Тема. Отражение и преломление света. Законы преломления света

06.02.2015

Урок 40 (11 класс)

Тема. Отражение и преломление света. Законы преломления света

1. Геометрическая оптика является самой древней частью оптики как науки.

Геометрическая оптика – это раздел оптики, в котором рассматривают вопросы распространения света в различных оптических системах (линзах, призмах и т. д.) без рассмотрения вопроса о природе света.

Одним из основных понятий в оптике и, в частности, в геометрической оптике, является понятие луча. Световой луч – линия, вдоль которой распространяется световая энергия.

Световой луч – это пучок света, толщина которого много меньше расстояния, на которое он распространяется. Такое определение близко, например, к определению материальной точки, которое дается в кинематике.

Первый закон геометрической оптики (Закон о прямолинейном распространении света): в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

По теореме Ферма: свет распространяется по такому направлению, время распространения по которому будет минимально.

Второй закон геометрической оптики (Законы отражения):

1. Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.

2. Угол падения равен углу отражения (см. Рис. 1).

 

∟α = ∟β

Рис. 1. Закон отражения

Рис. 2. Закон преломления

Третий закон геометрической оптики (Закон преломления) (см. Рис. 2)

1. Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точку падения.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина, постоянная для данных двух сред, которая называется показателем преломления (n).

Интенсивность отраженного и преломленного луча зависит от того, какова среда и что собой представляет граница раздела. Физический смысл показателя преломления:

Показатель преломления является относительным, так как измерения проводятся относительно двух сред.

В том случае, если одна из сред – это вакуум:

С – скорость света в вакууме,

n – абсолютный показатель преломления, характеризующий среду относительно вакуума.

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду, то скорость света уменьшается.

Оптически более плотная среда – среда, в которой скорость света меньше.

Оптически менее плотная среда – среда, в которой скорость света больше.

 

2. Принцип Гюйгенса. Закон отражения с вета Гюйгенс Христиан (1629—1695) — голландский физик и математик, создатель первой волновой теории света. Основы этой теории изложил в «Трактате о свете» (1690). Впервые использовал маятник для достижения регулярного хода часов и вывел формулу для периода колебаний математического и физического маятников. Его математические работы касались исследования конических сечений, циклоиды и других кривых. Ему принадлежит одна из первых работ по теории вероятности. С помощью усовершенствованной им астрономической трубы открыл спутник Сатурна Титан.

На рисунке 8.5 MN — отражающая поверхность; прямые A₁A и В₁В — два луча падающей плоской волны. Плоскость АС — фронт волны в момент времени, когда луч А₁А дошел до отражающей поверхности.
Угол между падающим лучом и нормалью к отражающей поверхности

в точке падения называют углом падения.

Волновую поверхность отраженной волны можно получить, если провести огибающую вторичных волн, центры которых лежат на границе раздела двух сред. Различные участки волновой поверхности АС достигают отражающей границы не одновременно. Возбуждение колебаний в точке А начнется раньше, чем в точке В, на время - скорость волны).

В момент, когда волна достигнет точки В и в этой точке начнется возбуждение колебаний, вторичная волна с центром в точке А уже будет представлять собой полусферу радиусом
r = AD = t = СВ. Фронты вторичных волн от источников, расположенных между точками А и В, показаны на рисунке 8.5. Огибающей фронтов вторичных волн является плоскость DB, касательная к сферическим поверхностям. Она и представляет собой фронт отраженной волны. Лучи АА₂ и ВВ₂ перпендикулярны фронту отраженной волны DB. Угол . между нормалью к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения.
Так как AD = СВ и треугольники ADB и АСВ прямоугольные, то DBA = CAB. Но = CAB и = DBA как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Следовательно, угол отражения равен углу падения¹:
= (8.1)
¹Здесь и далее в алгебраических соотношениях иод снопом угол подразумевается его радианная (или градусная) мера.
Из теории Гюйгенса вытекает закон отражения света: луч падающий, луч отраженный и нормаль к отражающей поверхности в точке падения лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу отражения.

При обратном направлении распространения световых лучей отраженный луч станет падающим, а падающий — отраженным. Обратимость хода световых лучей — их важное свойство.

Закон преломления света

Напомним, в чем состоит явление преломления света. Выведем затем закон преломления с помощью принципа Гюйгенса.

Наблюдение преломления света. На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т. е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, го свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения.