Законы отражения и преломления света

 

Перемещение фронта волны в пространстве объясняется с помощью принципа Гюйгенса:

Все точки фронта волны (поверхности 1 на рисунке 2) являются вибраторами, от которых распространяются элементарные волны во все стороны. Огибающая всех этих элементарных волн дает новое положение фронта волны (поверхность 2 на рисунке 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. .

В природе не существует веществ, которые бы полностью поглощали или отражали все падающие на них излучения. 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 из точки падения луча.

2. 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:

Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным из точки падения луча.

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

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 разности волновых путей (отрезке BD) уложиться нечетное число полуволн, то волны в точку С приходят в противофазе и в точке С произойдет максимальное ослабление колебаний.

Если в разности волновых путей (отрезке ВD) уложиться четное число полуволн (то есть целое число длин волн), 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.

S

О

D

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 7. Картина интерференции на экране

Рисунок 6. Создание интерференции с помощью призмы

О

Наиболее отчетливая картина интерференции на экране D получается, если источник света создает монохроматическое излучение. Монохроматическим называется излучение с одной определенной частотой, создающей 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 с обоих сторон от центральной полосы О снова появляются светлые полосы и т.д.Расстояние между светлыми полосами (или темными) прямо пропорционально длине волны света λ: чем меньше λ, тем меньше это расстояние.

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.