Что такое обратимость световых лучей

Преломление света

Что происходит на границе веществ, которые являются прозрачными для света? Происходит его отражение, а также преломление (рефракция). Переходя в другую среду, световой поток изменяет свое направление на определенный угол. Причем явление рефракции проявляется, если поток света попадает под определенным углом на поверхность. Но может наблюдаться и такое явление, как полное отражение, тогда естественно преломленный луч наблюдаться не будет.

При перпендикулярном попадании луча на поверхность раздела отклонения не наблюдается. В соседствующем материале луч сохраняет свое направление, будет также направлен перпендикулярно, то есть угол падения и отклонения будет равен нулю.

Закон преломления

Рассмотрим случай для воздуха. Этот частный случай поможет перейти к общему закону рефракции. Поток света, который попадает на поверхность другой более плотной среды под определенным углом – что происходит с ним? Оказываясь в другом веществе поток света, подвергается рефракции – изменяет свое направление. Этот путь виден на рис.1.

Рассмотрим точку О – это точка падения света на поверхность, к этой точке проведен перпендикуляр CD (ее также называют нормалью). Относительно этой нормали и определяются углы. Таким образом: угол падения – это \(\alpha\), а \(\beta\) – угол рефракции. Световой поток ОВ – преломленный луч, а угол β и будет углом преломления – угол между потоком света ОВ и нормалью CD.

Вещества, которые являются прозрачными для света, имеют свою характеристику – показатель преломления, имеющий прямую зависимость от скорости света для конкретного вещества. Для различных сред этот показатель \(n\) различен. Для воздуха \(n = 1,0003\), таким образом, можно принять \(n = 1\). Этот показатель \(n\) принимается таким же, как и показатель для вакуума и это значение применяется при расчетных задачах.

Закон преломления «воздух – среда»

Падающий и отклонённый световой поток, а также нормаль, проведенная к поверхности, находятся в единой плоскости.

Отношение синусов углов падения и преломления светового потока равны \(n\):

Учитывая, что \(n\) всегда больше единицы \((n ≥1)\), то из формулы (1) получается: \(\sin<\alpha>>=\sin<\beta>\) или \(\beta

И для случая обратного хода будет справедлива формула \((1)\). Таким образом, отношение синуса угла имеющего большее значение к синусу угла с меньшим значением оказывается равным \(n\).

Общий Закон рефракции

Рассмотрим два случая прохождения светового потока:

Для обоих случаев можно записать общий закон преломления для двух непрозрачных сред.

Закон преломления – рефракции

Падающий световой поток, отклонённый и нормаль к поверхности раздела фаз, обязательно находятся в одной плоскости.

Величины синусов для углов падения и преломления относятся так же, как показатели преломлений для сред:

Учитывая формулу (2) для показателей \(n_1\), \(n_2\) получаем запись:

Из формулы \((5)\) можно легко получить формулу \((1)\) для воздуха, просто подставив вместо \(n_1=1\)

Полное отражение

Внутреннее полное световое отражение характеризуется тем, что луч не покидает вещество, а остается в нем.

Проанализируем вариант, когда поток света, поступает из воды, то есть из более плотного вещества, в воздух. Этот случай наблюдаем (рис.5.) на котором приведено распространение и отклонение световых потоков. \(S\) – это источник (точечный) который излучает в различные стороны. Рассматриваем несколько лучей исходящих от этого источника. Первый – \(SO_1\) попадает под небольшим углом на поверхность воды. Что происходит с этим лучом? Он преломляется \((О_1А_1)\), а также отражается \((О_1В_1)\). Энергия света распределяется соответственно между этими лучами.

Следующий луч \(SО_2\) имеет угол несколько больше предыдущего. Перераспределение энергии здесь будет несколько иным. Большая часть будет переходить к отраженному лучу \((О_2В_2)\). Как видим, чем больше угол, тем больше энергии получает отраженный луч, отклонённый луч получает все меньше и меньше энергии. И вот наступает момент, когда вся энергия переходит отраженному лучу, а отклоненный не получает энергии – исчезает! Продолжаем увеличивать угол – преломленный луч отсутствует.

Обстоятельства, при котором луч не выходит из вещества наружу называется полным внутренним световым отражением. Оно характеризуется углом полного светового отражения – \(\alpha_0\).

Он легко находится с использованием закона преломления:

\(\sin <90>= 1\), тогда получается

окончательно определяем угол:

Определяем этот угол для воды:

В технике это явление нашло применение в оптоволоконной оптике, без которой немыслима передача информации в огромном количестве и с огромной скоростью. Она (волоконная оптика) широко применяется в кабельном телевидении и интернете.

