Основные законы оптики. Полное отражение.

К основным законам распространения света относятся: закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света, закон независимости световых пучков.

Закон прямолинейного распространения света – в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона служит образование тени с резкими границами от

непрозрачных предметов при освещении их источниками света малых размеров (рис.1).

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

Закон отражения света – отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенном к границе раздела двух сред в точке падения луча. Угол падения a равен

углу отражения β (рис. 2).

Закон преломления света – луч падающий, луч, преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой (рис. 3). Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме, т.е.:

с – скорость света в вакууме, v – скорость света в данной среде.

Обратимость световых пучков - если обратить преломленный луч, заставив его падать на границу раздела под углом i, то преломленный луч в первой среде будет распространяться вдоль падающего луча. Из закона преломления следует, что при распространении света из оптически менее плотной среды в более плотную n₂> n₁,, и угол падения больше угла преломления. Если же луч света переходит из оптически более плотной среды в менее плотную, то n_2< n₁,, и угол падения меньше угла преломления.

С увеличением угла падения увеличивается и угол преломления, и при некотором значении угла падения a_кр угол преломления окажется равным 90. Одновременно с этим интенсивность преломленного луча уменьшается, а интенсивность отраженного луча увеличивается и при угле падения равном a_кр интенсивность преломленного луча становится равной нулю, а интенсивность отраженного луча равна интенсивности падающего луча. Поэтому это явление получило название полного внутреннего отражения. Угол падения a_кр получил название предельного угла полного внутреннего отражения. При углах падения больших a_кр весь падающий свет отражается в первую среду. Из закона преломления света можно получить, если учесть, что i=90 формулу для угла полного внутреннего отражения,.

Явление полного отражения нашло широкое практическое применение в призмах полного отражения. Такие призмы применяются в биноклях, перископах, телескопах, а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатель преломления вещества.

Если направить в какую-либо точку на границе раздела двух сред пучок лучей с углами падения от 0 до 90° со стороны оптически более плотной среды и наблюдать картину в отраженных лучах, то поле зрения будет разделено на две части различной освещенности. Та часть поля зрения, которая освещается лучами, испытавшими частичное отражение от границы раздела и частичное преломление (лучи 1 и 2 на рис. 4, а), будет менее освещена, чем вторая половина, которая освещается только лучами, испытавшими полное внутреннее отражение (лучи 3 и 4 на рис. 4, а).

При наблюдении картины в проходящем свете граница раздела сред освещается пучком лучей, идущих из среды с меньшим показателем преломления (лучи 1, 2, 3, 4 на рис.4, б). Очевидно, что в пучке преломленных лучей луч 4 будет крайним. Поле зрения будет разделено на полностью затененную и освещенную части. Этот способ дает очень

отчетливую границу, но пригоден только для прозрачных сред. Первый же способ может применяться и в том случае, когда среда с меньшим показателем преломления мало прозрачна, но в этом случае граница наблюдается труднее из-за малой разницы в освещенности обеих половин поля зрения.