50.Законы геометрической оптики. Явление полного внутреннего отражения. Линзы и их применение. Формула тонкой линзы
Основу геометрической оптики образуют четыре закона:
1)прямолинейного распространения света;
2) независимости световых лучей;
3) отражения света;
4) преломления света.
Закон прямолинейного распространения утверждает, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон является приближенным: при прохождении света через очень малые отверстия наблюдаются отклонения от прямолинейности, тем большие, чем меньше отверстие.
З
акон
независимости световых лучей
утверждает, что лучи при пересечении
не возмущают друг друга. Пересечения
лучей не мешают каждому из них
распространяться независимо друг от
друга. Этот закон справедлив лишь при
не слишком больших интенсивностях
света. При интенсивностях, достигаемых
с помощью лазеров, независимость световых
лучей перестает соблюдаться.
Если свет, распространяясь, переходит из одной среды с показателем преломления n1 в другую с показателем преломления n2 (рис. 1.1), то происходит отражение света от второй среды, а также отклонение направления распространения света от первоначального, т. е. преломление луча.
Закон отражения света: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; угол отражения равен углу падения. Если угол падения обозначить через α, а угол отражения через β (рис. 1.1), то α = –β. Знак минус указывает на то, что углы α и β отсчитываются в разные стороны от нормали к поверхности.
Закон преломления света:
преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред и равна отношению скоростей распространения света в этих средах. Если углы падения луча α и преломления r отсчитывать от нормали к лучу по кратчайшему пути, то получим следующее выражение для закона преломления:
(1.4)
n21 носит название относительного показателя преломления двух веществ, который равен отношению их абсолютных показателей преломления.
При величине угла r0= π/2 преломленный луч скользит вдоль поверхности раздела двух сред. Согласно (1.4), этому значению r0 соответствует угол падения
α пред= arcsin (n2/n1).
При α > α пред падающий луч отражается от поверхности раздела и не попадает во вторую среду. Поэтому угол αпред называют углом полного внутреннего отражения. Энергия, которую несет с собой падающий луч, распределяется между отраженным и преломленным лучами. По мере увеличения угла падения интенсивность отраженного луча растет, интенсивность же преломленного луча убывает, обращаясь в нуль при предельном угле. При углах падения от αпред до π/2 световая волна возвращается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением и наблюдается при переходе света из оптически более плотной среды в среду менее плотную.
Явление полного внутреннего отражения используется в оптических волокнах. Осевая часть волокна (сердцевина) формируется из стекла с более высоким показателем преломления, чем окружающая оболочка. Такие световоды используются для построения волоконно-оптических кабелей для направленной передачи света (оптической связи).
Линза – система, состоящая из двух сферических поверхностей, ограничивающих какой-либо прозрачный хорошо преломляющий материал (обычно стекло) от окружающего воздуха.
Линза называется тонкой, если ее толщина мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей.
На рисунке 269 представлены сечения линз двух типов: двояковыпуклой (см. рис. 269, а) и двояковогнутой (см. рис. 269, б). Двояковыпуклая линза собирает преломленные лучи, поэтому такая линза называется собирающей(рис 276 а).
Двояковогнутая линза рассеивает параллельный пучок падающих на нее лучей. Поэтому такая линза называется рассеивающей(рис 276 б).
Одна из поверхностей линзы может быть плоской, как, например, на рисунке 270. Такие линзы называются плосковыпуклая (см. рис. 270, а) и плосковогнутая (см. рис. 270, б).
Традиционное применение линз — бинокли, телескопы, оптические прицелы, теодолиты, микроскопы, фото- и видеотехника. Другая важная сфера применения линз — офтальмология. Линзы используют в таких приспособлениях, как очки и контактные линзы.
D- оптическая сила линзы