Краткая теория. Первые законы оптических явлений были установлены на основе представлений о прямолинейных световых лучах

Первые законы оптических явлений были установлены на основе представлений о прямолинейных световых лучах. Они относились к изменениям направления распространения света при отражении или переходе света из одного прозрачного вещества в другое.

Простейший случай изменения направления света наблюдается при прохождении света через ровную и плоскую границу двух прозрачных веществ, например воздуха и стекла или стекла и воды и т.д. В этом случае падающий луч АВ (рис. 1) разбивается на два новых луча: отраженный ВС и преломленный ВD.

Закон, определяющий направление отраженного луча, был известен еще Евклиду (III в. до н. э.). Отраженный луч ВС лежит в одной плоскости с падающим лучом АВ и нормалью ВN, восстановленной из точки падения, при этом он лежит по другую сторону от нормали; угол отражения i₁’ численно равен углу падения i₁:

Что касается закона преломления, то его точная формулировка была дана гораздо позже, чем закона отражения, а именно в начале XVII в. По закону преломления преломленный луч ВD (рис.1) лежит в одной плоскости с падающим лучом АВ и нормалью ВN, восстановленной из точки падения; отношение синуса угла падения i₁, к синусу угла преломления i₂ есть величина постоянная для данной пары веществ:

где u₁ и u₂ - скорости света в первой и во второй среде.

Величина n₂₁ называется относительным коэффициентом преломления второго вещества к по отношению первому.

Коэффициент преломления какого-либо вещества по отношению к вакууму принято называть абсолютным коэффициентом преломления данного вещества n. Слово “абсолютный” обычно опускают и тогда говорят просто о коэффициенте преломления данного вещества. Относительный коэффициент преломления можно выразить через абсолютные коэффициенты преломления следующим образом .

Отражение света наблюдается не только от границы раздела двух прозрачных веществ. В той или другой степени свет отражается от всякого тела. Полированные тела отражают свет с выполнением того же закона отражения, который имеет место при отражении от границы раздела двух прозрачных веществ: свет отражается в направлении угла i’, равному углу падения i. Такое отражение называется зеркальным. При этом интенсивность отраженного луча, в зависимости от природы отражающей поверхности, может быть весьма разной: серебряное полированное зеркало способно отражать до 96% падающего света; черная полированная поверхность отражает менее 1% падающего света. Кроме того, в некоторых случаях интенсивность отраженного света зависит от угла падения.

Наряду с зеркальным отражением свет отражается более или менее равномерно во все стороны. Поверхность, которая вполне равномерно рассеивает падающий свет во все стороны, называется абсолютно матовой.

Распределение интенсивности в диффузно отраженном свете в зависимости от угла отражения можно представить графически, отложив из точки падения света векторы, длина которых равна относительной интенсивности света в данном направлении. Огибающая концов таких векторов даст распределение интенсивности отраженного света. Такой график для некоторой отражающей поверхности представлен на рисунке 2. Максимум С в направлении зеркального отражения указывает, что данное тело не является абсолютно матовым: в определенном направлении оно “блестит”.

Свет при прохождении из вещества с меньшим коэффициентом преломления (оптически менее плотного) в вещество с большим коэффициентом преломления (оптически более плотного) приближается к нормали. Наоборот, при прохождении из вещества оптически более плотного в вещество оптически менее плотное луч отходит от нормали. В этом случае существует такой угол падения r_oменьший p/2, при котором угол преломления i равен p/2, то есть преломленный луч становится скользящим (Рис.3)Опыт показывает, что при углах падения r >r_o преломленного луча не существует: весь падающий свет полностью отражается. Это явление носит название полного внутреннего отражения. Угол r_oназывается предельным углом внутреннего отражения. Предельный угол полного внутреннего отражения связан с относительным коэффициентом преломления сред

соотношением:

Полное внутреннее отражение возможно при прохождении света из стекла (оптически более плотная среда) в воздух (оптически менее плотная среда) и невозможно при его прохождении из воздуха в стекло.

По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча падает, а интенсивность отраженного луча возрастает.

Рис.3 Возникновение полного внутреннего отражения

 

 

Не следует думать, что при достижении предельного угла r_o интенсивность выходящих лучей скачком обращается в нуль. В действительности, по мере роста угла r интенсивность выходящего (преломленного) луча непрерывно убывает, а интенсивность отраженного луча непрерывно возрастает. При r >r_o интенсивность отраженного луча становится равной интенсивности падающего луча, а луч, выходящий из из среды, исчезает полностью.

 

Скорость распространения света в среде и, соответственно, коэффициент преломления света в среде зависит от длины волны падающего света. Поэтому, при прохождении немонохроматическим светом (светом, содержащим разные длины волн) границы раздела двух сред, свет преломляется под разными углами, в зависимости от длины волны. Это явление называется дисперсией света.

 

Д И С П Е Р С И Я

 

 

Нормальная – показатель преломления растет с уменьшением длины волны

Аномальная – показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны