Подготавливаем формулы…
Законы распространения и преломления света
Автор курса · Команда Небулс
Световой луч и тень
В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Луч — геометрическая линия, показывающая направление переноса световой энергии; он является моделью, удобной, когда размеры препятствий намного больше длины волны. Прямолинейность объясняет тени, полутени и работу камеры-обскуры.
На границе сред часть света отражается, часть проходит и обычно меняет направление. Все углы в оптике отсчитывают от нормали к поверхности, а не от самой поверхности. Падающий, отражённый и преломлённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью.
На горизонтальной границе луч из воздуха частично отражается и преломляется к нормали в стекле; углы показаны относительно вертикальной нормали.
Отражение
Закон отражения: угол отражения равен углу падения, а отражённый луч лежит в плоскости падения.
Обратимость хода лучей означает, что при запуске света по пути отражённого луча он вернётся по пути падающего. Гладкая поверхность даёт направленное отражение, шероховатая — рассеянное, но каждый малый участок всё равно подчиняется тому же закону.
Плоское зеркало создаёт мнимое прямое изображение на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет находится перед ним. Лучи реально не сходятся за зеркалом; там пересекаются их мысленные продолжения.
Преломление
Скорость света в среде меньше вакуумной и равна , где — показатель преломления. Закон преломления: для двух данных сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно.
При переходе в среду с большим луч приближается к нормали, с меньшим — отклоняется от неё. Частота света на границе не меняется, потому что колебания поля должны оставаться согласованными, а длина волны меняется вместе со скоростью. Это продолжает общую связь скорости, частоты и длины волны.
Полное внутреннее отражение
При переходе из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления растёт быстрее угла падения. Когда преломлённый луч идёт вдоль границы, угол падения достигает критического:
При больших углах свет полностью отражается внутрь первой среды. Явление используется в оптоволокне, призмах биноклей и эндоскопах. Оно возможно только со стороны среды с большим показателем преломления; при обратном переходе полного внутреннего отражения нет.
Показатель преломления зависит от длины волны, поэтому белый свет в призме разлагается в спектр. Это явление называют дисперсией: для обычного стекла фиолетовый свет отклоняется сильнее красного.
Белый свет преломляется в призме и разделяется на цвета: красный отклоняется меньше, фиолетовый больше.
Белый свет и цвет предметов
Опыт Ньютона с призмой показывает, что белый свет имеет сложный спектральный состав: призма разделяет уже присутствующие составляющие. Если снова совместить спектральные лучи, можно получить белый свет. При сложении красного, зелёного и синего света экран тоже способен вызвать ощущение белого, хотя его спектр отличается от непрерывного солнечного спектра.
Цвет непрозрачного предмета зависит от того, какие составляющие падающего света он отражает, а какие поглощает. Красная поверхность при красном освещении яркая, а при синем может выглядеть тёмной. Светофильтр избирательно пропускает часть спектра. Сложение световых потоков не следует путать со смешиванием красок: каждая краска поглощает часть падающего света.