В предыдущих параграфах мы изучили явление отражения света. Познакомимся теперь со вторым явлением, при котором лучи меняют направление своего распространения. Это явление – преломление света на границе раздела двух сред. Взгляните на чертежи с лучами и аквариумом в § 14-б. Луч, выходящий из лазера, был прямолинейным, но, дойдя до стеклянной стенки аквариума, луч изменил направление – преломился.

Преломлением света называют изменение направления луча на границе раздела двух сред, при котором свет переходит во вторую среду (сравните с отражением). Например, на рисунке мы изобразили примеры преломления светового луча на границах воздуха и воды, воздуха и стекла, воды и стекла.

Из сравнения левых чертежей следует, что пара сред «воздух-стекло» преломляет свет сильнее, чем пара сред «воздух-вода». Из сравнения правых чертежей видно, что при переходе из воздуха в стекло свет преломляется сильнее, чем при переходе из воды в стекло. То есть, пары сред, прозрачные для оптических излучений, обладают различной преломляющей способностью, характеризующейся относительным показателем преломления. Он вычисляется по формуле, указанной на следующей странице, поэтому может быть измерен экспериментально. Если в качестве первой среды выбран вакуум, то получаются значения:

Вакуум	1	Вода	1,33
Воздух	1,0003	Глицерин	1,47
Лёд	1,31	Стекло	1,5 – 2,0

Эти значения измерены при 20 °С для жёлтого света. При другой температуре или другом цвете света показатели будут иными (см. § 14-з). При качественном рассмотрении таблицы отметим: чем больше показатель преломления отличается от единицы, тем больше угол, на который отклоняется луч, переходя из вакуума в среду. Поскольку показатель преломления воздуха почти не отличается от единицы, влияние воздуха на распространение света практически незаметно.

К данному моменту, знакомясь с оптикой, ...
Что общего у явлений отражения и преломления света?
Каково полное название изучаемого нами явления?
Схематичные рисунки с лучами и аквариумом в § 14-б позволяют сделать наблюдение:
О преломлении можно говорить, только если...
В левой части рисунка проиллюстрировано явление...
На среднем рисунке преломлённый луч отклоняется сильнее, чем на левом. Какой мы делаем вывод?
На правом рисунке преломлённый луч отклоняется меньше, чем на среднем. Чем это обусловлено?
Проводя опыты или сравнивая чертежи, мы приходим к обобщению: ...
Для характеристики преломляющей способности пары сред пользуются...
Показатель преломления может быть измерен только косвенно, так как...
Какой вывод мы делаем, сравнивая табличные значения показателей преломления?
Мы утверждаем, что воздух почти не оказывает влияния на преломление света, ...

1.8. ПРИНЦИП ОБРАТИМОСТИ ХОДА ЛУЧЕЙ СВЕТА (ЗАКОН ВЗАИМНОСТИ)

Этот принцип - одно из важных положений геометрической оптики. При преломлении на границе двух сред лучи остаются взаимными, т.е. при изменении направления световых лучей на обратное их взаимное расположение не меняется. Аналогичное положение справедливо и при отражении света. Принцип обратимости хода световых лучей выполняется при любом числе отражений или преломлений, так как он соблюдается при каждом из них.

Законы геометрической оптики имеют большое значение. Во-первых, они устанавливают, что лучи при прохождении через оптическую систему всегда лежат в плоскости падения (образованной падающим лучом и нормалью). Во-вторых, они устанавливают численные зависимости координат лучей при переходе от одной поверхности к другой, т.е. позволяют рассчитать ход луча через сложную оптическую систему. В-третьих, они указывают на возможность анализа оптических систем в обратном ходе лучей.

Геометрическая оптика является теоретическим фундаментом оптических приборов. Технологические основы сборки и юстировки оптических приборов в основном базируются на положениях геометрической оптики. Законы геометрической оптики используются при измерении постоянных оптических систем и деталей, при исследовании оптических свойств приборов и изучении их погрешностей.

Природа вооружила человека прекрасным оптическим инструментом - глазом, но его возможности ограничены. Оптические приборы, созданные человеком, существенно расширили возможности зрения. Например, невооруженный глаз различает предметы величиной порядка 0,1 мм; применение лупы повысило эту возможность до 0,01 мм, а с помощью микроскопа стало возможным различать объекты величиной до 0,15 мкм и т. д.

Оптические приборы в настоящее время получили настолько широкое распространение и развитие, что появилась необходимость выделить отдельные группы приборов, объединенных общими оптическими свойствами и специализированных на решении однородных задач.

Можно выделить пять главных видов оптических приборов:

телескопические системы (зрительные трубы);
микроскопы;
фотографические оптические системы;
проекционные приборы;
осветительные устройства.

Классификация оптических приборов может быть первоначально основана на двух классах - изображающие и неизображающие. Первые можно делить по значению увеличения, вторые - по энергетике и принципу формирования освещенной площадки. Отметим, что в современных оптических приборах одновременно могут сочетаться признаки двух и более видов приборов. Например, металлографический микроскоп может служить как обычный микроскоп, так же как и фотографический прибор и т.д. Кроме того, есть зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые системы. Зеркально-линзовые системы содержат зеркальные и линзовые оптические элементы. Они реализованы в прожекторах, фарах, телескопах, микроскопах, телеобъективах. Линзовые содержат только линзы сферической или асферической формы. Примеры их использования конденсоры - осветительные системы. Оптические телескопы (рефлекторы), которые в качестве светособирающего элемента используют вогнутые зеркала как сферической, так и асферической формы относятся к зеркальным приборам. В качестве элементов оптических систем могут использоваться растровые системы, оптические детали со ступенчатой поверхностью сложного профиля (например, линзы Френеля), световоды и оптическое волокно.

