Основи геометричної оптики

Геометрична оптика – гранично простий випадок оптики. По суті, це спрощена версія хвильової оптики, яка не розглядає і просто не передбачає таких явищ, як інтерференція і дифракція. Тут все спрощено до краю. І це добре.

Основні поняття

Геометрична оптика – розділ оптики, в якому розглядаються закони поширення світла в прозорих середовищах, закони відбиття світла від дзеркальних поверхонь, принципи побудови зображень при проходженні світла через оптичні системи.

Важливо! Всі ці процеси розглядаються без урахування хвильових властивостей світла!

Можна сказати, що довжина хвилі прагнути до нуля. У житті геометрична оптика, будучи вкрай спрощеною моделлю, проте, знаходить широке застосування. Це як класична механіка і теорія відносності. Провести потрібний розрахунок найчастіше набагато легше в рамках класичної механіки.

Основне поняття геометричної оптики – світловий промінь.

Світловий промінь – це лінія, що має напрямок, уздовж якого переноситися світлова енергія.

Відзначимо, що реальний світловий пучок не поширюється уздовж лінії, а має кінцеве кутовий розподіл, яке залежить від поперечного розміру пучка. Геометрична оптика нехтує поперечними розмірами пучка.

Наведемо далі основні закони геометричної оптики

Закон прямолінійного поширення світла

Цей закон говорить нам про те, що в однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно. Іншими словами, з точки А в точку Б світло рухається по тому шляху, який вимагає мінімального часу на подолання.

Закон незалежності світлових променів

Поширення світлових променів відбувається незалежно один від одного. Що це означає? Це означає, що геометрична оптика передбачає, що промені не впливають один на одного. І поширюються так, ніби інших променів і зовсім немає.

Закон відбиття світла

Коли світло зустрічається із дзеркальною (відбиває) поверхнею, відбувається відображення, тобто зміна напрямку поширення світлового променя. Так ось, закон відображення свідчить, що падаючий і відбитий промінь лежать в одній площині разом з проведеної до точки падіння нормаллю. Причому кут падіння дорівнює куту відбиття, тобто нормаль ділить кут між променями на дві рівні частини.

Закон заломлення (Сннеліуса)

На кордоні розділу середовищ поряд з відображенням відбувається і переломлення, тобто промінь розділяється на відбитий і заломлений.

Ставлення синусів кутів падіння і заломлення є постійною величиною і дорівнює відношенню показників заломлення цих середовищ. Ще ця величина називається показником заломлення другого середовища відносно першого.

Тут варто окремо розглянути випадок повного внутрішнього відображення. При поширенні світла з оптично більш щільного середовища в менш щільну кут заломлення за величиною більше кута падіння. Відповідно, при збільшенні кута падіння буде збільшуватися і кут заломлення. При деякому граничному куті падіння кут заломлення стане рівним 90 градусів. При подальшому збільшенні кута падіння світло не буде переломлюватися в другу середу, а інтенсивність падаючого і відбитого променів дорівнюватимуть. Це називається повним внутрішнім віддзеркаленням.

Закон оборотності світлових променів

Уявімо, що промінь, поширюючись в якомусь напрямку, сталося чимало змін і заломлень. Закон оборотності світлових променів свідчить, що якщо пустити назустріч цьому променю інший промінь, то він піде тим самим шляхом, що і перший, але в зворотному напрямку.

Посилання на основну публікацію