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

Автор:

Рубрика: Физика

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

Дата публикации: 19.01.2016

Статья просмотрена: 411 раз

Библиографическое описание:

Дуйсенова Г. А. Основные понятия геометрической оптики // Молодой ученый. — 2016. — №2. — С. 35-37. — URL https://moluch.ru/archive/106/25277/ (дата обращения: 18.12.2018).

 

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, световая энергия, преломление, показатель преломления среды, отражение, 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...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

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