04. Законы геометрической оптики

Введение

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).

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: , – скорость света в вакууме, – 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.

Закон полного внутреннего отражения

Существует предельный угол преломления – наибольший угол падения луча, при котором еще имеет место преломление при переходе луча в менее плотную среду. При углах падения больше предельного происходит полное внутреннее отражение (см. рис. 3).

Границы применимости геометрической оптики заключаются в том, что необходимо учитывать размер препятствий для света.

Свет характеризуется длиной волны, равной примерно 10-9 метра

Если препятствия больше длины волны, то можно использовать размеры геометрической оптики.

Список рекомендованной литературы

1. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений и шк. с углубл. изучением физики: профильный уровень / А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др. Под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. Рос. акад. наук, Рос. акад. образования. – М.: Просвещение, 2009.

2. Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.

3. Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Санкт-Петербургская Школа (Источник)

Рекомендованное домашнее задание

Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10–11 кл. – М.: Дрофа, 2010. – № 1023, 1024, 1042, 1054.

1. Зная скорость света в вакууме, найдите скорость света в алмазе.

2. Почему, сидя у костра, мы видим предметы, расположенные напротив, колеблющимися?

3. Прокомментируйте опыт: положите монетку на стол и поставьте на нее пустую стеклянную банку (см. рис. 4). Посмотрите на монетку сбоку сквозь стенку банки (или попросите кого-нибудь смотреть на монетку). Налейте воды полную банку и посмотрите вновь сбоку на дно банки. Куда исчезла монетка?