Законы распространения света

Уже в первые периоды оптических исследований были опытным путем установлены основные законы распространения света:

• Закон прямолинейного распространения света;
• Закон независимости световых пучков;
• Закон отражения;
• Закон преломления.

При этом, основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

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

Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при .

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а частично пройти через границу и распространяться во второй среде.

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 равен углу падения .

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 к синусу угла преломления есть величина, постоянная для двух данных сред:

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом.

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

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде к скорости их распространения во второй среде :

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в среде:

Рис 1.2.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света: и .

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (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 , который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 1.2.2). Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; – точечный источник света.

Для угла падения ; значение .

Если второй средой является воздух (), то формулу удобно переписать в виде:

где – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух () критический угол равен , для границы вода–воздух () – .

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). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис. 1.2.3). Показано распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность.

Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

В дальнейшем было показано, что первые два закона, закон прямолинейного распространения и закон независимости световых пучков, в следствии волнового характера световых колебаний, при определенных условиях не выполняются, в следствии чего возникают такие явления как дифракция и интерференция.

Дата добавления: 2015-06-04