Оптика законы распространения света

Оптика законы распространения света

Оптика законы распространения света

Свет — это электромагнитные волны, вызывающие зрительное ощущение. Их длина лежит в пределах от 0.4 до 0,8 мкм. Скорость света в вакууме с = 3*10 8 м/с. Как всякие волны свет огибает препятствия на пути его распространения, испытывая дифракцию (см. ниже). Однако, с увеличением размеров препятствий способность света огибать препятствия уменьшается. В большинстве практических случаев этим явлением можно пренебречь. В таких случаях свет распространяется в виде узких, почти параллельных пучков.

Луч — это направление распространения энергии в световом пучке, т.е. это прямая линия. Чем уже световой пучок, тем точнее он определяет направление луча.

В однородной среде свет распространяется вдоль прямых линий.

Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, причем угол отражения () равен углу падения ( )(рис. 1).

Изображением светящейся точки S в зеркале или линзе называется точка пересечения лучей , вышедших из точки после их отражения в зеркале или преломления в линзе. В зависимости от того, пересекаются ли в точке сами лучи или их продолжения, изображение называют действительным или мнимым .

Изображение светящейся точки в плоском зеркале мнимо и симметрично самой светящейся точке относительно плоскости зеркала.(Рис.2).

Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения ( ) к синусу угла преломления ( ) есть величина постоянная для данных двух сред (рис. 3):

(1)

Величину п21 называют относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.

Абсолютным (табличным) показателем преломления среды называют показатель преломления среды относительно вакуума. (В этом случае на рис. 1 средой I является вакуум).

Относительный показатель преломления п 21 связан с абсолютными показателями преломления первой среды п 1, второй среды п 2 :

(2)

Среду с меньшим показателем преломления называют оптически менее плотной . При падении света на границу двух сред со стороны оптически более плотной среды происходит полное отражение, если угол падения больше или равен углу, называемому предельным углом полного отражения (рис.4).

Формально углу соответствует угол преломления, равный 90°, поэтому:

(3) (4)

Если свет переходит из данной среды ( п 1= п ) в вакуум ( п 2=1),то :

(5)

Гомоцентрическим называют пучок лучей, пересекающихся в одной точке. Основное свойство линзы: она сохраняет гомоцентричность световых пучков (на рис.8 S светящаяся точка, S’ её изображение).

На рис.9 дано построение изображения предмета в собирающей линзе при различных его расстояниях от линзы; А ‘ . — изображение предмета А и т.д. Заметим, что изображения D’ нс существует («уходит в бесконечность»), изображение Е’— мнимое. Формула тонкой линзы :

(6)

где d,f, F— расстояния от линзы соответственно до предмета, до изображения и до главного фокуса. Последнее называют фокусным расстоянием линзы . В формуле линзы все величины берутся со знаком “+”, если соответствующие им точки действительные, и со знаком “-” , если эти точки мнимые.

(8)

где k = 0, 1, 2, 3. Каждому значению k соответствует по два угла . С помощью (8) можно опытным путем определить длину волны монохроматического света. Наибольшая длина волны (0,8 мкм) соответствует красному цвету, наименьшая — фиолетовому.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества от цвета падающего на него света. Это проявляется в том, что если направить узкий пучок солнечного света на призму, он выйдет из призмы в виде веера цветных лучей (рис.13). Цвет определяется длиной волны или связанной с ней по формуле частотой световых колебаний v . С другой стороны, по волновой теории абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скорости света в вакууме с = 3*10 8 м/с к скорости света в веществе v : (9)

Таким образом в основе дисперсии лежит зависимость скорости распространения световых (электромагнитных) колебаний в веществе от их частоты.

Описанный выше солнечный спектр называется непрерывным . Он имеет вид разноцветной полоски, в которой цвета непрерывно переходят один в другой. Сплошные спектры дают все раскаленные твердые или жидкие тела.

