Законы геометрической оптики. Принцип Ферма

Основные фотометрические величины и их единицы измерения.

Явление полного отражения.

Законы геометрической оптики. Принцип Ферма.

Лекция № 1

Тексты лекций

ОПТИКА.

Часть 4

В 5 частях

Физика

по дисциплине «Физика»

для студентов специальности 1-48 01 02

«Химическая технология органических веществ,

материалов и изделий»

Минск 2014

УДК [537.2+537.3](075.8)

ББК 22.33я73

Б72

Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издатель-ским советом университета

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей

физики БГПУ им. Максима Танка, И. С. Ташлыков;

кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий
кафедрой физики БНТУ, П. Г. Кужир

Б 72	Бобрович, О. Г. Учебное пособие: Физика. В 5 ч. Ч. 4. Оптика: тексты лекций по дисциплине «Физика» для студентов специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий» / О. Г. Бобрович, В. В. Тульев. − Минск: БГТУ, 2014. – 93 c.

В пособии кратко изложен материал лекции по разделам «Магнитное поле», «Электромагнитное поле» и «Электромагнитные волны» для студентов дневной формы обучения специальности 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий».

УДК [537.2+537.3](075.8)

ББК 22.33я73

© УО «Белорусский государственный технологический университет», 2014 © Бобрович О. Г., Тульев В. В., 2014

Тема 1. Элементы геометрической оптики и основы фотометрии.

Оптика раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. Геометрической оптикой называют часть оптики, в которой изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о свете как о совокупности световых лучей (или просто лучей). Под световым лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны.

Для характеристики изотропной среды, в которой распространяется свет, вводится понятие показателя преломления. Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость с света в вакууме больше фазовой скорости u света в среде

. (1.1.1)

Показатель преломления характеризует оптическую плотность среды.

Закон прямолинейного распространения света: свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно. Этот закон является приближенным: при прохождении света через очень малые отверстия наблюдаются отклонения от прямолинейности, тем большие, чем меньше отверстие.

Закон независимости световых лучей утверждает, что лучи при пересечении не возмущают друг друга. Пересечения лучей не мешают каждому из них распространяться независимо друг от друга. Этот закон справедлив лишь при не слишком больших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей перестает соблюдаться.

При падении световых лучей на границу раздела двух сред происходит отражение и преломление света, которое описывается следующими законами:

3акон отражения света:

1) угол отражения g равен углу падения a,

g = a;

2) лучи падающий и отраженный находятся в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на поверхность раздела сред в точку падения (рис. 1.1.1).

Закон преломления света:

1) луч падающий 1, луч преломленный 3 и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения луча, лежат в одной плоскости (рис. 1.1.1);

2) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред

. (1.1.2)

где и - абсолютные показатели преломления первой и второй среды соответственно, - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Относительный показатель преломления второй среды относительно первой n ₂₁ – физическая величина, показывающая во сколько раз фазовая скорость u₁ распространения света в первой среде больше, чем фазовая скорость u₂ распространения света во второй среде

. (1.1.3)

Среда, имеющая большее значение абсолютного показателя преломления, называется оптически более плотной средой по сравнению со средой, имеющей меньшее значение абсолютного показателя преломления.

В основу геометрической оптики положен принцип, установленный французским математиком П.Ферма в середине XVII столетия. Из этого принципа вытекают законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света. В формулировке самого Ферма принцип гласит: свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время.

Для прохождения участка пути ds свету требуется время dt = ds/u, где u − скорость света в данной точке среды. Заменив u через с/п, получим, что dt=(1/c)nds. Следовательно, время t, затрачиваемое светом на прохождение пути от точки 1 до точки 2, равно . Величина , имеющая размерность длины, называется оптической длиной пути. В однородной среде (n = const) L = ns, где s геометрическая длина пути. Таким образом, свет распространяется по такому пути, оптическая длина L пути которого минимальна.

Из принципа Ферма вытекает обратимость световых лучей. Оптический путь, который минимален в случае распространения света из точки 1 в точку 2 (рис. 1.1.2), окажется минимальным и в случае распространения света в обратном направлении по тому же пути из точки 2 в точку 1.

Дата добавления: 2015-06-04