Законы геометрической оптики

Закон прямолинейного распространения света - в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Закон независимости световых пучков – пучки световых лучей, пересекаясь, не взаимодействуют друг с другом и распространяются после пересечения независимо друг от друга. Лучи – линии, вдоль которых распространяется энергия световых электромагнитных волн. Эти линии проводятся перпендикулярно волновому фронту. Световой луч можно представить как ось достаточно узкого, остающегося при этом конечной ширины светового пучка. Таким образом луч – это понятие чисто геометрическое и самостоятельного физического значения не имеет.

Законы отражения света:

1)луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр, восстановленный на границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. 2)угол падения = углу отражения (a=g).

Законы преломления света: 1) луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр, восстановленный на границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одно плоскости.2)отношение синуса угла падения a к синусу угла преломления b есть величина постоянная для данных сред: sina/sinb=n. N-величина, зависящая от свойств обеих граничащих сред, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Если свет преломляется на границе “вакуум - прозрачная среда”, то соответствующий показатель преломления называется абсолютным показателем преломления прозрачной среды. Среда с большим значением абсолютного показателя преломления называется оптически более плотной. sina/sinb=n2/n1. n1sina=n2sinb.

рассмотрим случай, когда лучи из оптически более плотной среды падают на границу раздела с оптически менее плотной средой.

В этом случае угол преломления b, будет всё время больше угла падения a. Преломленный луч при увеличении угла падения a будет приближаться к границе раздела сред (луч 1’). При некотором угле падения, называемом предельным (a=aпр), преломленный луч (луч 2’) скользит почти вдоль поверхности раздела сред. Угол преломления bв этом случае = 90. при дальнейшем увеличении угла падения a (a>aпр), луч света полностью отражается от границы раздела сред (луч 3’). Это явление и называется полным отражением света.

n1sinaпр=n2sin90=n2; sinaпр=n2/n1; aпр=arcsin(n2/n1).

В случае, когда второй средой является воздух (n2=1): aпр=arcsin(1/n1)=arcsin(1/n).

1. Электромагнитные волны. Оптикой называется учение о физических явлениях, связанных с распространением и взаимодействием с веществом коротких ЭМВ, длина которых лежит в интервале lÎ[10^-4,10^-9] м. нижняя граница 10^-9 отождествляется с нижней границей прозрачности основных оптических материалов – диэлектриков. Верхний предел – условно можно отождествить с максимальной длиной волны излучения генерируемого лазером. l=0.1мм – для лазера на водяных парах.

В этом диапазоне наблюдается единство всех оптических закономерностей. Основа этого единства – волновой характер ЭМВ.

шкала ЭМВ

Название

Границы диапазона

диапазона ЭМВ  

По длинам волн, l нм

min

max

g- излучение

—

0,0012

рентгеновский

0,0012

ультрафиолетовый

видимый

инфракрасный

10⁶

радиодиапазон

10⁶

—

Дифференциальное уравнение ЭМВ (Максвелла)

Для вакуума, при отсутствии токов и заряда.

Уравнения Максвелла для ЭМВ:

(Ñ,D,B,H,E – писать со знаком ветора)

1-6

где E и H – напряженности, D и B – индукции электрического и магнитного полей соответственно, e₀ и m₀ – соответственно электрическая и магнитная постоянные.

Применим к обеим частям уравнения (1) операцию rot, далее воспользуемся остальными уравнениями и векторным равенством

rot rot H= rot ¶/¶t D

Ñ={¶/¶x, ¶/¶y, ¶/¶z}

rot rot B = grad div B – Ñ ² B

[Ñ´ [Ñ´B] ]= Ñ(Ñ × B) - (Ñ×Ñ)B

div B – скалярное произведение (Ñ × B)

используя уравнения (2) и (5) мы получим:

- волновое уравнение для В

-скорость света в вакууме

-волновое уравнение для Е.

Рассмотрим частный вид волнового уравнения: (3)

[! Ф=Ф(z,t)]

где функция Ф должна быть дважды дифференцируема. Решение будем искать в следующем виде: Ф(z,t)=Ф₁(z+ct)+Ф₂(z-ct). (*)

если (*) подставить в (3), то получим тождество.

Смысл этих двух решений Ф₁и Ф₂ :

функция Ф2 описывает волну произвольной формы, движущуюся со скоростью с в направлении положительных значений оси Z. В процессе движения, значения функции в каждой точке волны и форма волны не меняется. Аналогична функция Ф1 описывает волну, движущуюся в отрицательную сторону. Волна которая описывается формулой со (*), является суперпозицией двух волн, движущихся в противоположных направлениях.

В общем случае трёхмерного волнового уравнения, вводится понятие волнового вектора k, модуль которого равен волновому числу, а направление совпадает с направлением распространения волны (с осью Z). k=w/c=2p/l (волновое число).

В отличие от распространения в вакууме, в среде скорость ЭМВ меньше c = const и зависит от частоты. Зависимость скорости волны от частоты называется дисперсией.

Поляризация света – это физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т.е. неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, т.е. вектору k. Если колебания E совершаются так, что его конец описывает окружность в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны k, то такая волна называется поляризованной по кругу.

Дата добавления: 2015-07-02