Закон прямолинейного распространения света. Отражение и преломление света. Дисперсия

С самой ранней эпохи, ещё до древних греков, когда, как об этом говорит легенда, Аполлон разъезжал в огненной колеснице по небу, и до наших дней, когда Бродвей утопает в сиянии огней, свет очаровывал человека, и в то же время представлялся ему неразрешимой загадкой. Ничто в природе не было так неуловимо, ни один секрет свой природа не охраняла так тщательно, как секрет о том, что же представляет собой свет в действительности.

Сейчас же мы с вами точно знаем, что свет представляет собой электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Поэтому свет ещё называют видимым излучением.

Все тела, излучающие свет, называются источниками света. Они делятся на две большие группы: естественные и искусственные.

А в зависимости от процесса, лежащего в основе получения светового излучения, искусственные источники света принято разделять на тепловые и люминесцирующие.

Вопросы, связанные с распространением света, а также построением изображений в оптических приборах рассматриваются в разделе «Геометрическая оптика», основными понятиями которой являются световой луч и световой пучок.

Световой пучок — это область пространства, в пределах которой распространяется свет. А световой луч — это линия, указывающая направление распространения света. Но вот вопрос, как же распространяется свет? Обратимся к небольшим опытам.

Для начала поставим на столе три экрана с отверстиями. Зажжём свечу или электрическую лампочку и попытаемся, перемещая экраны, увидеть свет через отверстия в них. Теперь возьмём тонкий стержень и попытаемся вставить его в отверстия. Как видим, нам это легко удалось. Следовательно, все три отверстия располагаются на одной прямой.

Изменим среду. Нальём в стеклянный сосуд воду и добавим в неё немного флуоресцентной жидкости. Небольшой фонарик, дающий параллельный пучок света, поднесём к стенке сосуда. В воде мы видим прямую светящуюся линию.

И воздух, и вода имеют по всему своему объёму одинаковые физические свойства, поэтому являются однородными средами. Следовательно, в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Это есть один из основных законов геометрической оптики — закон прямолинейного распространения света.

Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например образование тени и полутени. Напомним, что тенью называют ту часть пространства за непроницаемым предметом, куда не проникает свет. А полутень — это та область пространства, в которую попадает свет от части источника света.

А теперь давайте проведём такой опыт. В центре оптической шайбы укрепим полупрозрачную пластинку и, с помощью осветителя, направим под некоторым углом на неё тонкий пучок света. Как видим, часть света от пластинки отразилась, а часть прошла сквозь неё. Так вот, способность света полностью или частично отражаться от поверхности называют отражением света. А изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.

Давайте опустим в точку падения луча перпендикуляр к поверхности пластинки. Теперь вспомним, что угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведённым в точку падения, называется углом падения. Угол, образованный отражённым лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения. А угол между преломлённым лучом и тем же перпендикуляром — углом преломления.

А теперь посмотрим на углы падения и отражения. Нетрудно заметить, что они равны. Увеличим угол падения, повернув осветитель — угол отражения тоже увеличится. Но, как видим, они по-прежнему равны. А то, что мы на оптической шайбе видим не только падающий луч, но и отражённый, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска.

Теперь, на основании результатов опыта, можно сформулировать закон отражения света: падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Угол отражения света равен углу падения.

А теперь давайте по направлению отражённого луча пустим луч света от осветителя. Не трудно увидеть, что он отразится от зеркала и пойдёт по направлению, по которому в предыдущем опыте шёл падающий луч. То есть лучи как бы поменялись местами. Это свойство отражённого и падающего лучей называют обратимостью (или взаимностью) световых лучей.

Как мы видели ранее, свет, падая на границу раздела двух сред, не только отражается от неё, но и частично проходит во вторую среду и распространяется в ней. Давайте сравним углы падения и преломления. Как видно, угол преломления меньше угла падения. Увеличим угол падения — угол преломления тоже увеличивается, но по-прежнему он меньше угла падения.

Если нашу пластинку заменить, например, водой и пустить световой луч под тем же углом, что и на стеклянную пластинку, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле, но всё равно меньше угла падения.

Различие углов падения и преломления обусловлено тем, что стекло, вода и воздух имеют разную оптическую плотность, которая, в свою очередь, зависит от скорости распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность, и наоборот.

А теперь будем менять угол падения света и следить за изменением угла преломления. Как видим, при изменении угла падения, угол преломления тоже меняется и соотношение между углами не сохраняется. Однако, если составить отношение синусов углов падения и преломления, то мы увидим, что оно остаётся постоянным.

А то, что мы на оптической шайбе видим не только падающий луч, но и преломлённый, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска. Теперь можно сформулировать закон отражения света: итак, луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой по ходу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде:

Если же свет падает из вакуума в вещество, то вводится величина, называемая абсолютным показателем преломления. Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше чем в данной среде:

Теперь давайте возьмём стеклянный сосуд с водой на дне которого находится плоское зеркало. На поверхность воды под некоторым углом к ней направим узкий пучок света. Нетрудно заметить, что при переходе света из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную угол преломления меньше угла падения. И наоборот, при переходе света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную угол преломления больше угла падения. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отражённого, но и для падающего и преломлённого лучей.

