Основные законы геометрической оптики.

Лекция 1 ОПТИКА

Оптика изучает свойства светового излучения и его взаимодействие с веществом. Оптика подразделяется на волновую, геометрическую и квантовую оптику.

Основные законы геометрической оптики.

При распространении в среде и при переходе из одной среды в другую свет подчиняется следующим законам:

1.Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется по прямым линиям. Опытное доказательство - резкие тени, даваемые точечным источником. Соотношение между контуром предмета и его тенью при освещении точечным источником соответствует геометрическому проецированию при помощи прямых линий.

2.Закон независимости световых пучков: Действие выделенных (например диафрагмой) световых пучков оказывается независимым. Т.е. эффект производимый отдельным световым пучком не зависит от того, действуют ли одновременно другие пучки или они устранены. Так если на объектив фотоаппарата падает свет от обширного ландшафта, то загораживая доступ части световых пучков, мы не меняем изображения даваемого остальными.

3.Закон отражения света: Луч падающий (рис.1, луч 1), нормаль к отражающей поверхности (прямая аb) и луч отраженный (луч 1’) лежат в одной плоскости, причем углы между лучами и нормалью равны между собой: угол падения i равен углу отражения i’.

4.Закон преломления света: Луч падающий (рис., луч 1), нормаль к преломляющей поверхности (прямая аb) и луч преломленный (луч 2) лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела. Угол падения i и угол преломления r связаны соотношением

n₂₁ - относительный показатель преломления, определяется свойствами обоих сред, при переходе луча из первой среды во вторую. - абсолютые показатели преломления определяются при переходе луча из вакуума в среду. - скорость света в среде, c - скорость света в вакууме. Если n₁ < n₂ то говорят, что вторая среда оптически более плотная, чем первая.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, луч частично отражается от поверхности и частично преломляется в оптически менее плотной среде, удаляясь при этом от нормали к поверхности (рис.2). По мере увеличения угла падения интенсивность отраженного луча увеличивается, а преломленного убывает. Максимальный угол отклонения преломленного луча от нормали равен p/2. Соответствующий данной ситуации угол падения, называется предельным углом полного отражения. При угле падения луча больше предельного угла полного отражения, падающий луч будет полностью отражаться от поверхности раздела сред.

Таким образом, при углах падения, заключенных в пределах от до p/2 свет во вторую среду не проникает, интенсивность отраженного света равна интенсивности падающего. Это явления называется полным внутренним отражением. На основе этого явления функционируют световоды.

Световая волна

Свет представляет собой довольно сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна (явления дифракции и интерференции), в других - как поток частиц – фотонов (фотоэффект, Комптоновское рассеивание). Электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси Ox (рис.3), описывается двумя уравнениями соответственно для электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны:

w=2pn - частота колебаний, k = 2p/l - волновое число, l - длина волны.

Таким образом, в электромагнитной волне колеблются два вектора – напряженности электрического и напряженности магнитного полей. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями вектора напряженности электрического поля, который называют световым вектором A.

Белый свет представляет собой комбинацию электромагнитных волн различных частот и длин волн.

Длины волн и частоты видимого света заключены в пределах:

n = 0.4 10^-14 Гц (красный) ¸ 0.75 10^-14 Гц (фиолетовый)

l = 0.4 мкм (фиолетовый) ¸ 0.7500 мкм (красный)

Длина световой волны связана с ее частотой соотношением

с – скорость света.

При прохождении света через вещество частота света, определяющая цвет, не меняется, а длина волны уменьшается

l₀ – длина волны света в вакууме, n – показатель преломления среды относительно вакуума или абсолютный показатель преломления среды, ε – диэлектрическая проницаемость среды, μ - магнитрая проницаемость среды,.

Среднее по времени значение плотности светового потока, т.е. средний по времени световой поток через единицу поверхности площадки, перпендикулярной к направлению распространению световой волны, носит название интенсивности света I в данной точке пространства. Интенсивность пропорциональна квадрату светового вектора A

При отражении или преломлении света на поверхности раздела двух сред интенсивность света уменьшается. Отношение интенсивности отраженной волны I₁ к интенсивности падающей волны I₀ называется коэффициентом отражения

.

Отношение интенсивности преломленной волны I₂ к интенсивности падающей волны I₀ называется коэффициентом проникновения

Несложно сидеть, что r + t = 1

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: