Основные понятия геометрической оптики | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 11 декабря, печатный экземпляр отправим 15 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №2 (106) январь-2 2016 г.

Дата публикации: 19.01.2016

Статья просмотрена: 1287 раз

Библиографическое описание:

Дуйсенова, Г. А. Основные понятия геометрической оптики / Г. А. Дуйсенова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 2 (106). — С. 35-37. — URL: https://moluch.ru/archive/106/25277/ (дата обращения: 01.12.2021).

 

В статье рассматривается природа света, исходя из эмпирических законов его распространения, и используется представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границе сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородных средах. Наиболее важное значение геометрическая оптика имеет для расчета и конструирования оптических приборов [2].

Геометрическая оптика описывает распространение света, используя понятие лучей или пучков, отвлекаясь от его волновой природы. Она представляет собой предельный случай волновой оптики при λ → 0. В действительности достаточно, чтобы длина волн была много меньше характерных для данной задачи линейных размеров. Она также изучает поведение световых лучей (пучков) в оптических инструментах, которые состоят из различных отражающих и преломляющих поверхностей. Лежащие в основе геометрической оптики законы отражения и преломления могут быть выведены на основе уравнений Максвелла в предельном случае λ → 0. Геометрическая оптика хотя и является приближением, она представляет огромный интерес с технической и исторической точек зрения [1].

В геометрической оптике основным понятием является луч — геометрическая линия, вдоль которой распространяется световая энергия. Основные свойства лучей: они независимы друг от друга, т. е. не взаимодействуют друг с другом, и в однородной среде распространяются прямолинейно (если ничто им не препятствует). Поверхность нормальная к лучам называется волновой поверхностью [2].

Если перед точечным источником света поместить экран с отверстием, то отверстие выделит в пространстве за экраном некоторый объем, внутри которого распространяется световая энергия, называемый — световым пучком. Он имеет вид конуса с углом раствора α, который определяется расстоянием от источника до экрана и размером отверстия (апертурная диафрагма). При α = 0 говорят о параллельном световом пучке. Представления о параллельном пучке используются широко, но следует помнить, что в действительности такие пучки не существуют — это полезная идеализация. Наблюдать можно лишь световые пучки, но не лучи, потому что световые лучи — это тоже идеализация, удобная для различных геометрических построений и расчетов. С понятием луча (пучка) связывают как энергетические характеристики, например, световой поток, так и частоту, длину волны, поляризацию и другие [1].

С точки зрения лучевой оптики каждая светящаяся точка рассматривается как вершина расходящегося пучка лучей, который называют гомоцентрическим, т. е. имеющим общий центр. Если после отражения и преломления этот пучок превращается в пучок, сходящийся в одну точку, то последний также является гомоцентрическим, а его центр есть изображение светящейся точки. При сохранении гомоцентричности каждая точка источника дает только одну точку изображения. Такие изображения называются точечными или стигматическими. Волновая поверхность гомоцентрического пучка в однородной и изотропной среде является сферической поверхностью [2].

Если в результате отражения и преломления пучка гомоцентричность нарушается, то волновая поверхность перестает быть сферой. При этом стигматичность теряется и изображение точка уже не является точкой. Это явление называют астигмаизмом.

Основные законы геометрической оптики: закон зеркального отражения и закон преломления Снеллиуса [3].

Зеркальное отражение. Зеркальное отражение возникает всякий раз, когда плоская волна падает на гладкую плоскую поверхность, например, зеркало: свет не проходит через зеркало, а уходит от него по прямой линии. Отражение удовлетворяет следующими условиями:

а)                  отраженный луч лежит в плоскости падения, образованной падающим лучом и нормалью к поверхности;

б)                 угол отражения θ0 равен углу падения θ1 (θ0 = θ1 на Рис.1, оба угла измеряются от нормали).

Преломление, закон Снеллиуса. Пучок света определенного цвета преломляется, т. е. отклоняется от прямолинейного распространения всякий раз, когда на его пути встречается поверхность раздела двух сред с разными показателями преломления n. Величина отклонения зависит от отношения коэффициентов преломления n2/n1 (n1 — показатель преломления среды 1, из которой пучок выходит, n2- показатель преломления среды 2, в которую он входит) и от угла падения — угол между преломленным пучком и нормалью к поверхности θ2, на которую падает пучок (Рис.1). [3]

Рис. 1. Преломление и отражение света на плоской поверхности

 

Ниже мы покажем, что

или (1)

где n — относительный показатель преломления. Соотношение (1) называется законом преломления Снеллиуса [1].

При явлениях преломления и отражения имеет место закон взаимности или обратимости световых лучей, который означает, что при преломлении и отражении на границе двух сред лучи остаются взаимными, т. е. при изменении направления лучей на обратное их взаимное расположение не меняется.

 

Литература:

 

  1.                Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука, 1976. — 360 с.
  2.                Ахманов С. Г. Физическая оптика. — М.: Наука, 2004. — 213 с.
  3.                Бурсиан Э. В. Задачи по физике для компьютера. М.:Наука, 1991. -225 с.
Основные термины (генерируются автоматически): геометрическая оптика, волновая поверхность, зеркальное отражение, луч, пучок, отражение, показатель преломления среды, преломление, световая энергия, угол падения.


Похожие статьи

Преломнение света на границе раздела двух сред

Рис. 1. Преломление и отражение света на границе двух сред. На рис.1. N — вектор нормали к поверхности в точке падения единичной длины .

Угол падения – это угол между лучом , падающим на преломляющую или отражающую поверхность, и нормалью к поверхности в...

Получение и применение фотонных кристаллов | Статья в журнале...

, (7). Соотношения (1) — (7) позволяют с большой точностью получить кривую спектра пропускания и отражения фотонного кристалла.

Также показатель преломления среды зависит от температуры следующим соотношением: (8).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В первом случае рассеяние света наночастицами приводит к падению коэффициента отражения света от ячейки и повышению ее

Рис. 1 Зависимости действительной Re(mi) и мнимой –Im(mi) частей комплексного показателя преломления алюминия от длины волны [4].

Разработка программного комплекса для расчета оптических...

Коэффициент отражения при нормальном падении называется отражательной способностью [10]

коэффициент преломления среды; и — комплексный коэффициент пленки; — длинна волны

Межпредметные связи физики и математики при изучении...

Отражение света. Закон отражения. Луч, угол, равенство углов, перпендикуляр (нормаль).

Закон преломления. Луч, угол, соотношение углов в треугольнике, синус угла в прямоугольном треугольнике.

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи...

Основные типы оптических волокон, их конструкции, профили показателя преломления (ППП) и схемы распространения оптических лучей

Числовая апертура (NA) характеризует расходимость светового пучка, выходящего из волокна, она может быть определена...

«Рефракторный телесмарт» своими руками

Aнтичные оптики знали закон отражения света, но в отношении преломления ограничивались только опытными сведениями. Закон преломления удалось найти в XVII в. Снеллу и Декарту. Эти физические основания геометрической оптики были вполне усвоены в первой половине...

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

Как видно из графика с ростом времени инжекции коэффициент отражение сначала резко падает, а потом стабилизируется

Определенного уменьшения коэффициента рассеяния можно добиться при согласовании показателей преломления рассеивающих центров и...

Преломнение света на границе раздела двух сред

Рис. 1. Преломление и отражение света на границе двух сред. На рис.1. N — вектор нормали к поверхности в точке падения единичной длины .

Угол падения – это угол между лучом , падающим на преломляющую или отражающую поверхность, и нормалью к поверхности в...

Получение и применение фотонных кристаллов | Статья в журнале...

, (7). Соотношения (1) — (7) позволяют с большой точностью получить кривую спектра пропускания и отражения фотонного кристалла.

Также показатель преломления среды зависит от температуры следующим соотношением: (8).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В первом случае рассеяние света наночастицами приводит к падению коэффициента отражения света от ячейки и повышению ее

Рис. 1 Зависимости действительной Re(mi) и мнимой –Im(mi) частей комплексного показателя преломления алюминия от длины волны [4].

Разработка программного комплекса для расчета оптических...

Коэффициент отражения при нормальном падении называется отражательной способностью [10]

коэффициент преломления среды; и — комплексный коэффициент пленки; — длинна волны

Межпредметные связи физики и математики при изучении...

Отражение света. Закон отражения. Луч, угол, равенство углов, перпендикуляр (нормаль).

Закон преломления. Луч, угол, соотношение углов в треугольнике, синус угла в прямоугольном треугольнике.

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи...

Основные типы оптических волокон, их конструкции, профили показателя преломления (ППП) и схемы распространения оптических лучей

Числовая апертура (NA) характеризует расходимость светового пучка, выходящего из волокна, она может быть определена...

«Рефракторный телесмарт» своими руками

Aнтичные оптики знали закон отражения света, но в отношении преломления ограничивались только опытными сведениями. Закон преломления удалось найти в XVII в. Снеллу и Декарту. Эти физические основания геометрической оптики были вполне усвоены в первой половине...

