Световые явления. Законы отражения и преломления света. Тонкие линзы

Оптика — раздел физики, изучающий природу света, законы его распространения и взаимодействия с веществом.

Источники света разделяют на естественные (Солнце, звезды, молния, полярное сияние, светлячки) и искусственные (лампы накаливания, светодиоды, свечи, люминесцентные трубки, лазеры). По температуре различают тепловые источники (раскаленные нити) и источники холодного свечения (люминесценция).

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной прозрачной среде свет распространяется строго по прямым линиям (световым лучам).

Доказательством прямолинейности служат образование тени и полутени от непрозрачных предметов, солнечные и лунные затмения. Тень — область пространства за предметом, куда свет от источника не попадает вообще. Полутень — область частичного освещения, куда свет попадает лишь от части протяженного источника.

При падении светового пучка на границу раздела двух сред часть света отражается обратно в первую среду.

Закон отражения света:

1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;

2. Угол отражения β в точности равен углу падения α:

α = β.

(Все углы в оптике отсчитываются от перпендикуляра к поверхности, а не от самой поверхности!).

Виды отражения: зеркальное (от гладких полированных поверхностей, где параллельный пучок остается параллельным) и диффузное/рассеянное (от шероховатых поверхностей, рассеивающее свет во все стороны, благодаря чему мы видим окружающие предметы).

Изображение в плоском зеркале является мнимым (находится за зеркалом на пересечении продолжений лучей), прямым, равным по размеру самому предмету и симметричным относительно плоскости зеркала (расстояние от предмета до зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения).

При переходе света из одной прозрачной среды в другую (например, из воздуха в воду или стекло) луч меняет свое направление на границе раздела — это явление называют преломлением света.

Причина преломления: скорость распространения света в различных средах неодинакова. В вакууме скорость света максимальна (c ≈ 300 000 км/с), в воде она меньше в 1.33 раза, в стекле — в 1.5–1.7 раза, в алмазе — в 2.42 раза.

Относительный показатель преломления (n) равен отношению скорости света в первой среде v₁ к скорости во второй v₂: n = v₁ / v₂ = sin α / sin γ.

Закон Снеллиуса: отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина постоянная для двух данных сред:

sin α / sin γ = n₂ / n₁ = n₂₁.

Полное внутреннее отражение (ПВО): при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную (из стекла в воздух) под углом падения больше критического предельного (α ≥ α_пред) свет полностью отражается внутрь среды без выхода наружу! На ПВО основаны волоконно-оптические кабели высокоскоростного интернета и медицинские эндоскопы.

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими (или сферической и плоской) поверхностями. Линзу называют тонкой, если её толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей.

Виды линз:

• Собирающая линза (положительная): середина толще краев (двояковыпуклая, плосковыпуклая). Собирает параллельный пучок лучей в одной точке — главном фокусе F за линзой.

• Рассеивающая линза (отрицательная): середина тоньше краев (двояковогнутая). Рассеивает параллельный пучок лучей так, что их продолжения сходятся в мнимом фокусе F перед линзой.

Фокусное расстояние (F) — расстояние от оптического центра линзы O до её главного фокуса в метрах (м).

Оптическая сила линзы (D) — величина, обратная фокусному расстоянию:

В СИ оптическая сила измеряется в Диоптриях (дптр): 1 дптр — оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м. Для собирающих линз D > 0, для рассеивающих D < 0.

Формула тонкой линзы связывает расстояние от предмета до линзы d, расстояние от линзы до изображения f и фокусное расстояние F:

Правило знаков: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0. Для действительного изображения f > 0, для мнимого f < 0.

Линейное увеличение линзы (Г): отношение высоты изображения H к высоте предмета h:

Г = H / h = f / d.

Построение лучей для собирающей линзы выполняется по трем замечательным лучам:

1. Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления идет через главный фокус F;

2. Луч, проходящий через оптический центр линзы O, проходит без преломления;

3. Луч, идущий через передний фокус F, после линзы выходит параллельно оптической оси.

Характер изображения в собирающей линзе:

• Предмет дальше 2F (d > 2F): действительное, уменьшенное, перевернутое (фотоаппарат, глаз);

• Предмет в 2F (d = 2F): действительное, равное по размеру, перевернутое;

• Предмет между F и 2F: действительное, увеличенное, перевернутое (проектор);

• Предмет ближе фокуса (d < F): мнимое, увеличенное, прямое (лупа!).