- Головна онлайн підручники База репетиторів Росії Тренажери з фізики Підготовка до ЄДІ 2017 онлайн
- геометрична оптика
Головна онлайн підручники База репетиторів Росії Тренажери з фізики Підготовка до ЄДІ 2017 онлайн
Глава 3. Оптика
Оптика - розділ фізики, що вивчає властивості і фізичну природу світла, а також його взаємодія з речовиною. Вчення про світло прийнято ділити на три частини:
- геометрична або променева оптика, в основі якої лежить уявлення про світлові промені;
- хвильова оптика, що вивчає явища, в яких проявляються хвильові властивості світла;
- квантова оптика, що вивчає взаємодію світла з речовиною, при якому проявляються корпускулярні властивості світла.
У цій главі розглядаються дві перші частини оптики. Корпускулярні властивості світла будуть розглядатися в гл. V .
геометрична оптика
3.1. Основні закони геометричної оптики
Основні закони геометричної оптики були відомі задовго до встановлення фізичної природи світла.
На межі розділу двох прозорих середовищ світло може частково вплинути так, що частина світлової енергії буде поширюватися після відображення за новим напрямком, а частина пройде через кордон і продовжить поширюватися в другому середовищі.
Закон відбиття світла: падаючий і відбитий промені, а також перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині (площина падіння). Кут відображення γ дорівнює куту падіння α.
Закон заломлення світла: падаючий і заломлений промені, а також перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині. Ставлення синуса кута падіння α до синусу кута заломлення β є величина, постійна для двох даних середовищ:
Закон заломлення був експериментально встановлений голландським вченим В. Снелліусом 1621 р
Постійну величину n називають відносним показником заломлення другого середовища відносно першого. Показник заломлення середовища щодо вакууму називають абсолютним показником заломлення.
Відносний показник заломлення двох середовищ дорівнює відношенню їх абсолютних показників заломлення:
Закони відбивання і заломлення знаходять пояснення в хвильової фізики. Згідно хвильовим уявленням, переломлення є наслідком зміни швидкості поширення хвиль при переході з одного середовища в іншу. Фізичний сенс показника заломлення - це відношення швидкості поширення хвиль в першому середовищі υ1 до швидкості їх поширення в другій середовищі υ2:
Абсолютний показник заломлення дорівнює відношенню швидкості світла c у вакуумі до швидкості світла υ в середовищі:
Рис 3.1.1 ілюструє закони відображення і заломлення світла.
Малюнок 3.1.1.Закони відбивання і заломлення: γ = α; n1 sin α = n2 sin β.
Середу з меншим абсолютним показником заломлення називають оптично менш щільною.
При переході світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільну n2 <n1 (наприклад, зі скла в повітря) можна спостерігати явище повного відбиття, тобто зникнення переломленого променя. Це явище спостерігається при кутах падіння, що перевищують певний критичний кут αпр, який називається граничним кутом повного внутрішнього відображення (див. Рис. 3.1.2).
Для кута падіння α = αпр sin β = 1; значення sin αпр = n2 / n1 <1.
Якщо другий середовищем є повітря (n2 ≈ 1), то формулу зручно переписати у вигляді
Для кордону розділу скло-повітря (n = 1,5) критичний кут дорівнює αпр = 42 °, для межі вода-повітря (n = 1,33) αпр = 48,7 °.
Малюнок 3.1.2.Повне внутрішнє віддзеркалення світла на кордоні вода-повітря; S - точкове джерело світла
Явище повного внутрішнього відображення знаходить застосування в багатьох оптичних приладах. Найбільш цікавим і практично важливим застосуванням є створення волоконних світловодів, які представляють собою тонкі (від декількох мікрометрів до міліметрів) довільно вигнуті нитки з оптично прозорого матеріалу (скло, кварц). Світло, що потрапляє на торець світловода, може поширюватися по ньому на великі відстані за рахунок повного внутрішнього відбиття від бічних поверхонь (рис 3.1.3). Науково-технічний напрям, що займається розробкою і застосуванням оптичних світловодів, називається волоконної оптикою.
Малюнок 3.1.3.Поширення світла в волоконному световоде. При сильному вигині волокна закон повного внутрішнього відображення порушується, і світло частково виходить з волокна через бічну поверхню
Модель. Віддзеркалення і заломлення світла