Основы оптики

 

 

 

                                        

 

 

 

 

 

 

                                         РГПУ им. А.И. Герцена

                            студента факультета Географии  (1 курс)

                                               Сытова Станислава

                              Реферат по теме :  Законы оптики

                         Преподаватель :  Оксана Владимировна

                                              

 

 

 

 

 

 

 

                                                          Санкт-Петербург

                                                                     2012г.

 

 

 

Содержание:

Законы геометрической оптики

-Вступление 

-Закон прямолинейного распространения света

-Закон независимого распространения лучей

-Закон отражения света

-Закон преломления света (Закон Снелла)

-Закон обратимости светового луча.

-Вывод

 

 

 

 

 

Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Краеугольным приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света.

В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место интерференция, в результате которой ограниченный пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение т.е имеет место дифракция. Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

Кроме отсутствия волновых эффектов, в геометрической оптике пренебрегают также квантовыми эффектами. Как правило, скорость распространения света считается бесконечной (вследствие чего динамическая физическая задача превращается в геометрическую), однако учёт конечной скорости света в рамках геометрической оптики (например, в астрофизических приложениях) не представляет трудности. Кроме того, как правило, не рассматриваются эффекты, связанные с откликом среды на прохождение лучей света. Эффекты такого рода, даже формально лежащие в рамках геометрической оптики, относят к нелинейной оптике. В случае, когда интенсивность светового пучка, распространяющегося в данной среде, достаточно мала для того, чтобы можно было пренебречь нелинейными эффектами, геометрическая оптика базируется на общем для всех разделов оптики фундаментальном законе о независимом распространении лучей. Согласно нему лучи при встрече с другими лучами продолжает распространяться в том же направлении, не изменив амплитуды, частоты, фазы и плоскости поляризации электрического вектора световой волны. В этом смысле лучи света не влияют друг на друга и распространяются независимо. Результирующая картина распределения интенсивности поля излучения во времени и пространстве при взаимодействии лучей может быть объяснена явлением интерференции.

Не учитывает геометрическая оптика также и поперечного характера световой волны. Вследствие этого в геометрической оптике не рассматривается поляризация света и связанные с ней эффекты.

 Закон прямолинейного распространения света:  в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям. В связи с законом прямолинейного распространения света появилось понятие световой луч, которое имеет геометрический смысл как линия, вдоль которой распространяется свет. Реальный физический смысл имеют световые пучки конечной ширины. Световой луч можно рассматривать как ось светового пучка. Поскольку свет, как и всякое излучение, переносит энергию, то можно говорить, что световой луч указывает направление переноса энергии световым пучком. Также закон прямолинейного распространения света позволяет объяснить, как возникают солнечные и лунные затмения.

Закон независимого распространения лучей — второй закон геометрической оптики, который утверждает, что световые лучи распространяются независимо друг от друга. Так, например, при установке непрозрачного экрана на пути пучка световых лучей экранируется (исключается) из состава пучка некоторая его часть. Однако, по свойству независимости необходимо считать, что действие лучей оставшихся незаэкранированными от этого не изменится.

То есть предполагается, что  лучи не влияют друг на друга, и распространяются так, как будто других лучей, кроме рассматриваемого, не существует.

 

Закон отражения света

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения). Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида, датируемой примерно 200 лет до н. э.

Законы отражения. Формулы  Френеля

Закон отражения света — устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом:

 
Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивностиотражённого света.

Сдвиг Фёдорова

Сдвиг Фёдорова — явление бокового смещения луча света при отражении. Отражённый луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом. Явление теоретически предсказано Ф. И. Фёдоровым в1954 году, позже обнаружено экспериментально.

Механизм отражения

В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла. Световые волны, падающие на диэлектрик вызывают малые колебания диэлектрической поляризации в отдельных атомах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях (как антенна-диполь). Все эти волны складываются и в соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля дают зеркальное отражение и преломление. При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникают колебания электронов (электрический ток), электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.

В зависимости от резонансной  частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества при отражении излучается волна  определённой частоты (определённого  цвета). Так предметы приобретают  цвет. Хотя цвет объекта определяется не только свойствами отражённого света (см. Цветовое зрение и Физиология восприятия цвета).

Виды отражения

Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а толькоэнергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.

Зеркальное отражение

Зеркальное отражение  света отличает определённая связь  положений падающего и отражённого  лучей: 1) отражённый луч лежит в  плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в  точке падения; 2) угол отражения  равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей (см. Поляризация света), а также от соотношения показателей преломления n₂ и n₁ 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды — диэлектрика) выражают формулы Френеля. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен

В важном частном случае нормального  падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления  воздуха = 1,0; стекла = 1,5) он составляет 4 %.

Полное внутреннее отражение

Внутреннее  отражение

Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей скоростью распространения (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

С увеличением угла падения  , угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного — падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении   интенсивность преломленного луча становится равной нулю и происходит полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления равным 90°:

Диффузное отражение  света

При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны (см. Закон Ламберта). По этой причине нельзя увидеть свое отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения.

 

Закон Снелла (Снеллиуса) преломления света описывает преломление света на границе двух сред. Также применим и для описания преломления волн другой природы, например звуковых.

Закон был открыт в начале XVII века голландским математиком Виллебрордом Снеллом, известным также под латинизированным именем Снеллиус. Несколько позднее переоткрыт французским рационалистом Рене Декартом.

Угол падения света на поверхность  связан с углом преломления соотношением

 

Здесь:

•  — показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;
•  — угол падения света — угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;
•  — показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела;
•  — угол преломления света — угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.

Если  , имеет место полное внутреннее отражение (преломлённый луч отсутствует, падающий луч полностью отражается от границы раздела сред)

• Следует заметить, что в случае анизотропных сред (например, кристаллов с низкой симметрией или механически деформированных твердых тел) преломление подчиняется несколько более сложному закону. При этом возможна зависимость направления преломленного луча не только от направления падающего, но и от его поляризации (см. двойное лучепреломление).
• Также следует заметить, что закон Снелла не описывает соотношение интенсивностей и поляризаций падающего, преломленного и отраженного лучей.
• Закон Снелла хорошо определен для случая «геометрической оптики», то есть в случае, когда длина волны достаточно мала по сравнению с размерами преломляющей поверхности, вообще же говоря работает в рамках приближенного описания, каковым и является геометрическая оптика.

Векторная формула

Пусть   и   лучевые векторы падающего и преломленного световых лучей, то есть векторы, указывающие направления лучей и имеющие длины   и  , а   единичный нормальный вектор к преломляющей поверхности в точке преломления. Тогда

Закон обратимости светового  луча

Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном  направлении, повторит свой ход в  точности при распространении и  в обратном направлении.

 

 

Вывод

Поскольку геометрическая оптика не учитывает волновой природы света, в ней действует постулат, согласно которому если в какой-то точке сходятся две (или большее количество)систем лучей, тоосвещённости, создаваемые ими, складываются.

Однако наиболее последовательным является вывод законов геометрической оптики из волновой оптики в эйкональном приближении. В этом случае, основным уравнением геометрической оптики становится уравнение эйконала, которое допускает также словесную интерпретацию в виде принципа Ферма, из которого и выводятся перечисленные выше законы.

Частным видом геометрической оптики является матричная оптика.