Основные законы геометрической оптики

Самой грубой теорией распространения света является геометрическая оптика, в которой рассматривается понятия светового луча и законы, которым он подчиняется.

Под световыми лучами понимаются нормальные к волновым поверхностям линии, вдоль которых распространяется поток световой энергии.

       Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом от источника, имеющего достаточно малые размеры (точечный источник).

Другим доказательством может служить опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок.

       Наличие неоднородности в среде приводит к отклонению от прямолинейного распространения. Закон прямолинейного распространения нарушается и понятие светового луча теряет смысл, если свет проходит через маленькое отверстие, размеры которого сравнимы с длиной волны.

1.                Закон независимости световых пучков.

      Эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно световые пучки или нет. Т.е. лучи при пересечении не действуют друг на друга. Этот закон справедлив для лучей небольшой интенсивности.

2.                Закон отражения и преломления.

      При падении луча света на границу раздела 2-х сред обычно происходит и отражение и преломление. Тогда можно утверждать, что:

1)                Падающий луч, отраженный луч и нормаль в точке падения лежат в одной плоскости.

2)                Угол падения равен углу отражения.

3)                Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная  для 2-х данных сред. , где  - относительный показатель преломления 2-й среды относительно 1-й.

       Если вторая среда является оптически более плотной, т.е. имеет больший показатель преломления, то  > 1, а если вторая среда является оптически менее плотной, то  < 1.

      Абсолютным показателем преломления среды называется величина, равная отношению скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде  , т.е n≥1.

3.                Обратимость хода падающего и преломленного лучей.

      Если световой луч направить противоположно преломленному лучу, то новый преломленный луч пойдет противоположно первому падающему лучу.

4.                Закон полного внутреннего отражения света.

      Если свет распространяется из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, то , т.е. угол преломления больше угла падения.

       Если увеличивать угол падения, увеличивается и угол преломления. При этом интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет, и при некотором угле падения  угол преломления станет равным при этом интенсивность преломленного луча станет равной нулю, а интенсивность отраженного - станет равна интенсивности падающего.

       При углах  падающий луч не преломляется в I среду, причем интенсивность отраженного и падающего лучей равны. Это явление называется полным внутренним отражением.

    Частным примером явления полного внутреннего отражения света служит то, что не все лучи, падающие от подводного источника на поверхность воды, выходят в воздух, а только те, для которых угол падения не превышает предельный угол. Луч, падающий на плоско параллельную поверхность, после выхода из пластинки в прежнюю среду, восстанавливает прежнее направление распространения.