Закони геометричної оптики

Геометрична оптика вивчає поширення світлових променів. Це історично перший і найбільш простий розділ оптики. В основі геометричної оптики лежать чотири основних закони.

1. Закон незалежності світлових променів.

2. Закон прямолінійного поширення світла.

3. Закон відбиття світла.

4. Закон заломлення світла.

Дані закони були встановлені в результаті спостережень за світловими променями і послужили узагальненнями численних досвідчених фактів. Вони є твердженнями, сформульованими на мові геометрії. Хвильова природа світла в них не зачіпається.

Закони геометричної оптики спочатку були постулатами. Вони лише констатували: таким ось чином поводиться природа. Однак згодом виявилося, що закони геометричної оптики можуть бути виведені з більш фундаментальних законів хвильової оптики.

Геометрична оптика відмінно працює, коли довжина світлової хвилі Л багато менше розмірів об’єктів, присутніх в даній фізичної ситуації. Можна сказати, що геометрична оптика є граничний випадок хвильової оптики при Л ^ 0. Не дивно тому, що спочатку були відкриті закони саме геометричної оптики: адже розміри предметів, що зустрічаються нам у повсякденному житті, набагато перевищують довжини хвиль видимого світла.

Перший закон геометричної оптики зовсім простий. Він говорить про те, що внесок кожного світлового променя в сумарне освітлення не залежить від наявності інших променів.

Закон незалежності світлових променів. Якщо світлові промені перетинаються, то вони не мають жодного впливу один на одного. Кожен промінь освітлює простір так, як якби інших променів взагалі не було.

Закон прямолінійного поширення світла також дуже простий і ми його зараз обговоримо. Законам відбиття і заломлення будуть присвячені наступні розділи.

Закон прямолінійного поширення світла. У прозорій однорідному середовищі світлові промені є прямими лініями.

Що таке «прозора однорідна середу»? Середа називається прозорою, якщо в ній може поширюватися світло. Середа називається однорідною, якщо її властивості не змінюються від точки до точки. Рівномірно прогріте повітря, чиста вода, скло без домішок – все це приклади прозорих і оптично однорідних середовищ.

Таким чином, закон прямолінійного поширення світла означає, що в прозорій однорідному середовищі поняття світлового променя збігається з поняттям променя в геометрії.

Даний закон не вимагає яких-небудь додаткових пояснень – він добре вам відомий. Вам неодноразово доводилося бачити прямолінійні сонячні промені, що пронизують хмари, або тонкий прямий промінь, що пробивається в запилений кімнаті через щілину у вікні. Перебуваючи під водою, можна спостерігати прямі сонячні промені, що йдуть крізь воду.

При порушенні однорідності середовища порушується і закон прямолінійного поширення світла. Наприклад, на межі розділу двох прозорих середовищ світловий промінь може розділитися на два промені: відбитий і переломлених. Якщо оптичні властивості середовища змінюються від точки до точки, то хід світлових променів викривляється. У цьому полягає причина міражів: шар повітря поблизу розпеченій земної поверхні нагрітий більше, ніж вищерозміщені шари; він має інші оптичні властивості, і його дія виявляється подібним дзеркала. Про все це ми поговоримо пізніше.

Посилання на основну публікацію