Основные законы геометрической оптики

Элементы геометрической оптики

Оптика – раздел физики, изучающий природу света, закономерности его испускания, распространение и взаимодействие с веществом. Свет представляет собой электромагнитные волны, поэтому оптика – часть общего учения об электромагнитном поле. Оптику разделяют на геометрическую, волновую и квантовую.

Геометрическая оптика изучает законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей.

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется энергия светового излучения.

В основе геометрической оптики лежат 4 закона:

1. Закон прямолинейности распространения света; свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Замечание: оптически однородная – среда, в которой показатель преломления в каждой точке одинаков. Абсолютный показатель – физическая величина, численно равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде

;

для воздуха и вакуума, который равен 1

Для других сред

зависит от частоты света и состояния среды, в которой распространяется свет (плотность и температура)

Относительный показатель преломления 2 среды относительно 1 равен отношению абсолютного показателя преломления 2 среды к абсолютному показателю 1 среды

2. Закон независимости световых пучков: пучки световых лучей, пересекаясь, не интерферируют и распространяются после пересечения независимо друг от друга

3. Закон отражения света: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный к границе раздела сред в точку падения луча лежат в одной плоскости

4. Закон преломления света: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный к границе сред в точку падения луча, лежат в 1 плоскости. Отношение sin угла падения к sin угла преломления численно равно относительному показателю преломления 2 среды относительно 1:

Из симметрии этого выражения следует обратимость световых лучей

Полное отражение

Свет распространяется из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную , то на границе раздела сред наблюдается явление полного отражения.

Полным отражением называется явление, при котором луч света, падая на границу раздела 2 сред полностью отражается в 1 среду (не преломляясь во 2), при этом интенсивность падающего и отраженного луча одинакова. Предельный угол полного отражения определяется из закона преломления света, при условии, что луч идет из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную.

;

Тонкие линзы

Линза – прозрачное тело, ограниченное 2 сферическими поверхностями или одной сферической и плоской.

Классификация по основаниям:

- Виду ограничивающих линзу поверхностей: двояковыпуклая, двояковогнутую, плосковыпуклые, плосковогнутые, выпукло-вогнутые, вогнуто-выпуклые

- По оптическим свойствам: собирающие и рассеивающие

Мнимые лучи – пунктиром, действительные лучи – обычным

Линза является тонкой, если ее толщина много меньше, чем радиусы кривизны обеих поверхностей линзы.

Формула тонкой линзы:

F – фокусное расстояние линзы, и – радиусы кривизны поверхности линзы; если выпуклая – радиус больше 0, если вогнутая – радиус меньше 0, в плоской поверхности показатель преломления равен бесконечности

– расстояние от предмета до линзы, – расстояние от линзы до изображения

+ для действительных, а – для мнимых.

Важная характеристика – оптическая сила линзы (дптр), если оптическая силабольше 0, то линза собирающая, если меньше 0 – линза рассеивающая. Другое важное понятие – увеличение линзы: