Геометрическая оптика
Страница 2
Стационарность оптических путей имеет место также при прохождении лучей через линзу (рис. 5). Луч РОР΄ имеет самый короткий путь в воздухе (где показатель преломления n практически равен единице) и самый длинный путь в стекле (n ≈ 1,5). Луч PQQ΄P΄ имеет более длинный путь в воздухе, но зато более короткий путь в стекле. В итоге оптические длины путей для всех лучей оказываются одинаковыми. Поэтому лучи таутохронны, а оптическая длина пути стационарна.
Рассмотрим волну, распространяющуюся в неоднородной изотропной среде вдоль лучей 1, 2, 3 и т. д. (рис. 6). Неоднородность будем считать достаточно малой для того, чтобы на отрезках лучей длины λ показатель преломления можно было считать постоянным. Построим волновые поверхности S1, S2, S3 и т. д. таким образом, чтобы колебания в точках каждой следующей поверхности отставали по фазе на 2π от колебаний в точках предыдущей поверхности. Колебания в точках, лежащих на одном и том же луче, описываются уравнением ξ = a cos (ωt – κr + a) (r – расстояние, отсчитываемое вдоль луча). Отставание по фазе определяется выражением κ∆r, где ∆r – расстояние между соседними поверхностями. Из условия κ∆r = 2π получаем, что ∆r = =2π/κ = λ. Оптическая длина каждого из путей геометрической длины λ равна nλ = λ (так как λ = λ /n). Согласно (рис. 4) время τ, за которое свет проходит некоторый путь, пропорционально оптической длине этого пути. Следовательно, равенство оптических
длин означает равенство времен прохождения светом соответствующих путей. Таким образом, мы проходим к выводу, что отрезки лучей, заключенные между двумя волновыми поверхностями, имеют одинаковую оптическую длину и являются таутохронными. В частности, таутохронны отрезки лучей между изображенными пунктиром на рис. 5 волновыми поверхностями ММ и NN.
Из проведенного нами рассмотрения вытекает, что отставание по фазе δ, возникающее на пути с оптической длиной L, определяется выражением:
(λ - длина волны в вакууме)
Закон прямолинейного распространения света.
Закон прямолинейного распространения света утверждает, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон является приближенным: при прохождении света через очень малые отверстия наблюдается отклонение от прямолинейности, тем большие, чем меньше отверстие.
Закон независимости световых лучей.
Закон независимости световых лучей утверждает, что лучи при пересечении не возмущают друг друга. Пересечения лучей не мешают каждому из них распространяться независимо друг от друга. Этот закон справедлив лишь при не слишком больших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей перестает соблюдаться.
Закон отражения света.
Согласно закону отражения света, отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; угол отражения равен углу падения.
Из условия равенства проекций волновых векторов на ось х, имеем:
Показанные на рис. 7 углы называются углом падения, углом отражения и углом преломления. Из рисунка видно, что
Поэтому соотношение (5) можно записать в виде:
Векторы κ и κ΄ имеют одинаковый модуль,
равный ω/ ; модуль вектора κ΄΄ равен ω/
Следовательно,
Отсюда вытекает, что
Закон преломления света.
Закон преломления света формулируется следующим образом: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных веществ. (закон доказывался выше)
Заключение
Свет представляет собой электромагнитную волну. Если длина световой волны значительно меньше размеров препятствий, встречающихся на пути ее распространения, то с достаточной точностью справедливо описание явлений методами геометрической оптики.
Большое применение имеют линзы – прозрачные тела, ограниченные сферическими поверхностями. Различают собирающие линзы и рассеивающие. Параллельный пучок лучей, падающий на собирающую линзу, собирается в одной точке, называемой фокусом линзы. Параллельный пучок лучей, падающий на рассеивающую линзу, расходится так, что продолжения лучей собираются в одной точке. Эта точка называется мнимым фокусом линзы.
Основная формула линзы связывает ее фокусное расстояние F (расстояние от линзы до фокуса) с расстоянием d от предмета до линзы и расстоянием f от линзы до изображения:
На законах геометрической оптики основано устройство и действие многих оптических приборов – фотоаппарата, проекционного аппарата, микроскопа и телескопа. Эти законы позволяют понять действие глаза как оптической системы.
Список использованной литературы
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. «Физика 11», Москва «Просв.» 1989
2. Кабардин О.Ф. «Физика», Москва «Просвещение» 1988
3. Савельев И.В. «Курс общей физики», Москва «Наука» 1988