Тема 4. Элементы геометрической и волновой оптики

Оптика, или точнее – физическая оптика, это раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. При этом под светом понимают электромагнитные волны, длина которых лежит в интервале 10^-4–10^-10 м. Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра имеют общую физическую природу, а различаются по способу генерации и приема излучения. Различные участки спектра электромагнитного излучения отличаются друг от друга длиной волны l и частотой v – величинами, характеризующими не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного излучения. Видимое инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляют так называемую оптическую область спектра. Выделение этой области обусловлено близостью соответствующих участков спектра, а также сходством методов и приборов, используемых для исследования.

По современным представлениям, свету присуща двойственная природа. Свет – это электромагнитные волны, но эти волны состоят из отдельных порций –квантов, которые ведут себя как целые частицы. В одних явлениях ярче проявляются волновые свойства, в других – корпускулярные. Этот дуализм волна-частица был назван корпускулярно-волновым дуализмом.

Основные законы оптики.

В основе оптики лежат четыре закона, установленные опытным путем: I) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых пучков; 3) закон отражения; 4) закон преломления. Первые три закона были известны еще древним грекам, четвертый закон вошел в науку в формулировке Р.Декарта (1637 г.).

1. Свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям. Опытным доказательством этого закона может быть образование теней за непрозрачными объектами при освещении их точечными источниками света (рис. 16.1). Закон о прямолинейном распространении света ограничен явлением дифракции.

2. Закон независимости световых пучков состоит в том, что распространение любого светового пучка не зависит от наличия других световых пучков в этой среде. Иллюстрацией этому закону может служить наблюдение двух различных объектов при условии, что световые пучки в пространстве пересекаются (рис.16.2). Если пучки не влияют друг на друга, то каждый наблюдатель видит только "свой" предмет, причем неискаженным, Закон независимости световых пучков дополняется утверждением, определяющим совместное действие световых пучков при их наложении друг на друга. Освещенность экрана, создаваемая несколькими световыми пучками, равна сумме освещенностей создаваемых каждым пучком в отдельности. Границы применения этого закона - явление интерференции.

3. При падении света на плоскую границу раздела двух прозрачных сред свет частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается) (рис.16.3). При этом выполняются законы отражения:

а) падающий луч (АВ), отраженный луч (ВС) и нормаль к границе раздела в точке падения (КР) лежат в одной плоскости;

б) угол падения i равен углу отражения i’: i= i’

4. Законы преломления:

а) падающий луч (АВ), преломленный луч (ВД) и нормаль в точку падения к границе раздела (КР) лежат в одной плоскости;

б) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой:

(16.1)

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем (коэффициентом) преломления этой среды. Относительный показатель преломления связан с абсолютным показателем n ₁ и n ₂ соотношением:

(16.2)

С учетом соотношения (1.2) закон преломления можно записать в виде:

(16.3)

Для воздуха, как и для вакуума, показатель преломления берется равным 1. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. В оптически более плотной среде скорость света меньше, в оптически менее плотной. Из (16.3) видно, что а) если n₂ > n₁, то r < i, б) если при n₂< n₁, то r > i.

Частный случай: при n₂< n₁, и i ³ i_пр, свет не выходит из среды оптически более плотной. Преломленный луч или скользит вдоль границы раздела, или отражается от поверхности (рис. 16.4). Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения i= i_пр, удовлетворяющий соотношению:

,(16.4)

называется предельным углом полного отражения.

Преломлением света и полным отражением объясняется прохождение света через плоскопараллельную прозрачную пластинку, через призмы (рис.16.5, 16.6.).