Рассматривая в предыдущем параграфе явления, происходящие при падении света на границу раздела двух сред, мы считали, что свет распространяется в определенном направлении, указанном па рис. 180, 181 стрелками. Поставим теперь вопрос: что произойдет, если свет будет распространяться в обратном направлении? Для случая отражения света это означает, что падающий луч будет направлен не слева вниз, как на рис. 182, а, а справа вниз, как на рис. 182, б; для случая преломления мы будем рассматривать прохождение света не из первой среды во вторую, как на рис. 182, в, а из второй среды в первую, как на рис. 182, г,

Точные измерения показывают, что и в случае отражения и в случае преломления углы между лучами и перпендикуляром к поверхности раздела остаются неизменными, меняется только направление стрелок. Таким образом, если световой луч будет падать по направлению (рис. 182, б), то луч отраженный пойдет по направлению , т. е. окажется, что по сравнению с первым случаем падающий и отраженный пула поменялись местами. То же наблюдается и при преломлении светового луча. Пусть - падающий луч, - преломленный луч (рис. 182, в). Если свет падает по направлению (рис. 182, г), то преломленный луч идет по направлению , т. е. падающий и преломленный луни обмениваются местами.

Рис. 182. Обратимость световых лучей при отражении (а, б) и при преломлении (в, г). Если , то

Таким образом, как при отражении, так и при преломлении свет может проходить один и тот же путь в обоих противоположных друг другу направлениях (рис. 183). Это свойство света носит название обратимости световых лучей.

Обратимость световых лучей означает, что если показатель преломления при переходе из первой среды во вторую равняется , то при переходе из второй среды в первую он равен . Действительно, пусть свет падает под углом и преломляется под углом , так что . Если при обратном ходе лучей свет падает под углом , то он должен преломляться под углом (обратимость). В таком случае показатель преломления , следовательно, . Например, при переходе луча из воздуха в стекло , а при переходе из стекла в воздух . Свойство обратимости световых лучей сохраняется и при многократных отражениях и преломлениях, которые могут происходить в любой последовательности. Это следует из того, что при каждом отражении или преломлении направление светового луча может быть изменено на обратное.

Рис. 183. К обратимости световых лучей при преломлении

Таким образом, если при выходе светового луна из любой системы преломляющих и отражающих сред заставить световой луч па последнем этапе отразиться точно назад, то он пройдет всю систему в обратном направлении и вернется к своему источнику.

Обратимость направления световых лучей можно теоретически доказать, используя законы преломления и отражения и не прибегая к новым опытам. Для случая отражения света доказательство проводится весьма просто (см. упражнение 22 в конце этой главы). Более сложное доказательство для случая преломления света можно найти в учебниках оптики.

Геометрическая оптика – предельно простой случай оптики. По сути, это упрощенная версия волновой оптики, которая не рассматривает и просто не предполагает таких явлений, как интерференция и дифракция. Тут все упрощено до предела. И это хорошо.

Основные понятия

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах, законы отражения света от зеркальных поверхностей, принципы построения изображений при прохождении света через оптические системы.

Важно! Все эти процессы рассматриваются без учета волновых свойств света!

В жизни геометрическая оптика, являясь крайне упрощенной моделью, тем не менее, находит широкое применение. Это как классическая механика и теория относительности. Произвести нужный расчет чаще всего гораздо легче в рамках классической механики.

Основное понятие геометрической оптики – световой луч .

Отметим, что реальный световой пучок не распространяется вдоль линии, а имеет конечное угловое распределение, которое зависит от поперечного размера пучка. Геометрическая оптика пренебрегает поперечными размерами пучка.

Закон прямолинейного распространения света

Этот закон говорит нам о том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Иными словами, из точки А в точку Б свет движется по тому пути, который требует минимального времени на преодоление.

Закон независимости световых лучей

Распространение световых лучей происходит независимо друг от друга. Что это значит? Это значит, что геометрическая оптика предполагает, что лучи не влияют друг на друга. И распространяются так, будто других лучей и вовсе нет.

Закон отражения света

Когда свет встречается с зеркальной (отражающей) поверхностью, происходит отражение, то есть изменение направления распространения светового луча. Так вот, закон отражения гласит, что падающий и отраженный луч лежат в одной плоскости вместе с проведенной к точке падения нормалью. Причем угол падения равен углу отражения, т.е. нормаль делит угол между лучами на две равные части.

Закон преломления (Снеллиуса)

На границе раздела сред наряду с отражением происходит и преломление, т.е. луч разделяется на отраженный и преломленный.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .

Отношение синусов углов падения и преломления является постоянной величиной и равняется отношению показателей преломления этих сред. Еще эта величина называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Здесь стоит отдельно рассмотреть случай полного внутреннего отражения. При распространении света из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления по величине больше угла падения. Соответственно, при увеличении угла падения будет увеличиваться и угол преломления. При некотором предельном угле падения угол преломления станет равным 90 градусов. При дальнейшем увеличении угла падения свет не будет преломляться во вторую среду, а интенсивность падающего и отраженного лучей будут равны. Это называется полным внутренним отражением.

Закон обратимости световых лучей

Представим, что луч, распространяясь в каком-то направлении, претерпел ряд изменений и преломлений. Закон обратимости световых лучей гласит, что если пустить навстречу этому лучу другой луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый, но в обратном направлении.

Мы продолжим изучать основы геометрической оптики, а в будущем мы обязательно рассмотрим примеры решения задач на применение различных законов. Ну а если сейчас у вас имеются какие-либо вопросы, добро пожаловать за верными ответами к специалистам студенческого сервиса . Мы поможем решить любую задачу!