Какие законы лежат в основе геометрической оптики

Что такое геометрическая оптика

Чтобы понять нюансы геометрической оптики, необходимо дать определение краеугольного понятия — светового луча.

Другими словами, это — пучок света, у которого незначительная поперечная величина.

На самом деле световой луч, распространяясь, испытывает дифракцию. Поэтому его узкий пучок не идет в одном направлении, а характеризуется с помощью определенного коэффициента — углового распределения. Однако в ситуациях, когда длина волны во много раз меньше размера пучка, угловым распределением пренебрегают. В ситуации  работают так, будто энергия движется в одном направлении — по лучу.

Источник: cf2.ppt-online.org

В геометрической оптике, кроме светового луча, существует еще ряд понятий, помогающие сформулировать ее основные законы.

Изучая геометрическую оптику, ученые открывали ее основные законы. Происходило это в давние времена. Например, Платон открыл закон прямолинейного распространения света в 430 году до нашей эры, а Евклид добавил к нему закон равенства угла падения и угла отражения.

Птолемей и Аристотель также занимались изучением такой функции света как преломление. Однако эти работы не содержат четких определений открытых законов.

Вопрос светового потока интересовал и Ньютона. Он предполагал, что сами частицы в прямолинейном направлении передвигаются от тела к телу. При этом лучи — это образованные частицами потоки. Их можно заметить, если посмотреть в незначительное отверстие на прохождение света.

Основные законы

Геометрическую оптику часто называют предельной характеристикой ее волнового раздела. При этом длина волны света стремится к нулю.

С помощью законов геометрической оптики становятся очевидными причины появления тени, а также понимание, как появляется изображение в приборе оптики.

В оптике говорят о четырех законах. Все они имели опытное происхождение.

Гюйгенс Христиан нашел довольно простой способ (позднее он был назван принципом Гюйгенса). Его смысл следующий: если до определенной точки доходит световая волна, которая вызывает ее возбуждение, то она превращается в центр волны вторичной.

Волновая теория света, выдвинутая Гюйгенсом, была опубликована в 1690 году. В ней автор давал объяснение, как происходит двойное преломление луча. Для своих последующих работ ученый нашел способ усовершенствовать телескоп, а также сделать специальный окуляр.

Закон прямолинейного распространения света

Один из главных законов говорит, что свет распространяется прямолинейно, при условии, если среда не меняется.

К примеру, в случае неодинаковости нагревания воздуха луч может преломляться, и не один раз.

Исходя из этого закона, можно дать объяснение образованию тени от предмета. Это та часть окружающего предмет пространства, на которую не попадает свет. Другими словами, предмет стоит на пути распространения света, являясь препятствием, и не дает лучам проникнуть за него.

Источник: thepresentation.ru

Если свет проходит через границу двух сред, направление его энергии может значительно поменяться, поскольку часть пучка просочится через эту границу, а часть — продолжит распространяться в среде № 2.

Закон отражения света

Еще одним постулатом является закон отражения света.

Его основная мысль сводится к следующему: существует одна плоскость, в которой расположатся лучи (падающий и отраженный), линия, перпендикулярная к плоскости раздела двух сред, которую провели в месте, где луч упал. Обязательно величина образованных углов будет одинаковой величиной.

Отражение бывает зеркальное и диффузное.

Источник: image3.slideserve.com

Зеркальное характерно для случаев, когда отражение падает на идеально ровную поверхность, безо всякого рода шероховатостей и искривлений. В противоположном случае говорят о диффузном отражении. Второе название такого факта — рассеянное.

Закон преломления света

Сформулировать закон преломления света можно следующим образом:

Источник: profgbo.ru

Выделяют явления полного отражения и дисперсии. Полное отражение наблюдается в случае, если свет переходит из среды с высоким показателем преломления в среду с низким. Тогда луча после преломления может вовсе не образоваться, а наименьший угол, при котором будет полное отражение, получил особое название — предельного для полного отражения.

Исходя из приведенного факта, большие углы падения света ведут к отсутствию преломленной волны.

Дисперсия проявляется в случаях, если разноволновые лучи проходят через призму, образуя с ее поверхностью углы различной величины. Это зависит от показателя преломления среды и частоты распространения луча. Проявлением дисперсии в жизни является радуга. На мельчайших капельках воды лучи Солнца преломляются, образуя разноцветные полосы в небе.

Если луч света идет в определенном направлении, а после в этой же среде идет обратно, траектории будут совпадать. Это закон обратимости луча света.

Применение законов

Законы геометрической оптики нашли свое применение в устройствах специальных приборов.  Их делят на две группы: те, которые образуют изображение на экране, и те, в результате действия которых изображение на экране отсутствует, но в действие включается глаз человека.

Это оптические приборы, которые могут быть измерительными (например, датчики) и визуальными.

С помощью оптических приборов можно рассматривать мельчайшие предметы и их детали. Так, используя лупу, человек условно размещает изображение на расстоянии, которое меньше фокусного. При этом оно является мнимым, ненастоящим, зато прямым.

Измерение различных величин в народном хозяйстве с помощью геометрической оптики — процесс точный и незатратный. Современные измерительные приборы надежные, часто в их основе заложены высокие технологии, например, для нужд космоса, медицины и т.п.

Сегодня наиболее востребованы волоконно-оптические конструкции, которые применяются в т.ч. для измерения предметов, расположенных в труднодоступных местах.