Какое свойство световых лучей называется обратимости хода. Закон независимости световых лучей. Закон обратимости световых лучей
Геометрическая оптика – предельно простой случай оптики. По сути, это упрощенная версия волновой оптики, которая не рассматривает и просто не предполагает таких явлений, как интерференция и дифракция. Тут все упрощено до предела. И это хорошо.
Основные понятия
Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах, законы отражения света от зеркальных поверхностей, принципы построения изображений при прохождении света через оптические системы.
Важно! Все эти процессы рассматриваются без учета волновых свойств света!
В жизни геометрическая оптика, являясь крайне упрощенной моделью, тем не менее, находит широкое применение. Это как классическая механика и теория относительности. Произвести нужный расчет чаще всего гораздо легче в рамках классической механики.
Основное понятие геометрической оптики – световой луч .
Отметим, что реальный световой пучок не распространяется вдоль линии, а имеет конечное угловое распределение, которое зависит от поперечного размера пучка. Геометрическая оптика пренебрегает поперечными размерами пучка.
Закон прямолинейного распространения света
Этот закон говорит нам о том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Иными словами, из точки А в точку Б свет движется по тому пути, который требует минимального времени на преодоление.
Закон независимости световых лучей
Распространение световых лучей происходит независимо друг от друга. Что это значит? Это значит, что геометрическая оптика предполагает, что лучи не влияют друг на друга. И распространяются так, будто других лучей и вовсе нет.
Закон отражения света
Когда свет встречается с зеркальной (отражающей) поверхностью, происходит отражение, то есть изменение направления распространения светового луча. Так вот, закон отражения гласит, что падающий и отраженный луч лежат в одной плоскости вместе с проведенной к точке падения нормалью. Причем угол падения равен углу отражения, т.е. нормаль делит угол между лучами на две равные части.
Закон преломления (Снеллиуса)
На границе раздела сред наряду с отражением происходит и преломление, т.е. луч разделяется на отраженный и преломленный.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .
Отношение синусов углов падения и преломления является постоянной величиной и равняется отношению показателей преломления этих сред. Еще эта величина называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Здесь стоит отдельно рассмотреть случай полного внутреннего отражения. При распространении света из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления по величине больше угла падения. Соответственно, при увеличении угла падения будет увеличиваться и угол преломления. При некотором предельном угле падения угол преломления станет равным 90 градусов. При дальнейшем увеличении угла падения свет не будет преломляться во вторую среду, а интенсивность падающего и отраженного лучей будут равны. Это называется полным внутренним отражением.
Закон обратимости световых лучей
Представим, что луч, распространяясь в каком-то направлении, претерпел ряд изменений и преломлений. Закон обратимости световых лучей гласит, что если пустить навстречу этому лучу другой луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый, но в обратном направлении.
Мы продолжим изучать основы геометрической оптики, а в будущем мы обязательно рассмотрим примеры решения задач на применение различных законов. Ну а если сейчас у вас имеются какие-либо вопросы, добро пожаловать за верными ответами к специалистам студенческого сервиса . Мы поможем решить любую задачу!
Угол падения волны - это угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения и падающим лучом. Угол отражения волны - это угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.
2. Сформулируйте закон отражения света и докажите его с помощью принципа Гюйгенса.
Угол падения равен углу отражения. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения к отражающей поверхности, лежат в одной плоскости.Падающая под углом волна достигает разных точек границы раздела в разные моменты времени. Когда волна достигает какой-то точки, эта точка становится источником вторичных волн. Фронт отраженной волны - это плоская поверхность, касательная к сферическим фронтам вторичных волн.
3. В чем состоит принцип обратимости лучей?
Если пустить падающий луч по пути отраженного, то он отразится в направлении падающего.4. Объясните с помощью принципа Гюйгенса отражение сферического волнового фронта от плоской поверхности.
Огибающей поверхностью сферических волн является сфера. Фронт отраженной от плоского зеркала волны является сферическим, так же, как и фронт падающей волны.5. Какое изображение называют мнимым? Объясните, как строится изображение точечного источника и предмета конечных размеров в зеркале, а также точечного источника в небольшом зеркале.
Мнимым изображением называется изображение предмета, которое возникает при пересечении продолжений расходящегося пучка лучей. Оно строится в плоском зеркале в симметричной точке относительно зеркала, даже когда зеркало имеет конечные размеры, и изображение можно наблюдать только в конечной области. Волновой фронт точечного источника - это сфера, огибающей поверхностью вторичных волн тоже является сфера. Фронт отраженной волны, как и падающей - сфера. Центр отраженной сферической волны лежит за зеркалом и воспринимается как мнимое изображение источника.
