Законы отражения и преломления света

Закон преломления света.

 

 

Преломление света – изменение направления  распространения оптического излучения

 

(света)  при его прохождении через  границу раздела однородных изотропных

 

прозрачных (не поглощающих) сред с показателем  преломления n1 и n

 

2. Преломление света определяется следующими двумя закономерностями :

 

преломленный  луч лежит в плоскости , проходящей через падающий луч и нормаль

 

(перпендикуляр)  к поверхности раздела; углы  падения φ и

 

преломления χ (рис.3) связаны законом  преломления Снелля :

 

 

 

 

 

 

n1sinφ = n2sinχ или = n,

 

где n – постоянная , не зависящая  от углов φ и χ. Величина n –

 

показатель преломления, определяется свойствами обеих сред, через границу

 

раздела которых проходит свет, и  зависит также от цвета лучей.

 

Преломление света сопровождается также отражением света.

 

На рис. 3 ход лучей света при  преломлении на плоской поверхности , разделяющей

 

две прозрачные среды. Пунктиром обозначен  отраженный луч. Угол преломления

 

χ больше угла падения φ; это указывает, что в данном случае

 

происходит преломление из оптически более плотной первой среды в оптически

 

менее плотную вторую (n1 > n2), n –  нормаль к

 

поверхности раздела.

 

Явление преломления света было известно уже Аристотелю. Попытка  установить

 

количественный закон принадлежит  знаменитому астроному Птолемею (120 г.

 

н.э.), который предпринял измерение  углов падения и преломления. Закон отражения и закон преломления  также справедливы лишь при соблюдении

 

известных условий. В том случае, когда размер отражающего зеркала  или поверхности, разделяющей две среды, мал , мы наблюдаем заметные отступления

 

от указанных выше законов. Однако для обширной области явлений, наблюдаемые  в обычных оптических приборах, все  перечисленные законы соблюдаются  достаточно строго.

 

 

^  Отражение света при любых зеркалах.

 СФЕРИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА

 

     Исходя, из закона  отражения можно также решать  задачи о кривых зеркалах, не  только тех, что вешают в  комнате смеха, но о сферических  зеркалах используемых на транспорте, в фонариках и прожекторах,  зеркале гиперболоида инженера Гарина.

 

     На рис. 3, 4 показаны  примеры построения изображения  предмета в виде стрелки в  вогнутом и выпуклом сферических  зеркалах. Методы построения изображений  аналогичны, применяемым к тонким  линзам. Так, например, параллельный  пучок лучей падающих, на вогнутое зеркало, собирается в одной точке - фокусе, который находится на фокусном расстоянии f от линзы, равном половине радиуса кривизны R зеркала.

 

 

 

    Рис. 3. Построение изображения  в вогнутом сферическом зеркале 

 

    В вогнутом зеркале действительное изображение - перевернутое, оно может быть увеличенным или уменьшенным в зависимости от расстояния между предметом и зеркалом, а мнимое - прямое и увеличенное, как в собирающей линзе. В выпуклом зеркале изображение всегда мнимое, прямое и уменьшенное, как в рассеивающей линзе.

 

 

 

Рис. 4. Построение изображения в  выпуклом сферическом зеркале 

 

    К сферическим зеркалам  применима формула, аналогичная  формуле тонкой линзы: 

 

    1/a+1/b=1/f=2/R,

 

    1/a-1/b=-1/f=-2/R,

 

    где a и b - расстояния от предмета и изображения до линзы [1]. Первая из этих формул верна для вогнутого зеркала, вторая - для выпуклого.

 

 

 

 

^ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО

В этом случае точки Р и Р1 находятся  внутри зеркальной поверхности. Принцип  Ферма требует выполнения следующих равенств:

 

Кривая, для каждой точки которой  сумма расстояний до двух заданных точек (фокусов) имеет одно и то же значение, представляет собой эллипс. Поэтому фокусировка выходящих  из точки Р лучей в заданной точке Р1 обеспечивается зеркалом в форме эллипсоида вращения с фокусами в точках Р и Р1.

