Прямолинейное распространение света в однородной среде - Оптика - ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика — это раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных веществах (средах) и построения изображений предметов с помощью оптических систем, в которые входят зеркала, линзы, призмы и другие оптические элементы.

Геометрическая оптика основывается на следующих основных законах, установленных опытным путем еще в глубокой древности:

1) закон прямолинейного распространения света;

2) закон отражения света от зеркальной поверхности;

3) закон преломления света на границе двух прозрачных сред;

4) закон независимости световых пучков или световых лучей. Он заключается в том, что два луча распространяются независимо друг от друга, т. е. не влияя друг на друга. Если в какой-то точке пространства сходятся два пучка, то освещенности, создаваемые этими пучками, складываются. Независимость распространения пучков означает, в частности, что при фотографировании какой-нибудь местности ограничение части световых пучков, поступающих в объектив, не приведет к изменению изображения, даваемого остальными пучками.

Законы геометрической оптики используются для расчета оптических систем, например, микроскопов, телескопов, больших зеркал и объективов, используемых в астрономии, фотоаппаратах и др.

Скорость света и ее измерение

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) — это скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе световых. Это одна из фундаментальных физических постоянных. Скорость света представляет собой предельную скорость, с которой распространяются любые физические воздействия; она инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой.

Скорость света в среде с' зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот v излучения:

Впервые скорость света определил датский ученый О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затемнениями спутников Юпитера (рис. 3.87). Промежуток времени, в течение которого самый большой спутник Юпитера Ио погружался в тень при своем обращении вокруг Юпитера, отличался на 22 минуты в зависимости от того, из какой точки орбиты Земли велись наблюдения. Первый раз из положения, когда Земля при своем движении вокруг Солнца подошла ближе всего к Юпитеру, и второй раз, через несколько месяцев, когда Земля удалилась от Юпитера.

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время — наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 минуты раньше. Запаздывание в этом случае происходит из-за того, что свет тратит 22 минуты на прохождение от места моего первого наблюдения до места моего теперешнего положения». Рёмер получил величину 215 000 км/с из-за малой точности измерений и неточного знания радиуса орбиты Земли.

В 1849 г. А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы). Поскольку показатель преломления воздуха очень мало отличается от единицы, то измерения в атмосфере Земли дают величину, весьма близкую к с. В опыте Физо пучок света от источника, отраженный полупрозрачным зеркалом, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском, затем проходил расстояние в 8,6 км (базу) до зеркала и, отразившись от него, возвращался к диску (рис. 3.88). Попадая на зубец, свет не достигал глаза наблюдателя, проходящий между зубцами свет можно было наблюдать. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение с = 313 300 км/с.

Было разработано еще много других, более точных, методов измерения скорости света. Так, американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость света в различных прозрачных веществах. Во всех веществах она меньше, чем в вакууме. В 1856 г. была определена скорость света в воде, она оказалась в 4/3 раза меньше, чем с.

По современным данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 ±1,2 м/с.

Определение скорости света с большой точностью важно не только из теоретических соображений и для определения других физических величин, но и в практическом смысле. Например, оно необходимо для точного определения расстояний в радиолокации, оптической локации, в системах слежения искусственных спутников Земли и др.

Световой луч

Световой луч обозначает линию, вдоль которой распространяется поток энергии волны, испущенный в определенном направлении источником света.

В однородной среде луч — прямая линия. При переходе через границу, разделяющую две среды с разными показателями преломления, луч преломляется согласно закону преломления Снелля.

Под световым лучом в оптике понимают достаточно узкий пучок света, который на всем пути его распространения, подлежащем изучению, можно считать нерасходящимся.

Термин «луч» употребляется также для обозначения узкого пучка частиц (например, электронный луч).

Распространение света в однородной среде. Одним из первых и основных законов геометрической оптики является закон прямолинейного распространения света.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Этот закон был известен еще Евклиду за 300 лет до н. э.

Тень. Одним из доказательств прямолинейного распространения света является образование тени при освещении предмета точечным источником света (рис. 3.89, а). Если бы лучи распространялись не прямолинейно, а, скажем, огибали бы предмет, тень могла бы не образоваться.

Полутень. Благодаря все тому же прямолинейному распространению света от источника больших размеров (сравнимых с размерами предмета и расстоянием до него и до экрана) образуются тень и полутень (рис. 3.89, б). Тень (черный круг на рис. 3.89, б) образуется в том месте на экране Э, куда не доходят лучи ни от одной из точек источника. Полутень (серый круг на рис. 3.89, б) образуется в местах, куда доходят лучи только от некоторых точек источника (протяженный источник света всегда можно представить себе состоящим из множества точечных источников).

Доказательством прямолинейного распространения света является также получение четких изображений предмета при помощи маленьких отверстий в камере-обскуре, в которой (перевернутое) изображение предмета на задней стенке камеры получается проектированием предмета при помощи прямолинейных лучей (рис. 3.90).

В природе демонстрацией прямолинейного распространения света являются лунные и солнечные затмения. Они наступают тогда, когда Луна, Земля и Солнце лежат на одной линии и Луна попадает в тень, отбрасываемую Землей (лунное затмение), или Луна заслоняет собой на несколько минут Солнце.