Светящиеся газы дают линейчатые спектры. Они представляют собой набор определенным образом расположенных тонких цветных линий, разделенных широкими темными промежутками. Каждому веществу соответствует свой строго определенный набор линий — линейчатый спектр. Это свойство линейчатых спектров лежит в основе спектрального анализа — определения химического состава вещества по его спектру.

Читайте так же:  Энцефалопатия передается по наследству

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

(принцип относительности Эйнштейна) является обобщением принципа относительности Галилея на все физические явления. Он состоит в утверждении, что все физические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Поэтому никакими опытами, производимыми внутри инерциальной системы, нельзя установить движется ли она или покоится.

Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света (с = 3*10 8 м/с).

Из постулатов теории относительности (релятивистской теории) вытекает относительность ряда физических величин. Их значения различны в разных инерциальных системах отсчета. Релятивистское сокращение длины стержня:

(1)

здесь l -длина стержня, покоящегося относительно измерительного прибора, 1 — длина того же стержня, движущегося относительно измерительного прибора со скоростью v, направленной вдоль стержня.

Релятивистское замедление хода движущихся часов:

(2)

здесь длительность какого-либо события, происходящего внутри инерциальной системы, измеренная по часам, покоящимся относительно этой системы, — длительность того же события, измеренная по часам, движущимся относительно этой системы со скоростью v.

Из формул (1). (2) следует, что скорость тела v не может превысить скорость света с, иначе величины l, стали бы мнимыми, что лишено физического смысла. Скорость света — это предельная скорость движения каких-либо объектов.

Если тело движется со скоростью v1, в системе отсчета К ‘, которая сама движется со скоростью v2 относительно другой системы отсчета К в том же направлении, то скорость движения v этого тела в системе отсчета К равна:

(3)

С увеличением скорости тела его масса возрастает в соотвест-вии с формулой

(4)

где m — масса покоящегося тела, т масса того же тела, движущегося со скоростью v .

Связь между массой тела и его энергией (полной релятивистской энергией):

(5)

Изменению энергии тепа соответствует изменение его массы:

(6)

При v=0, m=m величина Е= т*c 2 называется энергией покоя. Разность между полной релятивистской энергией тела и энергией покоя — это кинетическая энергия тела (Т):

(7)

izi.vlsu.ru

Объединение учителей Санкт-Петербурга

Основные ссылки

Закон прямолинейного распространения света. Скорость света и методы ее измерения.

Закон прямолинейного распространения света.

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно.

Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света. Понятие луча ввел Евклид (геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света, основанные на понятии луча, без учета природы света).

Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени.

При малых размерах источника (источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь) получается только тень (область пространства, в которую свет не попадает).

При больших размерах источника света (или, если источник находится близко к предмету) создаются нерезкие тени (тень и полутень).

В астрономии – объяснение затмений.

Световые пучки распространяются независимо друг от друга. Например, проходя один через другой, они не влияют на взаимное распространение.

Световые пучки обратимы, т.е., если поменять местами источник света и изображение, полученное с помощью оптической системы, то ход лучей от этого не изменится.

Скорость света и методы ее измерения.

Первые предложения выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света.

Астрономический метод измерения скорости света

Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δ l= l 2l 1.

Лабораторный метод измерения скорости света

Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света.

Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.

с=313 000 км/с.

В настоящее время вместо механических делителей светового потока применяются оптоэлектронные (ячейка Керра – кристалл, оптическая прозрачность которого меняется в зависимости от величины электрического напряжения).

Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле .

По современным данным, в вакууме с=(299792456,2 ± 0,8) м/с.

www.eduspb.com

Закон прямолинейного распространения света : в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям. В связи с законом прямолинейного распространения света появилось понятие световой луч, которое имеет геометрический смысл как линия, вдоль которой распространяется свет. Реальный физический смысл имеют световые пучки конечной ширины. Световой луч можно рассматривать как ось светового пучка. Поскольку свет, как и всякое излучение, переносит энергию, то можно говорить, что световой луч указывает направление переноса энергии световым пучком. Также закон прямолинейного распространения света позволяет объяснить, как возникают солнечные и лунные затмения.