1.8. ПРИНЦИП ОБРАТИМОСТИ ХОДА ЛУЧЕЙ СВЕТА (ЗАКОН ВЗАИМНОСТИ)
Этот принцип - одно из важных положений геометрической оптики. При преломлении на границе двух сред лучи остаются взаимными, т.е. при изменении направления световых лучей на обратное их взаимное расположение не меняется. Аналогичное положение справедливо и при отражении света. Принцип обратимости хода световых лучей выполняется при любом числе отражений или преломлений, так как он соблюдается при каждом из них.
Законы геометрической оптики имеют большое значение. Во-первых, они устанавливают, что лучи при прохождении через оптическую систему всегда лежат в плоскости падения (образованной падающим лучом и нормалью). Во-вторых, они устанавливают численные зависимости координат лучей при переходе от одной поверхности к другой, т.е. позволяют рассчитать ход луча через сложную оптическую систему. В-третьих, они указывают на возможность анализа оптических систем в обратном ходе лучей.
Геометрическая оптика является теоретическим фундаментом оптических приборов. Технологические основы сборки и юстировки оптических приборов в основном базируются на положениях геометрической оптики. Законы геометрической оптики используются при измерении постоянных оптических систем и деталей, при исследовании оптических свойств приборов и изучении их погрешностей.
Природа вооружила человека прекрасным оптическим инструментом - глазом, но его возможности ограничены. Оптические приборы, созданные человеком, существенно расширили возможности зрения. Например, невооруженный глаз различает предметы величиной порядка 0,1 мм; применение лупы повысило эту возможность до 0,01 мм, а с помощью микроскопа стало возможным различать объекты величиной до 0,15 мкм и т. д.
Оптические приборы в настоящее время получили настолько широкое распространение и развитие, что появилась необходимость выделить отдельные группы приборов, объединенных общими оптическими свойствами и специализированных на решении однородных задач.
Можно выделить пять главных видов оптических приборов:
- телескопические системы (зрительные трубы);
- микроскопы;
- фотографические оптические системы;
- проекционные приборы;
- осветительные устройства.
Классификация оптических приборов может быть первоначально основана на двух классах - изображающие и неизображающие. Первые можно делить по значению увеличения, вторые - по энергетике и принципу формирования освещенной площадки. Отметим, что в современных оптических приборах одновременно могут сочетаться признаки двух и более видов приборов. Например, металлографический микроскоп может служить как обычный микроскоп, так же как и фотографический прибор и т.д. Кроме того, есть зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые системы. Зеркально-линзовые системы содержат зеркальные и линзовые оптические элементы. Они реализованы в прожекторах, фарах, телескопах, микроскопах, телеобъективах. Линзовые содержат только линзы сферической или асферической формы. Примеры их использования конденсоры - осветительные системы. Оптические телескопы (рефлекторы), которые в качестве светособирающего элемента используют вогнутые зеркала как сферической, так и асферической формы относятся к зеркальным приборам. В качестве элементов оптических систем могут использоваться растровые системы, оптические детали со ступенчатой поверхностью сложного профиля (например, линзы Френеля), световоды и оптическое волокно.
Все законы геометрической оптики следуют из закона сохранения энергии. Все эти законы не являются независимыми друг от друга.
4.3.1. Закон независимого распространения лучей
Если через точку пространства проходит несколько лучей, то каждый луч ведет себя так, как если бы других лучей не было
Это справедливо для линейной оптики, где показатель преломления не зависит от амплитуды и интенсивности проходящего света.
4.3.2. Закон обратимости
Траектория и длина хода лучей не зависят от направления распространения.
То есть, если луч, который распространяется от точки до точки , пустить в обратном ходе (от к ), то он будет иметь такую же траекторию, как и в прямом.
4.3.3. Закон прямолинейного распространения
В однородной среде лучи - прямые линии (см. параграф 4.2.1).
4.3.4. Закон преломления и отражения
Закон отражения и преломления подробно рассматривается в Главе 3. В рамках геометрической оптики формулировки законов преломления и отражения сохраняются.
4.3.5. Принцип таутохронизма
Рис.4.3.1. Принцип таутохронизма.
Рассмотрим распространение света, как распространение волновых фронтов (рис.4.3.1).
Оптическая длина любого луча между двумя волновыми фронтами одна и та же:
| (4.3.1) |
Волновые фронты - поверхности, которые оптически параллельны друг другу. Это справедливо и для распространения волновых фронтов в неоднородных средах
4.3.6. Принцип Ферма
Пусть имеются две точки и , расположенные, возможно, в различных средах. Эти точки можно соединить между собой различными линиями. Среди этих линий будет только одна, которая будет являться оптическим лучом, который распространяется в соответствии с законами геометрической оптики (рис.4.3.2).
