В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями (свет распространяется прямолинейно).

Принцип Ферма

Следует отметить, что обобщением всех законом геометрической оптики является всего лишь один принцип, так называемый принцип наименьшего времени или иначе – принцип Ферма. Принцип был назван в честь французского математика, который впервые его сформулировал. Определение: распространение света из одной точки к другой происходит по такому пути, прохождение которого требует минимального времени по сравнению с любыми другими путями между этими точками.

Даже закон прямолинейного распространения света был выведен на основе данного принципа. И в самом деле, какая линия является кратчайшим путем между двумя точками? Конечно же, прямая, а это значит, что луч света, который распространяется по прямой, затратит наименьшее время при распространении в прозрачной, оптически однородной среде.

Точно так же принципом Ферма можно пользоваться и для доказательства закона отражения и закона преломления света.

Существует оптико-механическая аналогия. Как нам известно, в механике для того чтобы максимально быстро добраться из пункта А в пункт Б, если среда однородна, нужно двигаться именно по прямой, и в таком случае затраченное время будет минимальным.

Однородная среда – это такая среда, свойства которой не меняются при переходе от точки к точке.

Закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной, оптически однородной, среде луч света ведет себя подобно геометрическому лучу. Отсюда и название – геометрическая оптика.

Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запыленной комнате через щель в окне. Находясь под водой, тоже можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду. Все это – проявления закона прямолинейного распространения.

При нарушении однородности среды и сам закон будет нарушаться, возможно преломление лучей на границе сред. Если оптические свойства среды меняются от точки к точке, то ход световых лучей искривляется, в этом состоит причина миражей (рис. 3).

Рис. 3. Мираж

Еще одно применение закона распространения света – изобретение первого примитивного фотоаппарата – камеры-обскура.

Камера-обскура

Давайте разберемся, с чего начинался современный фотоаппарат, его прадедушкой была простая и скромная камера-обскура. В ее работе использовался закон прямолинейного распространения света.

С латинского camera – «комната», а obscura – «темная». Данная камера является самым простым примером оптического прибора, с помощью которого можно получить изображение объекта. Ее делали в виде светонепроницаемого ящика с маленьким отверстием ( мм) в одной из стенок и экраном на противоположной. Лучи света, проходя сквозь отверстие, в итоге создавали на экране перевернутое изображение (рис. 4).

Рис. 4. Камера-обскура

Китайские философы еще в V веке до нашей эры говорили, что такое устройство способно давать изображение достаточно удаленных предметов.

Еще одним ученым, который анализировал принцип работы камеры, был Аристотель. Он отмечал, что свет, проникающий в комнату через небольшое отверстие в ставне, образует на противоположной стене изображение предметов, находящихся на улице перед окном.

В Х веке арабский ученый Альгазен использовал принцип работы камеры-обскура для наблюдений за Солнцем. Зная, что наблюдать за Солнцем невооруженным взглядом вредно, он наблюдал за изображением солнца, которые получал, делая отверстие в палатке, что в результате давало изображение на противоположной стенке палатки.

Все, что мы обсуждали выше, – это всего лишь принцип работы камеры-обскура. А вот конструкцию и ее название предложил Леонардо да Винчи. Именно он впервые применил эту камеру для зарисовки пейзажей.

В 1544 году голландский физик и математик Фризиус Реньер Гемма наблюдал солнечное затмение с помощью все той же камеры-обскура. Благодаря этому ученому появилось первое изображение камеры в научных трудах (рис. 5).

Рис. 5. Изображение камеры-обскура

Таким образом, простой закон прямолинейного распространения света позволил нам разобраться в устройстве первого примитивного фотоаппарата.