Читайте так же:  Сроки подачи заявления по вновь открывшимся обстоятельствам гпк

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Закон прямолинейного распространения света» в других словарях:

Электромагнитная теория света — 1. Характерные свойства луча света. 2. Свет не есть движение упругого твердого тела механики. 3. Электромагнитные явления как механические процессы в эфире. 4. Первая Максвеллова теория света и электричества. 5. Вторая Максвеллова теория. 6.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА — явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой вз ствие света с в вом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую… … Физическая энциклопедия

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА — раздел оптики, в к ром изучаются законы распространения оптического излучения (света) на основе представлений о световых лучах. Под световым лучом понимают линию, вдоль к рой распространяется поток световой энергии. Понятием луча можно… … Физическая энциклопедия

Линейная оптика — Основная статья: Оптика Геометрическая оптика раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах. Краеугольным приближением геометрической оптики … Википедия

Лучевая оптика — Основная статья: Оптика Геометрическая оптика раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах. Краеугольным приближением геометрической оптики … Википедия

Геометрическая оптика — Для улучшения этой статьи желательно?: Добавить иллюстрации. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное … Википедия

Геометрическая оптика — раздел оптики (См. Оптика), в котором изучаются законы распространения света на основе представлений о световых лучах. Под световым лучом понимают линию, вдоль которой распространяется поток световой энергии. Понятие луча не противоречит… … Большая советская энциклопедия

Оптика геометрическая — раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах и условия получения изображений на основании математической модели физических явлений, происходящих в оптических системах, справедливой, когда длина волны света… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

Оптика — I. Содержание этой науки. О. представляет собой отдел физики, в котором рассматриваются световые явления; подразделяется на следующие части: а) геометрическая О., b) физическая О. и с) физиологическая О. Основание геометрической О. составляют… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Физика — I. Предмет и структура физики Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… … Большая советская энциклопедия

dic.academic.ru

Основные законы геометрической оптики

Оптика – один из разделов физики, который изучает свойства и физическую природу света, а также его взаимодействия с веществами.

Данный раздел делят на три, приведенные ниже, части:

  • геометрическая или, как ее еще называют, лучевая оптика, которая базируется на понятии о световых лучах, откуда и исходит ее название;
  • волновая оптика, исследует явления, в которых проявляются волновые свойства света;
  • квантовая оптика, рассматривает такие взаимодействия света с веществами, при которых о себе дают знать корпускулярные свойства света.

В текущей главе нами будут рассмотрены два подраздела оптики. Корпускулярные свойства света будут рассматриваться в пятой главе.

Геометрическая оптика. Основные законы геометрической оптики

Задолго до возникновения понимания истинной физической природы света человечеству уже были известны основные законы геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

Закон прямолинейного распространения света гласит, что в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Подтверждением этому служат резкие тени, которые отбрасываются непрозрачными телами при освещении с помощью источника света сравнительно малых размеров, то есть так называемым «точечным источником».

Иное доказательство заключается в достаточно известном эксперименте по прохождению света далекого источника сквозь малое отверстие, с образующимся в результате узким световым пучком. Данный опыт подводит нас к представлению светового луча в виде геометрической линии, вдоль которой распространяется свет.

Стоит отметить тот факт, что само понятие светового луча вместе с законом прямолинейного распространения света утрачивают весь свой смысл, в случае если свет проходит через отверстия, размеры которых аналогичны с длиной волны.

Исходя из этого, геометрическая оптика, которая опирается на определение световых лучей – это предельный случай волновой оптики при λ → 0 , рамки применения которой рассмотрим в разделе, посвященном дифракции света.

Читайте так же:  Бюджетдан таш?ари пенсия

На грани раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться таким образом, что некоторая часть световой энергии будет рассеиваться после отражения по уже новому направлению, а другая пересечет границу и продолжит свое распространение во второй среде.

