I. Краткие теоретические сведения. Оптика – раздел физики, в котором изучаются природа света

Оптика – раздел физики, в котором изучаются природа света, закономерности световых явлений.

Свет – сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну, т. е. совокупность двух взаимно перпендикулярных волн – электрической и магнитной.

Свет, в различных прозрачных средах распространяется с различными скоростями.

Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной.

Пусть свет падает на границу раздела двух сред, скорость света одинакова в которых соответственно С₁ и С₂, причем С₁ > С₂ (рис. 1).

Рис.1

На границе раздела сред падающий свет (луч 1) частично проходит (преломляется) во вторую среду (луч 3): α – угол падения, β – угол отражения и γ – угол преломления.

α = β (1)

Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения – закон отражения света.

Закон преломления:

(2)

Подающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, приведенным в точке падения; отношение синуса угла падения к синусy угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Обозначим = и , где С – скорость света в вакууме, n ₁ и n ₂ – абсолютные показатели преломления первой и второй сред.

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света данной среде меньше скорости света в вакууме. Абсолютный показатель преломления вакуума равен единице.

Зная, что показатели преломления двух сред обратно пропорциональны скорости распространения света в средах, закон преломления можно представить в виде:

(3)

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Оптически однородной средой является среда; во всех точках которой показатель преломления одинаков. Среда c меньшим показателем называется оптически менее плотной, а среда с большим показателем – оптически более плотной. Показатель преломления зависит от длины волны света. Его обычно относят к монохроматическому желтому излучению паров натрия (длина волны 589 нм).

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду: n ₁ < n ₂ (рис. 2), то угол преломления меньше угла падения (лучи 1-1, 2-2). При угле падения _m = 90⁰ (лучи 3-3) свет во второй среде распространяется в пределах угла _пр , называемого предельным углом преломления.

Согласно закона преломления (2) : но sin 90⁰ = 1, следовательно sin =

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду: n₂ > n₁, (рис. 3), то угол преломления больше угла падения (луч 1-1^,). Угол преломления γ_m = 90^о (луч 2-2^,) соответствует углу падения α_пр. Если свет падает под углом больше предельного, то он полностью отражается от границы сред (луч 3-3^,). Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения называется предельным углом полного внутреннего отражения.

Согласно закона преломления (2):

, т. к. sinγ_m = 1, sinα_пр = 1, sinα_пр =

для двух данных сред γ_пр = α_пр.

Значение показателя преломления среды в основном зависит от свойств среды; однако в некоторой мере оно зависит и от длины волны света. Световые волны различной длины распространяются в данной среде с различной скоростью. Поэтому одна и та же среда по разному преломляет различные монохроматические лучи.

Зависимость показатель преломления среды от длины волны света называется дисперсией света. В более широком смысле дисперсией света называют разложение света в спектр. Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением длины световой волны. Такой дисперсией света обладают среды, слабо поглощающие свет, т. е. прозрачные среды.