самых наглядных примеров дисперсии - разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона).

Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света с различной длиной волны в прозрачном веществе - оптической среде. Обычно, чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость в ней:

- у красной области спектра максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,

- у фиолетовой области спектра минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

В некоторых веществах (например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные.

Радуга - атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водных капель (дождя или тумана).

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее всего отклоняется красный свет - на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый - на 139°20’). В результате белый свет разлагается в спектр.

Интерференция световых волн - одно из проявлений волновой природы света.

Это явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос.

При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону.

Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона

Наблюдение колец Ньютона. Интерференция возникает при сложении волн, отразившихся от двух сторон воздушной прослойки.

«Лучи» 1 и 2 - направления распространения волн

h - толщина воздушного зазора

Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.).

В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S₁ и S₂. Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S₁ и S₂, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S₁ и S₂ которые можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S.

В разных веществах скорость света различна, при определении положений минимумов и максимумов используют оптическую разность хода. Разность оптических длин пути называется оптической разностью хода.

оптическая длина пути

оптическая разность хода

Дата добавления: 2014-12-16