Законы геометрической оптики

 

Геометрическая оптика — это раздел оптики, где волновая природа света и связанных  с этим явлений не учитывается.
Геометрическая оптика  занимается  изучением распространения света в бесцветных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей, т. е. линий, вдоль  которых  идет световая энергия. Лучи прямолинейны, если среда является оптически однородной. Лучи подчиняются законам отражения и преломления. Световые  лучи могут  пересекаться,  не  интерферируя и распространяясь после пересечения независимо друг от друга.
 
Условие применимости геометрической оптики: площадь волнового фронта, ограниченная входным отверстием линзы, должна быть значительно больше произведения расстояние  от линзы  до точки наблюдения на длину волны.

Отражение волн — это процесс, происходящий на границе раздела  двух сред в следствие  которого  волна меняет  направление своего распространения, оставаясь в первой среде.
Отражение бывает:
1)  диффузное (рассеянное), при котором отраженные от шероховатой поверхности раздела сред лучи распространяются в первой среде в разных направлениях;
2)  зеркальное, где поверхность отражает падающий на нее пучок света направленно, наблюдается на гладких поверхностях.

Угол падения — угол между отраженным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, восставленным в точке падения луча.
Угол отражения — угол между отраженным  лучом и перпендикуляром к границе раздела  сред, восставленным в точке падения луча.

Законы отражения:
1)  падающий  луч, отраженный  луч и перпендикуляр к  границе раздела  двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
2)  угол отражения равен углу падения.

Поглощение волн — это уменьшение энергии волны в итоге ее взаимодействия со  средой,  где она  распространяется, или  с  телами, расположенными на  пути  ее распространения. При  этом энергия волны переходит в другие виды энергии.

Показатель преломления — это величина, являющаяся оптической характеристикой среды, связанная с преломлением света на границе раздела  двух бесцветных сред при переходе его из одной среды в другую и обусловленная различием скоростей распространения света в этих средах.

Угол преломления  —  это  угол  между  преломленным  лучом и  перпендикуляром к границе раздела  двух сред, восставленным в точке падения.
Законы преломления:
1)  падающий  луч, отраженный  луч и перпендикуляр к  границе раздела  двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
2)  отношение  синуса угла падения электромагнитных волн к си- нусу  угла  преломления есть  величина   постоянная  для  двух сред, такую  величину  называют  относительным  показателем преломления двух данных сред.
Показатели преломления:
-   абсолютный  показатель  преломления — это  отношение  скорости электромагнитных волн в вакууме к фазовой скорости волны в среде, для любой среды:


-   относительный показатель преломления — это отношение фазовой скорости электромагнитных волн в первой среде к фазовой скорости волны во второй среде:


Рассеяние  света  — явление  преобразования света веществом, которое сопровождается  изменением направления распространения света и выражающееся как несобственное свечение вещества.

Оптически однородная среда — это среда, в которой  показатель преломления  постоянен по всему объему среды, здесь  поглоще- ние происходит в результате их интерференции.

Оптически неоднородная среда — это среда, с помощью которой показатель преломления нерегулярно изменяется от точки к точке среды.

Рэлеевское  рассеяние — рассеяние света в мутных  средах с размерами неоднородностей не свыше ( длина  волны света).
Закон Рэлея: при прочих равных условиях интенсивность света, рассеянного  в мелкодисперсной мутной  среде, пропорциональна  — частота падающего света.

Индикатриса  рассеяния  —  это  зависимость  от  изображенная в сферических координатах.

Молекулярное рассеяние — это рассеяние света, наблюдаемое в средах, не содержащих инородных  частиц,  за счет флуктуации плотности, появляющихся из-за теплового движения атомов (молекул), флуктуации ориентации молекул  (флуктуации  анизотропии), флуктуации концентрации  в истинных  растворах.

Гомоцентрический пучок — это источник  света, который  является центром расходящегося  пучка лучей.
 
Линза — это прозрачное тело, которое ограниченно двумя криволинейными или  криволинейной и плоской поверхностями.

Тонкая линза — это  линза, которая  имеет малую толщину  по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.

Толстая линза — это  линза, которая  имеет большую  толщину по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.

Главная оптическая ось линзы — это прямая, которая  проходит через центры кривизны ее поверхностей.

Главная плоскость линзы — это плоскость, которая является общей для обеих поверхностей тонкой  линзы, перпендикулярная ее главной оптической  оси.

Побочные оптические оси линзы — все прямые, проходящие через оптический центр линзы и не совпадающие с ее главной оптической осью.

Главные фокусы линзы — точки,  которые располагаются на главной оптической  оси линзы по  обе стороны  от  оптического центра на одинаковых расстояниях, называемых фокусными.
Фокальные плоские линзы — это плоскости, которые располагаются  через главные фокусы линзы перпендикулярно ее главной оптической  оси.
Формула тонкой  линзы:


где  — абсолютные показатели преломления для материала  линзы и окружающей  среды,

где R1 и R2 — радиусы кривизны передней и задней поверхности линзы, a1 и а2  — расстояния  до предмета и его изображения.

Фокусное расстояние линзы:
 

Оптическая сила — это физическая величина, которая характеризует преломляющее действие линзы или  оптической системы, обратная ее фокусному расстоянию:
 

Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем больше отклоняются  лучи от начального направления распространения при прохождении через линзу, тем больше оптическая  сила линзы.
Виды линз:
1)  собирающая;
2)  рассеивающая.

Собирающая линза — это линза, которая  преобразовывает пучок  параллельных лучей в сходящийся.  Оптическая сила  собирающей линзы всегда положительна, т. е. D>0.

Рассеивающая  линза — это  линза, после прохождения  через которую,  пучок  параллельных лучей становится расходящимся.
Оптическая сила  рассеивающей  линзы является  отрицатель- ной величиной, т. е. D < 0.
Правило знаков в геометрической  оптике  (f — фокусное расстояние линзы):
если линза собирающая, то f>0;
если линза рассеивающая, то f<0;
если изображение действительное, то a2>0;
если изображение мнимое, то a2<0;
если пучок света, падающий на линзу, является расходящимся, то a1>0;
если пучок  света, падающий на линзу,  является сходящимся, то a1<0.

Параксиальный  (приосевой) пучок — это пучок  световых лучей, расположенных в узком конусе  световых лучей с осью,  нормальной к сферической границе раздела (поверхности  линзы).

 


Лекция добавлена 25.02.2014 в 22:44:32