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

Как видно из графика с ростом времени инжекции коэффициент отражение сначала резко падает, а потом стабилизируется

Определенного уменьшения коэффициента рассеяния можно добиться при согласовании показателей преломления рассеивающих центров и...

Похожие статьи

Преломнение света на границе раздела двух сред

Рис. 1. Преломление и отражение света на границе двух сред. На рис.1. N — вектор нормали к поверхности в точке падения единичной длины .

Угол падения – это угол между лучом , падающим на преломляющую или отражающую поверхность, и нормалью к поверхности в...

Получение и применение фотонных кристаллов | Статья в журнале...

, (7). Соотношения (1) — (7) позволяют с большой точностью получить кривую спектра пропускания и отражения фотонного кристалла.

Также показатель преломления среды зависит от температуры следующим соотношением: (8).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В первом случае рассеяние света наночастицами приводит к падению коэффициента отражения света от ячейки и повышению ее

Рис. 1 Зависимости действительной Re(mi) и мнимой –Im(mi) частей комплексного показателя преломления алюминия от длины волны [4].

Разработка программного комплекса для расчета оптических...

Коэффициент отражения при нормальном падении называется отражательной способностью [10]

коэффициент преломления среды; и — комплексный коэффициент пленки; — длинна волны

Межпредметные связи физики и математики при изучении...

Отражение света. Закон отражения. Луч, угол, равенство углов, перпендикуляр (нормаль).

Закон преломления. Луч, угол, соотношение углов в треугольнике, синус угла в прямоугольном треугольнике.

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи...

Основные типы оптических волокон, их конструкции, профили показателя преломления (ППП) и схемы распространения оптических лучей

Числовая апертура (NA) характеризует расходимость светового пучка, выходящего из волокна, она может быть определена...

«Рефракторный телесмарт» своими руками

Aнтичные оптики знали закон отражения света, но в отношении преломления ограничивались только опытными сведениями. Закон преломления удалось найти в XVII в. Снеллу и Декарту. Эти физические основания геометрической оптики были вполне усвоены в первой половине...

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

Как видно из графика с ростом времени инжекции коэффициент отражение сначала резко падает, а потом стабилизируется

Определенного уменьшения коэффициента рассеяния можно добиться при согласовании показателей преломления рассеивающих центров и...

Преломнение света на границе раздела двух сред

Рис. 1. Преломление и отражение света на границе двух сред. На рис.1. N — вектор нормали к поверхности в точке падения единичной длины .

Угол падения – это угол между лучом , падающим на преломляющую или отражающую поверхность, и нормалью к поверхности в...

Получение и применение фотонных кристаллов | Статья в журнале...

, (7). Соотношения (1) — (7) позволяют с большой точностью получить кривую спектра пропускания и отражения фотонного кристалла.

Также показатель преломления среды зависит от температуры следующим соотношением: (8).

Спектральная зависимость коэффициентов эффективности...

В первом случае рассеяние света наночастицами приводит к падению коэффициента отражения света от ячейки и повышению ее

Рис. 1 Зависимости действительной Re(mi) и мнимой –Im(mi) частей комплексного показателя преломления алюминия от длины волны [4].

Разработка программного комплекса для расчета оптических...

Коэффициент отражения при нормальном падении называется отражательной способностью [10]

коэффициент преломления среды; и — комплексный коэффициент пленки; — длинна волны

Межпредметные связи физики и математики при изучении...

Отражение света. Закон отражения. Луч, угол, равенство углов, перпендикуляр (нормаль).

Закон преломления. Луч, угол, соотношение углов в треугольнике, синус угла в прямоугольном треугольнике.

Оптические световоды волоконно-оптических систем передачи...

Основные типы оптических волокон, их конструкции, профили показателя преломления (ППП) и схемы распространения оптических лучей

Числовая апертура (NA) характеризует расходимость светового пучка, выходящего из волокна, она может быть определена...

«Рефракторный телесмарт» своими руками

Aнтичные оптики знали закон отражения света, но в отношении преломления ограничивались только опытными сведениями. Закон преломления удалось найти в XVII в. Снеллу и Декарту. Эти физические основания геометрической оптики были вполне усвоены в первой половине...

Оптические просветления кожи и крови: перспективы...

Как видно из графика с ростом времени инжекции коэффициент отражение сначала резко падает, а потом стабилизируется

Определенного уменьшения коэффициента рассеяния можно добиться при согласовании показателей преломления рассеивающих центров и...

Задать вопрос