Геометрическая оптика
Геометрическую оптику можно рассматривать как предельный случай волновой оптики.
Раздел оптики, в котором распространение световой энергии рассматривается на основе представления о световых лучах как направлениях движения энергии, называется геометрической оптикой. Такое название ей дано потому, что все явления распространения света здесь могут быть исследованы путем геометрических построений хода лучей с учетом лишь законов отражения и преломления света. Эти два закона являются основой геометрической оптики.
И только там, где речь идет о явлениях, разыгрывающихся в точках изображения источника, законы геометрической оптики оказываются недостаточными и необходимо пользоваться законами волновой оптики. Геометрическая оптика дает возможность разобрать основные явления, связанные с прохождением света через линзы и другие оптические системы, а также с отражением от зеркал.В основе геометрической оптики лежат законы –закон о прямолинейном распространении света. Понятие о световом луче, как о бесконечно тонком пучке света, распространяющемся прямолинейно составляет противоречие с представлениями о волновой природе света, согласно которым отклонение от прямолинейного распространения будет тем больше, чем более узкий световой пучок (явление дифракции).Закон независимости распространения световых пучков. Законы отражения и закон преломления света позволяют объяснить и описать многие физические явления, а также проводить расчеты и конструирование оптических приборов. Законы отражения и преломления света были вначале установлены как опытные законы. Однако волновая теория объясняет их элементарным образом, исходя из принципа Гюйгенса, приложимого к волнам с неограниченными фронтами.
 |
Рис 1
На рисунке 1 изображена схема, объясняющая отражение плоской световой волны Е от плоской границы раздела SS двух оптически разнородных сред. Цифрами /, 2, 3, 4, . обозначены параллельные лучи, вдоль которых распространяется энергия волны, один из плоских фронтов которой изображен прямой (следом) Е, нормальной к лучам. Расстояния между лучами /, 2, 3, 4, . выбраны равными между собой. Световые колебания, бегущие вдоль луча /, возбуждают в точке Ог элементарную сферическую волну /, которая за время At пробегает путь 01А — сАt. Аналогичные световые колебания возбуждают в точках 02, 03, 04, . элементарные сферические волны //, ///, IV, . . За время Аt колебание, идущее вдоль луча 2, пробежит путь ОA2, и после встречи с поверхностью SS сферическая волна // пройдет расстояние О2A2, причем 02А'2 + 02A2 = О1А1. Точно так же будем иметь: 03А'3 + 03A3 = О1А1 и т. д. Вследствие этого элементарные сферические волны /, //, ///, IV, . будут иметь общую касательную поверхность Е', которая касается элементарных волн /, //, ///, IV, . в точках A1, А2, А'3, A4', . . Эта общая касательная поверхность и будет представлять поверхность отраженной световой волны. Из геометрических соотношений нетрудно показать, что угол падения I равен углу отражения I ', луч падающий и отраженный находятся в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на поверхность раздела в точке падения.
Если отражение происходит от кривых поверхностей, то закон отражения в той форме, в которой он здесь сформулирован, применяется к бесконечно малым участкам поверхности, которые могут приниматься с очень большой степенью приближения за плоские. Практическое применение этого закона будет сделано в приложении к сферическим зеркалам.
При отражении света на границах раздела двух сред всегда имеет место неполное отражение, так как какое-то количество света проходит в среду, от границы с которой и происходит отражение. Если эта среда слабо поглощает, то частично прошедший свет распространяется в ней на большие расстояния. В случае поглощающей среды проникший в нее свет быстро поглощается, а его энергия обычно происходит по внутреннюю энергию среды. Возможны и другие превращении световой энергии, проникшей во вторую среду.
Введем обозначения: R — коэффициент отражения; А — коэффициент, определяющий поглощение света средой после его проникновения в псе (среда полностью поглощает прошедшее в нее излучение), тогда
R+A=1
Величины R и А могут иметь самые различные значения. R. достаточно велико у полированных поверхностей металлов или у металлических пленок, нанесенных на полированные поверхности диэлектриков (у серебра в видимой и инфракрасной области. Рассмотрим теперь явление преломления света. Оно происходит на границе раздела двух сред. При прохождении через границу луч света испытывает скачкообразное изменение направления распространения. Это явление и называется преломлением света. Наряду с этим наблюдаются явления так называемой рефракции, т. е. плавного изменения направления распространения, когда в среде имеет место градиент показателя преломления .
Преломление света подчиняется следующему закону: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению абсолютных показателей преломления второй и первой среды; лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на поверхность раздела в точке падения, Математически закон преломления записывается в виде:
sin i n 2
----- = ---
sin i n 1
где I — угол падения световых лучей на границу раздела двух сред с абсолютными показателями преломления n1 и n2 ; I' — угол преломления; N — нормаль к поверхности раздела. Величину
n2
n1,2=------
n1
называют относительным показателем преломления двух сред. Закон преломления непосредственно следует из волновой теории света, что поясняет рисунок 2. Параллельный пучок света падает на поверхность раздела двух сред. Пусть фазовая скорость света в первой среде равна V1, во второй средеV2 Фронт 
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6