Законы отражения и преломления света

Перемещение фронта волны в пространстве объясняется с помощью принципа Гюйгенса:

Все точки фронта волны являются вибраторами, от которых распространяются элементарные волны. Огибающая всех этих

элементарных волн дает новое положение фронта волны (поверхность 2) (рисунок 2).

Рисунок 2. Образование фронта волны согласно принципу Гюйгенса

При наложении элементарных волн, идущих в сторону точки О, происходит взаимное ослабление колебаний, и в этом направлении волны гасят друг друга. Линию, вдоль которой перемещается фронт волны, называют лучом (ОА).

В изотропной среде свет распространяется прямолинейно, т.е.

световые лучи являются прямыми линиями. Чем дальше от точки О уходит фронт волны, тем меньше становится кривизна его поверхности. Поэтому на большом расстоянии от источника света маленький участок фронта волны можно считать плоским, а световые лучи параллельными.

Изменение направления распространения света происходит на границе раздела двух различных сред (рисунок 3). Если на поверхность воды из воздуха попадает тонкий пучок света, то в точке падения О часть света отражается, а часть проникает в воду и при этом преломляется.

Угол , составленный падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным из точки падения луча к поверхности, называется углом падения.

a i 1 Воздух 2 Вода b

Угол i, составленный отраженным лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения.

Рисунок 3. Отражение и преломление света

Угол b, составленный преломленным лучом и перпендикуляром, восстановленным к поверхности раздела двух сред в точке падения луча, называется углом преломления.

Если световое излучение проходит в среде значительное расстояние мало ослабляясь, то такую среду называют прозрачной. Пусть излучение приносит в точку 0 энергию W. Тогда .

Коэффициент отражения r показывает, какую часть энергии, принесенной на поверхность тела излучением, составляет энергия,

унесенная от этой поверхности отраженным излучением.

Веществ, которые бы полностью поглощали или отражали все падающие на них излучения, в природе нет. Несмотря на это, в оптике принято абстрактное понятие: абсолютно черное тело, которое полностью поглощает все падающие на него излучения Почти полностью поглощают падающие на них лучи печная сажа и черный бархат, а почти полностью отражает свет полированное серебро.

Законы отражения светового излучения были открыты еще в III веке до н.э. Эвклидом:

- Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным в точке падения луча.

- Угол отражения луча равен углу его падения i = a.

- Падающий и отраженный лучи обратимы.

Отражение может быть диффузным (рассеянным) и зеркальным (рисунок 4). Зеркальным отражение получается, если размеры неровностей на поверхности не превышают длины волны светового излучения.

а б

Рисунок 4. Диффузное (а) и зеркальное (б) отражение света

Преломление. Если скорость распространения излучения в среде 1 больше чем среде 2 ( > ), то угол преломления b оказывается меньше угла падения a, т.е. преломленный луч приближается к перпендикуляру.

Отношение скоростей света для двух сред обозначают n₂₁ и называют показателем преломления второй среды относительно первой.

Законы преломления:

Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча к поверхности раздела 2-х сред.

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная.

Отсюда с увеличением a увеличивается и b.

Падающий и преломленный лучи обратимы.

Когерентность и монохроматичность.

Интерференция света

Рассмотрим свойства света, которые могут быть объяснены только волновой природой света. Допустим, на поверхности воды распространяются волны, идущие из 2-х различных точек. Мы наблюдаем их суперпозицию (наложение).

Если волны от разных точек идут с разной частотой, то в каждой точке наблюдения нельзя получить устойчивую картину результирующих колебаний. Устойчивая картина возникает при суперпозиции волн с абсолютно одинаковыми частотами колебаний.

Источники волн, колеблющиеся с одинаковой частотой и в течение всего времени сохраняющие постоянную разность фаз, называются когерентными источниками. Волны, создаваемые такими источниками, являются когерентными.

Явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн называется интерференцией.

При наложении когерентных волн с противоположными фазами в какой-либо точке среды амплитуда результирующего колебания равна разности амплитуд накладывающихся колебаний. В случае наложения волн с одинаковыми фазами амплитуда результирующего колебания точки будет равна сумме амплитуд накладываемых колебаний.

Возьмем 2 когерентных источника света A и B с одинаковыми фазами (рисунок 5).

Для определения амплитуды колебания в точке С находят разность волновых путей до интересующей точки С. ВС-АС=ВD (причем АС=DС) и определяют, сколько длин полуволн укладывается в этой разности (ВD).

Если в отрезке BD уложиться нечетное число полуволн, то волны в точку С приходят в противофазе и в точке С произойдет максимальное ослабление колебаний.

Если в отрезке ВD уложиться четное число полуволн, то волны в точку С приходят в фазе и в точке С произойдет максимальное усиление колебаний.

В оптике когерентными могут быть только лучи, создаваемые одним и тем же источником света. Для создания интерференции света нужно лучи от одного источника света наложить друг на друга с помощью какого-либо оптического устройства: призмы (рисунок 6), зеркала или клинообразной пленки.

Если источник S сделать в виде узкой светящейся щели, перпендикулярной плоскости рисунка, то на экране D будут видны чередующиеся темные и светлые полосы (рисунок 7).

Рисунок 6. Создание интерференции с помощью призмы

Рисунок 7. Картина интерференции на экране

Наиболее отчетливая картина интерференции на экране D получается, если источник света создает монохроматическое излучение. Монохроматическим называется излучение с одной определенной частотой,

дающей один цвет. Такое излучение можно получить с помощью светофильтров – стекол, пропускающих только один цвет. Все остальные цвета эти стекла поглощают.

В точке О экрана будет видна светлая полоса, т.к. в этом месте когерентные лучи будут накладываться с одинаковыми фазами (как считаете, почему? ). При удалении от центральной светлой полосы О экрана разность волновых путей возрастает и когда она достигает λ /2, на экране с обоих сторон от центральной полосы О получаются темные полосы. Когда разность волновых путей достигнет λ, то на экране снова появляются светлые полосы и т.д.

Расстояние между светлыми полосами (или темными) прямо пропорционально длине волны λ: чем меньше λ, тем меньше это расстояние.

Цвета монохроматических лучей располагаются в порядке возрастания длин волн следующим образом: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный.

В науке и технике интерференция света широко используется для точных измерений, например определения качества обработки поверхности (шлифовки). С помощью интерференции была измерена длина эталонного метра. В результате метром в настоящее время называют длину, в которой длина волны оранжевых лучей, испускаемых атомами криптона, укладывается 1 650 763, 73 раза.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