 

 

 

 

 

 

При конструировании лазеров рубиновый  стержень P и лампу оптической накачки  располагают в фокусах зеркального  оптического цилиндра. А этом случае свет, излученный лампой Л, весь попадет  на стержень Р.

 

 

 

Если применяется несколько  ламп, то используются совмещенные эллиптические отражатели.

 

 

^ ПАРАБОЛИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО

 

 

В этом случае параллельные лучи света  идущие от бесконечно удаленного источника  Р, должны собраться в одной точке  Р1. Принцип Ферма требует выполнения следующих равенств:

 

Из математики известно, что таким свойством обладает парабола, где точка Р1 - её фокус.

 

 

 

 

Параболическое зеркало - основной элемент телескопов- рефлекторов

 

 При помощи таких телескопов  удается изучать самые удаленные  уголки Вселенной.

 

Спиральные галактики в созвездии  Андромеды.

 

 

 

 

 

 

 

Для локации планет солнечной системы  используют радиолокаторы, в основе которых лежит параболическое зеркало.

 

 Радиолокация дает возможность  "прощупать" рельеф поверхности  планет, даже окутанных густыми  облаками, сквозь которые в обычный телескоп поверхность не видна.

 

Радиолокационная карта Венеры.

 

   ^ ПЛОСКОЕ ЗЕРКАЛО

 

 

 

 

 

 

 

Когда два  зеркала расположены  под углом друг к другу, образуется множество изображений предмета.

 

 

 

 

 

 

^ Уголковый отражатель обладает  тем свойством, что под каким бы углом ни падал на него луч света, отраженный луч всегда будет параллелен падающему лучу.

 

 

 

 

 

 

 Многократные  отражения света параллельными  зеркалами используется в интерферометре  Фабри-Перо, где зеркалами служат  параллельные кварцевые пластины с нанесенными на них металлическими или многослойными диэлектрическими отражающими покрытиями. 

 

 

 

 

 

Плоские зеркала  используют в таком приборе, как  перископ.

 

Перископ

 

(от греч. periskopéo - смотрю вокруг, осматриваю), оптический прибор для наблюдения из укрытий (окопов, блиндажей и др.), танков, подводных лодок. Многие П. позволяют измерять горизонтальные и вертикальные углы на местности и определять расстояние до наблюдаемых объектов. Устройство и оптические характеристики П. обусловлены его назначением, местом установки и глубиной укрытия, из которого ведётся наблюдение. Простейшим является вертикальный перископ, состоящий из вертикальной зрительной трубы и 2 зеркал, установленных под углом 45° к оси трубы и образующих оптическую систему, которая преломляет световые лучи, идущие от наблюдаемого предмета, и направляет их в глаз наблюдателя. Распространены призменные перископы, в трубе которых вместо зеркал установлены прямоугольные призмы, а также телескопическая линзовая система и оборачивающая система, с помощью которых можно получать увеличенное прямое изображение. Поле зрения перископ при малом увеличении (до 1,5 раза) составляет около 40°; оно обычно уменьшается с ростом увеличения. Некоторые типы перископ позволяют вести круговой обзор.

 

 

 

 

Оптическая схема перископа

 

 

Впервые прототип перископа использовал Ливчак Иосиф  Николаевич. Ливчак Иосиф Николаевич [1839, с. Тисовы, близ г. Перемышль, - 27.10 (9.11).1914, Петроград], русский изобретатель в  области полиграфии, военного дела и транспорта. С 1863 жил в Вене, где издавал сатирический журнал "Страхопуд" (1863-68), а также участвовал в издании журналов "Золотая грамота" (1864-1868) и "Славянская заря" (1867-68). Л. призывал к освобождению славянских земель из-под власти Австро-Венгрии и объединению их вокруг России. В начале 70-х гг. переехал в Россию, где занялся изобретательской деятельностью. Создал матрицевыбивательную наборную машину, которая в 1875 использовалась при наборе газеты "Виленский вестник". Изобрёл прицельный станок (1886), оптический прибор диаскоп (прототип перископа), отмеченный большой золотой медалью Парижской академии. Сконструировал указатель пути и скорости движения локомотива; за эту работу Русским техническим обществом награжден золотой медалью им. А. П. Бородина (1903).

 

Заключение.