Геометрическая оптика

Оптику разделяют на две основные части: физическую и геометрическую. Первая изучает явления, в которых проявляются волновые корпускулярные свойства света, а также явления интерференции и дифракции.

Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики. В ней изучаются явления, при которых проявляются свойства прямолинейного распространения светового потока в изотропных средах.

Световой луч

Основным в геометрической оптике есть понятие светового луча. Под лучом понимают нормаль проложенную к волновой поверхности, которая является указателем направленности световой энергии. Экспериментально это направление изображают узким пучком света, проходящим сквозь небольшое отверстие в непрозрачном экране. На практике такой пучок можно визуально наблюдать в задымленном пространстве или при прохождении солнечного света в промежутке между облаками.

Прямолинейностью распространения света объясняется образование теней от непрозрачных предметов. Ход луча на границе двух сред определяется законами отражения и преломления света.

Нарушение законов геометрической оптики

Данные законы могут нарушаться из-за явления дифракции или различных неоднородностей сред.
В случае, когда в какой-то системе выделяется полный узкий пучок света, то изначально кажется, что такой световой луч точно отображает закономерности геометрической оптики. На самом же деле выделения и сужения светового потока (пучка) можно достичь с помощью диафрагмы с отверстием, но при сужении отверстия все больше проявляется явление дифракции, которое предопределяет расширение светового пучка.

Представление об прямолинейном распространении светового потока, бесспорно, оправдывается для однородной среды. Если же в среде возникают некоторые неоднородности (вследствие разницы температур или плотности), то, как показывает теория, они должны быть в пределах условия

$\lambda =\frac{\partial \varepsilon }{\partial {{x}_{i}}}\ll \varepsilon,$

где $\frac{\partial \varepsilon }{\partial {{x}_{i}}}$ – градиент диэлектрической постоянной в произвольном направлении пространства х.

То есть на отрезке длины волны $\lambda$ они должны быть очень незначительными по сравнению с диэлектрической постоянной среды.

Если данное условие не выполняется, то будут наблюдаться значительные отклонения от законов геометрической оптики. Например, в слоях атмосферы, где распространяется ультразвук, образуются такие сгущения и разрежения воздуха, что из-за них возникает дифракция света, подобная дифракции от решетки. Итак, здесь представление о лучах света теряют смысл.

Астрономическая рефракция

Благодаря даже незначительному уменьшению плотности с высотой подъема в атмосфере становится заметной астрономическая рефракция, то есть искривление лучей от светила.

В результате светило над горизонтом видимо чуть выше его настоящего положения. Температурные неоднородности атмосферы вблизи поверхности земли в жарких пустынях и степях вызывают миражи; в них вследствие искривления лучей света становятся видными и кажутся близкими предметы, расположенные далеко за горизонтом.

Заказать статью по физике у экспертов биржи Студворк!

Тест по теме «Геометрическая оптика»