Законы отражения и преломления света

ОПТИКА

В этом разделе изучаются законы излучения, поглощения и распространения света. Свет имеет двойственную природу: он проявляет себя и как поток частиц - фотонов (квантов света), и как. электромагнитное излучение (электромагнитная волна). Это свойство называется корпускулярно - волновым дуализмом света. В одних явлениях более выражены волновые свойства света (интерференция, дифракция, поляризация), в других – корпускулярные (фотоэффект, тепловое излучение, эффект Комптона). Ряд оптических явлений к настоящему времени удалось объяснить и с волновых, и с корпускулярных (квантовых) позиций.

ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА

Из­вестно, что в оп­тически однород­ной среде свет рас­простра­няется прямолинейно с постоянной скоростью v. Величина

n = с/ v (1.1)

называется абсолютным показателем преломления среды.

Здесь с = 3∙10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

При падении света на границу раздела двух сред происходит отражение и преломление луча (рис.1). Угол падения светового луча равен углу отражения, т. е.

α = α′. (1.2)

Это условие называют законом отражения.

Луч падающий, отраженный и преломленный, а также перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости. Причем

(1.3)

где n₁ и n₂ - абсолютные показатели преломления первой и второй сред; n_{21 -} относительный показатель преломления второй среды относительно первой; β - угол преломления светового луча.

Последнее выражение является законом преломления света.

Как видно из (1.3), при падении света из среды, оптически менее плотной, в среду с большей оптической плотностью ( n₁ ‹ n₂ ) угол преломления β меньше угла падения α. В обратном случае (при n₁ › n₂) угол β больше угла α (рис. 2), и возможна такая ситуация, при которой преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред (рис. 2, пунктир), т. е β = 90 º.

Угол падения, соответствующий этому случаю называется предельным (α_пр). При падении света под углом большим предельного преломленный луч во вторую среду вообще не выходит, а, отражаясь от границы раздела, возвращается в первую среду. Это явление носит название полного внутреннего отражения.

ПРИМЕР. На плоскопараллельную стеклянную пластинку с показателем преломления 1,5 и толщиной d = 5 см падает луч лазера под углом α = 30º и выходит параллельно первоначальному лучу. Определить расстояние l между вышедшими лучами.

РЕШЕНИЕ. Ход лучей в пластинке изображен на рис. 3. Используя закон преломления света, найдем угол β :

Отсюда следует, что угол β = 19º30′ .

Расстояние l между лучами можно найти из ∆ BED:

l = BD∙cos α.

Отрезок BD определим, рассмотрев ∆ BСD:

BD = 2ВК = 2d tg β.

Тогда

l = 2d∙tg β∙cos α =2d∙tg 19º30′ ∙cos 30º = 2∙5∙0, 3541∙0,8665 = 0,3063 (см).