Источник

Что такое обратимость световых лучей

Рассматривая в предыдущем параграфе явления, происходящие при падении света на границу раздела двух сред, мы считали, что свет распространяется в определенном направлении, указанном па рис. 180, 181 стрелками. Поставим теперь вопрос: что произойдет, если свет будет распространяться в обратном направлении? Для случая отражения света это означает, что падающий луч будет направлен не слева вниз, как на рис. 182, а, а справа вниз, как на рис. 182, б; для случая преломления мы будем рассматривать прохождение света не из первой среды во вторую, как на рис. 182, в, а из второй среды в первую, как на рис. 182, г,

Точные измерения показывают, что и в случае отражения и в случае преломления углы между лучами и перпендикуляром к поверхности раздела остаются неизменными, меняется только направление стрелок. Таким образом, если световой луч будет падать по направлению (рис. 182, б), то луч отраженный пойдет по направлению , т. е. окажется, что по сравнению с первым случаем падающий и отраженный пула поменялись местами. То же наблюдается и при преломлении светового луча. Пусть — падающий луч, — преломленный луч (рис. 182, в). Если свет падает по направлению (рис. 182, г), то преломленный луч идет по направлению , т. е. падающий и преломленный луни обмениваются местами.

Рис. 182. Обратимость световых лучей при отражении (а, б) и при преломлении (в, г). Если , то

Таким образом, как при отражении, так и при преломлении свет может проходить один и тот же путь в обоих противоположных друг другу направлениях (рис. 183). Это свойство света носит название обратимости световых лучей.

Обратимость световых лучей означает, что если показатель преломления при переходе из первой среды во вторую равняется , то при переходе из второй среды в первую он равен . Действительно, пусть свет падает под углом и преломляется под углом , так что . Если при обратном ходе лучей свет падает под углом , то он должен преломляться под углом (обратимость). В таком случае показатель преломления , следовательно, . Например, при переходе луча из воздуха в стекло , а при переходе из стекла в воздух . Свойство обратимости световых лучей сохраняется и при многократных отражениях и преломлениях, которые могут происходить в любой последовательности. Это следует из того, что при каждом отражении или преломлении направление светового луча может быть изменено на обратное.

Рис. 183. К обратимости световых лучей при преломлении

Таким образом, если при выходе светового луна из любой системы преломляющих и отражающих сред заставить световой луч па последнем этапе отразиться точно назад, то он пройдет всю систему в обратном направлении и вернется к своему источнику.

Обратимость направления световых лучей можно теоретически доказать, используя законы преломления и отражения и не прибегая к новым опытам. Для случая отражения света доказательство проводится весьма просто (см. упражнение 22 в конце этой главы). Более сложное доказательство для случая преломления света можно найти в учебниках оптики.

Источник

Что такое обратимость световых лучей

Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил закон прямолинейного распространения света. В трактатах Евклида формулируется закон прямолинейного распространения света и закон равенства углов падения и отражения. Аристотель и Птолемей изучали преломление света. Но точных формулировок этих законов геометрической оптики греческим философам найти не удалось.

Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики, когда длина световой волны стремится к нулю.

Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики.

В основу формального построения геометрической оптики положено четыре закона, установленных опытным путем:

· закон прямолинейного распространения света;

· закон независимости световых лучей;

· закон преломления света.

Для анализа этих законов Х. Гюйгенс предложил простой и наглядный метод, названный впоследствии принципом Гюйгенса.

Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является, в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны.

Гюйгенс Христиан (1629–1695), нидерландский ученый. В 1665–1681 гг. работал в Париже. Изобрел (1657) маятниковые часы со спусковым механизмом, дал их теорию, установил законы колебаний физического маятника. Опубликовал в 1690 г. созданную им в 1678 г. волновую теорию света, объяснил двойное лучепреломление. Усовершенствовал телескоп; сконструировал окуляр, названный его именем. Открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан. Автор одного из первых трудов по теории вероятностей (1657 г.).

Основываясь на своем методе, Гюйгенс объяснил прямолинейность распространения света и вывел законы отражения и преломления.

Закон прямолинейного распространения света:

· свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками малых размеров.

Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Тень, отбрасываемая предметом, обусловлена прямолинейностью распространения световых лучей в оптически однородных средах.

Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны, когда Луна попадает в тень Земли (рис. 7.1). Вследствие взаимного движения Луны и Земли тень Земли перемещается по поверхности Луны, и лунное затмение проходит через несколько частных фаз (рис. 7.2).

Закон независимости световых пучков:

· эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.

· отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения;

· угол падения α равен углу отражения γ: α = γ

Для вывода закона отражения воспользуемся принципом Гюйгенса. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления I со скоростью с, падает на границу раздела двух сред (рис. 7.4). Когда фронт волны АВ достигнет отражающей поверхности в точке А, эта точка начнет излучать вторичную волну.

· Для прохождения волной расстояния ВС требуется время Δt = BC/υ. За это же время фронт вторичной волны достигнет точек полусферы, радиус AD которой равен: υΔt = ВС. Положение фронта отраженной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC, а направление распространения этой волны – лучом II. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает закон отражения: угол падения α равен углу отражения γ.

Закон преломления (закон Снелиуса) (рис. 7.5):

· луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости;

· отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред.

Вывод закона преломления. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления I со скоростью с, падает на границу раздела со средой, в которой скорость ее распространения равна u (рис. 7.6).

Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС, равно Dt. Тогда ВС = сDt. За это же время фронт волны, возбуждаемой точкой А в среде со скоростью u, достигнет точек полусферы, радиус которой AD = uDt. Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC, а направление ее распространения – лучом III. Из рис. 7.6 видно, что

, т.е. .

Отсюда следует закон Снелиуса:

.

Несколько иная формулировка закона распространения света была дана французским математиком и физиком П. Ферма.

Ферма Пьер (1601–1665) – французский математик и физик. Родился в Бомон-де-Ломань. Получил юридическое образование. С 1631 г. был советником парламента в Тулузе.

Физические исследования относятся большей частью к оптике, где он установил в 1662 г. основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма). Аналогия между принципом Ферма и вариационными принципами механики сыграла значительную роль в развитии современной динамики и теории оптических инструментов.

Согласно принципу Ферма, свет распространяется между двумя точками по пути, для прохождения которого необходимо наименьшее время.

Покажем применение этого принципа к решению той же задачи о преломлении света.

Луч от источника света S, расположенного в вакууме идет до точки В, расположенной в некоторой среде за границей раздела (рис. 7.7).

В каждой среде кратчайшим путем будут прямые SA и AB. Точку A охарактеризуем расстоянием x от перпендикуляра, опущенного из источника на границу раздела. Определим время, затраченное на прохождение пути SAB:

.

Для нахождения минимума найдем первую производную от τ по х и приравняем ее к нулю:

,

отсюда приходим к тому же выражению, что получено исходя из принципа Гюйгенса: .

Принцип Ферма сохранил свое значение до наших дней и послужил основой для общей формулировки законов механики (в том числе теории относительности и квантовой механики).

Из принципа Ферма вытекает несколько следствий.

Обратимость световых лучей: если обратить луч III (рис. 7.7), заставив его падать на границу раздела под углом β, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом α, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча I.

Другой пример – мираж, который часто наблюдают путешественники на раскаленных солнцем дорогах. Они видят впереди оазис, но когда приходят туда, кругом оказывается песок. Сущность в том, что мы видим в этом случае свет, прошедший над песком. Воздух сильно раскален над самой дорогой, а в верхних слоях холоднее. Горячий воздух, расширяясь, становится более разреженным и скорость света в нем больше, чем в холодном. Поэтому свет проходит не по прямой, а по траектории с наименьшим временем, заворачивая в теплые слои воздуха.

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотной) ( > ), например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 7.8 а).

С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 7.8 б, в), до тех пор, пока при некотором угле падения ( ) угол преломления не окажется равным π/2.

Угол называется предельным углом. При углах падения α > весь падающий свет полностью отражается (рис. 7.8 г).

· По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.

· Если , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 7.8 г).

· Таким образом, при углах падения в пределах от до π/2, луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.

Предельный угол определим из формулы:

;

.

Явление полного отражения используется в призмах полного отражения (Рис. 7.9).

Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух = arcsin (1/1,5) = 42°.

При падении света на границу стекло – воздух при α > 42° всегда будет иметь место полное отражение.

На рис. 7.9 показаны призмы полного отражения, позволяющие:

а) повернуть луч на 90°;

б) повернуть изображение;

Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя , определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).

Явление полного отражения используется также в световодах, представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.

В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углам больше предельного, претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.

Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой емкости. Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.

Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.

Источник