Световой луч. Фронт световой волны
Геометрическая оптика описывает распространение света в прозрачных средах.
Прозрачная среда – это среда, в которой световая волна проходит расстояние, существенно превосходящее длину световой волны, без существенного уменьшения энергии.
Геометрическая оптика – это предельный случай волновой оптики, когда размеры объектов в данной физической ситуации, значительно больше длинны световой волны.
Понятно, что именно законы геометрической оптики были открыты значительно раньше, чем законы волновой оптики. Так как размеры предметов, которые нас окружают, значительно больше, чем длина световой волны.
Именно законы геометрической оптики мы и изучаем, впервые они появились в трудах Евклида, которые носили название «Катоптрика».
Вспомним основные понятия.
Световой луч – линия, вдоль которой распространяется поток световой энергии.
А теперь усовершенствуем его, учитывая принципы волновой оптики, с которыми мы уже ознакомились, и свойства распространения волн.
Световой луч – линия, вектор касательной к которой перпендикулярен фронту световой волны и направлен в сторону переноса энергии световой волны в данной точке.
Волны, в зависимости от фронта, делятся на разные виды. Мы будем работать с волами двух типов, а именно плоскими и сферическими.
Плоская волна – это волна, фронт которой представляет собой плоскость. Например, волна от длинной светящейся лампы (Рис. 1).
Рис. 1. Пример плоской волны
Сферическая волна – это волна, фронт которой представляет собой сферу (Рис. 2).
Рис. 2. Пример сферической волны
Отметим, что понятие светового луча – чисто геометрическое, реальных световых лучей в природе мы не встретим. Это понятие используют для схематического изображения световых пучков. Именно со световыми пучками мы имеем дело в реальной жизни.
Закон независимости распространения света
Первый закон геометрической оптики говорит об этом: вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от влияния других лучей. Формулировка: если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.
Этот закон справедлив для световых пучков сравнительно небольшой интенсивности. Если же мы имеем дело со световыми пучками большой интенсивности, будут наблюдаться отклонения от выполнения этого закона.
Закон прямолинейного распространения света
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.
Тень. Полутень
Еще одно фундаментальное следствие из закона прямолинейного распространения света – образование теней и полутеней.
На рисунке изображен точечный источник света 
и предмет, например треугольник, на экране мы видим тень этого предмета также в виде треугольника, но только другого цвета (Рис. 6).
Рис. 6. Тень от предмета
Тень появляется, если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, происходит следующее:
1. луч, который идет мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении (движется прямолинейно);
2. луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета, дальнейший ход такого луча пресекается, и в результате на экране такой луч не будет виден.
Так возникает геометрическая тень, края которой четко очерчены. Важно понимать, что в реальности, вследствие явления дифракции, края у тени на самом деле несколько расплывчатые.
В случае если источник света является не точечным, а протяженным, на экране, помимо тени, будет наблюдаться еще и полутень (область частичной освещенности) (Рис. 7).
Рис. 7. Пример образования полутени
Отличным примером образования полутеней и теней являются хорошо вам известные солнечное и лунное затмения (Рис. 8).
Рис. 8. Лунное затмение
Заключение
Итак, на этом уроке мы вспомнили основные понятия геометрической оптики, а также вспомнили некоторые понятия из волновой оптики и сформулировали два первых закона геометрической оптики.
Список литературы
1. Жилко В.В., Маркович Я.Г. Физика. 11 класс. – 2011.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс. Учебник.
3. Касьянов В.А. Физика, 11 класс. – 2004.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
1. Интернет портал «FizMat.by» (Источник)
2. Интернет портал «Большая Энциклопедия Нефти и Газа» (Источник)
3. Интернет портал «Энциклопедия по машиностроению XXL» (Источник)
Домашнее задание
1. Опыт. Положите на стол кусок картона и воткните в него две булавки в нескольких сантиметрах друг от друга. Между этими булавками воткните еще две-три булавки так, чтобы, глядя на одну из крайних, вы увидели только ее, а остальные булавки были бы закрыты от нашего взгляда ею. Выньте булавки, приложите линейку к следам в картоне от двух крайних булавок и проведите прямую. Как расположены следы от других булавок по отношению к этой прямой?
2. Ученик заметил, что палка длиной 1,2 м, поставленная вертикально, отбрасывает тень длиной 0,8 м. Длина тени от дерева в то же время оказалась ровно в 12 раз больше длины палки. Какова высота дерева?
