Основные законы оптики. Полное отражение

Еще до установления природы света были известны следующие основные законы оптики: закон прямолинейного распространения света в оптически однородной среде; закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике); закон отражения света; закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света: свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их точечными источниками света (источники, размеры которых значительно меньше освещаемого предмета и расстояния до него).

Закон независимости световых пучков: эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Если свет падает на границу раздела двух сред (двух прозрачных веществ), то падающий луч I (рис.25.1.) разделяется на два — отраженный II и преломленный III, направления которых задаются законами отражения и преломления.

Закон отражения: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела Рис. 25.1.

двух сред в точке падения; угол i₁' отражения равен углу i₁ падения:

i₁'= i₁. (25.1)

Закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

= n₂₁, (25.2)

где n₂₁ — относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

n₂₁ = . (25.3)

Абсолютным показателем преломления среды называется величина n₁ равная отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости u в среде:

n₁=с/u. (24.4)

также п= , где ε и μ — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

Если свет распространяетсяиз среды с большим показателем преломления n₁ (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления n₂(оптически менее плотную) (n₁>n₂), например, из стекла в воду, то

sin i₂/ sin i₁ = n₁ /n₂> 1. (25.5)

Отсюда следует, что преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления i₂больше, чем угол падения i₁ (рис. 25.2.а). С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис.25.2.б, в) до тех пор, пока при некотором угле падения (i₁ = i_пр) угол преломления не окажется Рис.24.2.

равным π/2. Угол i_пр называется предельным углом. При углах падения i₁ > i_пр весь падающий свет полностью отражается (рис.25.2. г).

По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного — растет (рис. 25.2.а—в). Если i₁ = i_пр, то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 25.2.г). Таким образом, при углах падения в пределах i_пр до π/2 луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.

Предельный угол i_пр

sin i_пр = n₂ /n₁= n₂₁. ( 25.6)

Явление полного отражения используется в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел.

Явление полного отражения используется также в световодах, представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.

Световоды используются в электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики и т. д.