Рис.4.3.2. Принцип Ферма.
Принцип Ферма:
Оптическая длина луча между двумя точками минимальна по сравнению со всеми другими линиями, соединяющими эти две точки:
| (4.3.2) |
Существует более полная формулировка:
Оптическая длина луча между двумя точками является стационарной по отношению к смещению этой линии.
Луч - кратчайшее расстояние между двумя точками. Если линия, вдоль которой мы измеряем расстояние между двумя точками, отличается от луча на величину 1-го порядка малости, то оптическая длина этой линии отличается от оптической длины луча на величину 2-го порядка малости.
Если оптическую длину луча, соединяющего две точки, поделить на скорость света, то получим время, необходимое на преодоление расстояния между двумя точками:
Еще одна формулировка принципа Ферма:
Луч, соединяющий две точки, идет по такому пути, который требует наименьшего времени (по самому быстрому пути).
Из этого принципа могут быть выведены законы преломления, отражения и т.д.
4.3.7 Закон Малюса-Дюпена
Нормальная конгруэнция сохраняет свойства нормальной конгруэнции в процессе прохождения через различные среды.
4.3.8 Инварианты
Инварианты (от слова неизменный) - это соотношения, выражения, которые сохраняют свой вид при изменении каких-либо условий, например, при прохождении света через различные среды или системы.
Интегральный инвариант Лагранжа
Пусть имеется некоторая нормальная конгруэнция (пучок лучей), и две произвольные точки в пространстве и (рис.4.3.4). Соединим эти две точки произвольной линией и найдем криволинейный интеграл.
| (4.3.4) |
Рис.4.3.3. Интегральный инвариант Лагранжа.
Дифференциальный инвариант Лагранжа
Луч в пространстве полностью описывается радиус-вектором , который содержит три линейные координаты , и оптическим вектором , который содержит три угловые координаты . Всего, таким образом, имеется 6 параметров для определения некоторого луча в пространстве. Однако из этих 6 параметров только 4 являются независимыми, так как можно получить два уравнения, которые связывают параметры луча друг с другом.
Первое уравнение определяется длину оптического вектора:
Где - показатель преломления среды.
Второе уравнение вытекает из условия ортогональности векторов и :
Из выражений (4.3.5) и (4.3.6), воспользовавшись аналитической геометрией, можно вывести следующее соотношение:
| (4.3.7) |
Дифференциальный инвариант Лагранжа:
Величина сохраняет свое значение для данного луча при распространении пучка лучей через любую совокупность оптических сред.
Геометрический фактор остается инвариантным при распространении лучевой трубки через любую последовательность различных сред (рис.4.3.5).
Инвариант Штраубеля выражает закон сохранения энергии, так как он показывает неизменность лучистого потока.
Из определения яркости можно получить следующее равенство:
(4.3.9) где - приведенная яркость, которая инвариантна, как уже было сказано в главе 2.
Некоторые оптические законы были уже известны до установления природы света. Основу геометрической оптики образуют четыре закона: 1) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых лучей; 3) закон отражения света; 4) закон преломления света.
Закон прямолинейного распространения света: свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Этот закон является приближенным, так как при прохождении света через очень малые отверстия наблюдаются отклонения от прямолинейности, тем большие, чем меньше отверстие.
Закон независимости световых пучков: эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены. Пересечения лучей не мешают каждому из них распространяться независимо друг от друга. Разбивая световой пучок на отдельные световые пучки, можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо. Этот закон справедлив лишь при не слишком больших интенсивностях света. При интенсивностях, достигаемых с помощью лазеров, независимость световых лучей перестает соблюдаться.
Закон отражения: отраженный от границы раздела двух сред луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела в точке падения; угол отражения равен углу падения.
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
sini 1 /sini 2 = n 12 = n 2 / n 1 , очевидно sini 1 /sini 2 = V 1 / V 2 , (1)
где n 12 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления n 12 = n 2 / n 1 .
Абсолютным показателем преломления среды наз. величина n, равная отношению скорости С электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости V в среде:
Среда с большим оптическим показателем преломления наз. оптически более плотной.