Отметим, что если луч света падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, то он не испытывает преломления. Разумеется, что не будет преломления и на границе, разделяющей две среды с одинаковой оптической плотностью.

С помощью закона преломления света можно рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например в треугольной призме, изготовленной из какого-либо прозрачного материала. На экране вы видите сечение треугольной стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной её боковым рёбрам. Пусть монохроматический свет падает на грань призмы, находящейся в воздухе. Так как свет переходит из среды оптически менее плотной в оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения. Пройдя через призму, свет падает на её вторую грань. Здесь он снова преломляется, но теперь угол падения меньше угла преломления.

Грани, на которых происходит преломление света, называются преломляющими гранями. Угол между преломляющими гранями называется преломляющим углом призмы. Угол, образованный направлением луча, входящего в призму, и направлением луча, выходящего из неё, называют углом отклонения. А грань, лежащая против преломляющего угла, называется основанием призмы.

А теперь проведём такой опыт. Укрепим в центре оптического диска стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью и направим узкий пучок света от осветителя так, чтобы он проходил через выпуклую поверхность (на ней свет не преломляется) и попадал в центр плоской грани прозрачного полуцилиндра. Луч света частично отражается от плоской грани и частично преломляется.

Будем постепенно увеличивать угол падения светового луча. Мы видим, что по мере увеличения угла падения, угол преломления также увеличивается. При этом обратите внимание на то, что яркость (и, следовательно, энергия) отражённого луча усиливается, в то время как яркость преломлённого — падает. И в какой-то момент преломлённый луч исчезает. Это исчезновение происходит при достижении угла падения, которому отвечает угол преломления в 90°. В данной ситуации преломлённый луч должен был бы пойти вдоль границы раздела двух сред. Но идти уже нечему — вся энергия падающего луча целиком досталась лучу отражённому.

Отражение света, падающего из оптически более плотной среды на границу с оптически менее плотной средой под углом падения, большим некоторого критического угла, называется полным внутренним отражением.

А угол, при котором возникает полное отражение, называется предельным углом полного отражения. Он определяется из закона преломления при условии, что угол преломления светового луча равен 90°:

Полное отражение можно наблюдать и в равнобедренной прямоугольной стеклянной призме, которая широко используется в перископах, биноклях и так далее.

Рассмотрим ход лучей в такой призме. Итак, пусть параллельный пучок света падает перпендикулярно боковой грани призмы катетов. Лучи, не испытывая преломления, попадают на основание призмы под углом 45°. Но для стекла предельный угол равен 42°. Поэтому на этой грани свет испытывает полное внутреннее отражение и выходит из призмы перпендикулярно нижней грани.

Такая призма называется поворотной, так как она поворачивает пучок света на 90°.

Теперь установим призму так, как это показано на экране, и вновь направим на неё параллельный пучок света. Внутри призмы свет испытывает уже двукратное полное отражение и пучок света после прохождения призмы поворачивается на 180°. Поэтому это тоже поворотная призма.

Перевернём ещё раз призму и повторим операцию. Не трудно заметить, что при выходе из призмы лучи параллельны падающим. Но теперь верхний падающий луч выходит из призмы ниже, а нижний — выше. В этом случае призма называется оборотной.

Одним из первых, кто изучал распространение света в призмах, был сэр Исаак Ньютон. Ещё в 1666 году он направил узкий пучок солнечного света, образованного малым отверстием в ставне, на грань стеклянной призмы, установленной в затемнённой комнате. При этом на экране появилось удлинённое изображение щели, состоящее из ряда цветных полос семи основных цветов, плавно переходящих друг в друга. Получившуюся полоску Ньютон назвал спектром (от латинского видение). А сам опыт показал, что белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на пучки различных цветов.

Следующие опыты Ньютона были посвящены изучению влияния вещества призмы на характер окрашивания светового пучка. Для этого он закрывал отверстие в ставне стёклами различных цветов. При этом он наблюдал соответствующие цветные пятна на стене. Это означало, что призма не может влиять на цвет светового пучка.

В своём фундаментальном трактате «Оптика» Ньютон написал: «световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости. В наибольшей степени преломляются фиолетовые пучки, в наименьшей красные».

Зависимость показателя преломления среды от цвета световых лучей Ньютон назвал дисперсией света.

Фиолетовый и красный лучи, выделенные Ньютоном в опыте, при прохождении через призму не разлагались в спектр. Это говорило о том, что цветные лучи являются простыми или, как их ещё называют, монохроматическими.

Отметим, что дисперсией света также объясняется и такое явление, как радуга на небосклоне после дождя. Дело в том, что простой солнечный свет рассеивается на мелких капельках воды, которые остались в воздухе после дождя. Когда из воздуха исчезают капли воды, все семь цветов радуги снова сливаются в один белый свет.