Закон отражения света

Закон отражения света, основывается на том, что падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, находятся в одной плоскости (плоскость падения). При этом углы отражения и падения, γ и α – соответственно, являются равными величинами.

Закон преломления света

Закон преломления света, базируется на том, что падающий и преломленный лучи, также как перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение sin угла падения α к sin угла преломления β является величиной, неизменной для двух приведенных сред:

Ученый В. Снеллиус экспериментально установил закон преломления в 1621 году.

Постоянная величина n – является относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Показатель преломления среды относительно вакуума имеет название – абсолютный показатель преломления.

Относительный показатель преломления двух сред – это отношение абсолютных показателей преломления данных сред, т.е.:

Свое значение законы преломления и отражения находят в волновой физике. Исходя из ее определений, преломление является результатом преобразования скорости распространения волн в процессе перехода между двумя средами.

Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ 1 к скорости во второй υ 2 :

Абсолютный показатель преломления эквивалентен отношению скорости света в вакууме c к скорости света υ в среде:

На рисунке 3 . 1 . 1 проиллюстрированы законы отражения и преломления света.

Рисунок 3 . 1 . 1 . Законы отражения υ преломления: γ = α ; n 1 sin α = n 2 sin β .

Среда, абсолютный показатель преломления которой является меньшим, является оптически менее плотной.

В условиях перехода света из одной среды, уступающей в оптической плотности другой ( n 2 n 1 ) мы получаем возможность наблюдать явление исчезновения преломленного луча.

Данное явление можно наблюдать при углах падения, которые превышают некий критический угол α п р . Этот угол носит название предельного угла полного внутреннего отражения (см. рис. 3 . 1 . 2 ).

Для угла падения α = α п р sin β = 1 ; значение sin α п р = n 2 n 1 1 .

При условии, что второй средой будет воздух ( n 2 ≈ 1 ) , то равенство будет допустимо переписать в вид: sin α п р = 1 n , где n = n 1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

В условиях границы раздела «стекло–воздух», где n = 1 , 5 , критический угол равен α п р = 42 ° , в то время как для границы «вода–воздух» n = 1 , 33 , а α п р = 48 , 7 ° .

Рисунок 3 . 1 . 2 . Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света.

Практическое применение явления полного отражения

Феномен полного внутреннего отражения широко используется во многих оптических устройствах. Одним из таких устройств является волоконный световод – тонкие, изогнутые случайным образом, нити из оптически прозрачного материала, внутри которых свет, попавший на торец, может распространяться на огромные расстояния. Данное изобретение стало возможным только благодаря правильному применению феномена полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3 . 1 . 3 ).

Волоконная оптика – это научно-техническое направление, основывающееся на разработке и использовании оптических световодов.

Рисунок 3 . 1 . 3 . Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность.

Рисунок 3 . 1 . 4 . Модель отражения и преломления света.

www.zaochnik.com

Тестирование онлайн

Закон прямолинейного распространения света

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством закона служит образование тени и полутени.

Закон независимости световых лучей

Распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга.

Закон отражения света

Луч падающий, отраженный и перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.

Закон преломления света

Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром в точке падения к границе. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянная величина для двух данных сред.

При переходе света из оптически более плотной среды (с большим показателем преломления) в оптически менее плотную, начиная с некоторого угла падения преломленного луча не станет. Явление называется полным отражением. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения. При всех больших углах падения преломленная волна отсутствует.

a) преломленный луч существует; б) предельный угол отражения; в) преломленный луч отсутствует;

При прохождении лучей различных длин волн через призму, они отклоняются на разные углы. Явление дисперсии связано с зависимостью показателя преломления среды от частоты распространяющегося излучения.

Явление дисперсии приводит к образованию радуги вследствие преломления солнечных лучей на мельчайших водяных капельках во время дождя.

fizmat.by

Обсуждение закрыто.
© 2021