Из симметрии выражения (1) вытекает обратимость световых лучей , сущность которой состоит в том, что если направить световой луч из второй среды в первую под углом i 2 , то преломленный луч в первой среде выйдет под углом i 1 . При переходе света из оптически менее плотной среды в более плотную получается, что sini 1 > sini 2 , т.е. угол преломления меньше угла падения света, и наоборот. В последнем случае при увеличении угла падения угол преломления увеличивается в большей мере, так что при некотором предельном угле падения i пр угол преломления становится равным π/2. С помощью закона преломления можно рассчитать значение предельного угла падения:
sin i пр /sin(π/2) = n 2 /n 1 , откуда i пр = arcsin n 2 /n 1 . (2)
В этом предельном случае преломленный луч скользит по границе раздела сред. При углах падения i > i пр свет не проникает в глубь оптически менее плотной среды, имеет место явление полного внутреннего отражения. Угол i пр называется предельным углом полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения используется в призмах полного отражения, которые применяются в оптических приборах: биноклях, перископах, рефрактометрах (приборах, позволяющих определять оптические показатели преломления), в световодах, представляющих собой тонкие, гнущиеся нити (волокна) из оптически прозрачного материала. Свет, падающий на торец световода под углами, большими предельного, претерпевает на границе раздела сердцевины и оболочки полное внутреннее отражение и распространяется только по световедущей жиле. С помощью световодов можно как угодно искривлять путь светового пучка. Для передачи изображений используются многожильные световоды. Рассказать о применении световодов.
Для объяснения закона преломления и искривления лучей при прохождении их через оптически неоднородные среды вводится понятие оптической длины пути луча
L = nS или L = ∫ndS,
соответственно для однородной и неоднородной сред.
В 1660 году французский математик и физик П. Ферма установил принцип экстремальности (принцип Ферма) для оптической длины пути луча, распространяющегося в неоднородных прозрачных средах: оптическая длина пути луча в среде между двумя заданными точками минимальна, или другими словами, свет распространяется по такому пути, оптическая длина которого минимальна.
Фотометрические величины и их единицы. Фотометрия – раздел физики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. 1.Энергетические величины :
Поток излучения Ф е – величина, численно равная отношению энергии W излучения ко времени t, за которое излучение произошло:
Ф е = W / t, ватт (Вт).
Энергетическая светимость (излучательность) R е – величина, равная отношению потока излучения Ф е, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, сквозь которое этот поток проходит:
R е = Ф е / S, (Вт/м 2)
т.е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения.
Энергетическая сила света (сила излучения) I e определяется с помощью понятия о точечном источнике света – источнике, размерами которого по сравнению с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света I e величина, равная отношению потока излучения Ф е источника к телесному углу ω, в пределах которого это излучение распространяется:
I e = Ф е /ω, (Вт/ср)- ватт на стерадиан.
Сила света часто зависит от направления излучения. Если она не зависит от направления излучения, то такой источник называется изотропным . Для изотропного источника сила света равна
I e = Ф е /4π.
В случае протяженного источника можно говорить о силе света элемента его поверхности dS.
Энергетическая яркость (лучистость) В е – величина, равная отношению энергетической силы света ΔI e элемента излучающей поверхности к площади ΔS проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:
В е = ΔI e / ΔS. (Вт/ср.м 2)
Энергетическая освещенность (облученность) Е е характеризует степень освещенности поверхности и равна величине потока излучения, падающего на единицу освещаемой поверхности. (Вт/м 2 .
2.Световые величины . При оптических измерениях пользуются различными приемниками излучения, спектральные характеристики чувствительности которых к свету различных длин волн различны. Относительная спектральная чувствительность человеческого глаза V(λ) приведена на рис. V(λ)
400 555 700 λ, нм
Поэтому световые измерения, являясь субъективными, отличаются от объективных, энергетических и для них вводятся световые единицы, используемые только для видимого света. Основной световой единицей в СИ является сила света – кандела (кд), которая равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Определение световых единиц аналогично энергетическим. Для измерения световых величин используют специальные приборы – фотометры.
Световой поток . Единицей светового потока является люмен (лм). Он равен световому потоку, излучаемому изотропным источником света с силой в 1 кд в пределах телесного угла в один стерадиан (при равномерности поля излучения внутри телесного угла):
1 лм = 1 кд·1ср.
Опытным путем установлено, что световому потоку в 1 лм, образованному излучением с длиной волны λ = 555 нм соответствует поток энергии в 0,00146 Вт. Световому потоку в 1 лм, образованному излучением с другой λ, соответствует поток энергии
Ф е = 0,00146/V(λ), Вт.
1 лм = 0,00146 Вт.
Освещенность Е - величина, раная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:
Е = Ф/S, люкс (лк).
1 лк – освещенность поверхности, на 1 м 2 которой падает световой поток в 1 лм (1лк = 1 лм/м 2).
Яркость R C (светимость) светящейся поверхности в некотором направлении φ есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:
R C = I/(Scosφ). (кд/м 2).
