Законы отражения и преломления света

ГЛАВА 4. ОПТИКА.

Оптика – раздел физики, в котором изучают свойства света, его физическую природу, законы распространения и взаимодействия с веществом.

С точки зрения современной физики свет имеет двойственную природу,обладая одновременно и корпускулярными (частица), и волновымисвойствами,являясь электромагнитной волной. Это носит названиекорпускулярно-волнового дуализма света.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

В данном параграфе мы остановимся на явлениях описываемых в рамках, так называемой, ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ- часть оптики, которая изучает законы распространения света на основе представлений о нем как о совокупности световых лучей.

Луч - линия, вдоль которой переносится энергия световыми волнами.

В геометрической оптике волновая природа света не учитывается, т.е. длину световой волны в ряде случаев можно считать исчезающе малой.

Законы геометрической оптики:

1. ЗАКОН ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ света: в оптически однородной среде свет распространяется по прямым линиям. В частности, прямолинейность распространения света приводит к тому, что за непрозрачными телами, освещенными одним источником, образуются тени.

ЗАКОН НЕЗАВИСИМОСТИ СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ: распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга, т.е. при пересечении двух или большего числа лучей, каждый из них не взаимодействует с другими, а распространяется так, как если бы другие световые лучи отсутствовали.

Распространение света в вакууме происходит со скоростью с»299800 . Скорость света в веществе (u) меньше, чем в вакууме, и равна

, (4.1)

где n – абсолютный показатель преломления вещества, определяемый соотношением . Для подавляющего большинства сред, которые рассматриваются в оптике, их магнитная проницаемость близка к единице, m»1. Поэтому в достаточно хорошем приближении полагают, что показатель преломления определяется диэлектрической проницаемостью среды

. (4.2)

ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА.

При падении света на границу раздела двух сред происходит отражение и преломление световых лучей (см. рис 5.1.). Введем следующие обозначения:

a – угол падения (угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным через точку падения),

b – угол отражения (угол между отраженным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным через точку падения),

g – угол преломления (угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным через точку падения).

1. Если свет не попадает во вторую среду, в геометрической оптике выделяют ДВА ЗАКОНА ОТРАЖЕНИЯ:

· падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, проведенный к поверхности раздела сред через точку падения, лежат в одной плоскости;

· угол отражения равен углу падения, b=a.

Для законов отражения выполняется ПРИНЦИП ОБРАТИМОСТИ СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ: луч света, распространяющийся по пути отраженного луча В, отразившись в точке О от поверхности раздела сред, распространяется дальше по пути падающего луча А.

2. Теперь рассмотрим, что происходит со световым лучом, который проходит во вторую среду. В ней луч преломляется, то есть изменяется угол между перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред через точку падения, и лучом, распространяющимся во второй среде. Следовательно, преломляясь, луч меняет свое направление. В этом случае справедлив ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ, установленный Снеллиусом в 1620 г. Он гласит:

Преломленный луч лежит в плоскости, проведенной через падающий луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения, и отношение синуса угла падения a к синусу угла преломления g определяется свойствами этих двух сред, а именно

, (4.3)

где n₁ и n₂ – показатели преломления I-ой и II-ой сред, соответственно.

Среда с большим показателем преломленияназывается оптически более плотной. Скорость распространения лучей в ней маленькая.

1. Если n₂ > n_1, то как видно из соотношения (5.3),( ), то угол падения > угла преломления, (Ða > Ðg)

2. Если n₂ < n₁, то наоборот, то (Ða < Ðg) (рис.5.2). При увеличении угла падения a до некоторых значений, Ða=Ða_пр, преломленный луч не проникает во вторую среду и распространяется вдоль границы раздела двух сред, при этом Ðg=90°.

При a>a_пр свет полностью отражается от границы раздела двух сред, и это явление носит название полного внутреннего отражения. Угол a_пр называется предельным углом ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ.

Его значение определяется из закона преломления (5.3) в соответствии со следующим соотношением:

, (4.4)

здесь учтено, что g=90°.