Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Но так как метод лучей значительно проще, то его и применяют обычно для рассмотрения всех вопросов, для которых он пригоден. Поэтому надо отдавать себе ясный отчет, для какого круга задач и с какой степенью точности можно использовать геометрические лучи, а где применение их приводит к значительным ошибкам и, следовательно, недопустимо, Таким образом, метод оптики лучей или, как ее называют, геометрическом, или лучевой, оптики является приближенным приемом решения, совершенно достаточным для разбора определенного круга вопросов. Поэтому одна из задач изучения оптики состоит в приобретении уменья правильно использовать метод лучей и устанавливать границы его применения.
216 в 8!. Законы отражения и преломления света. Как уже указывалось (см. 5 76), возможность в и д е т ь несветящиеся предметы связана с тем обстоятельством, что всякое тело частично отражает, а частично пропускает или поглощает падающий на него свет. В 5 76 нас интересовали главным образом явления д и ф ф у з н о г о отражения и пропускания.
Именно благодаря этим явлениям свет, падающий на тело, рассеивается в р а з и ы е с т о р о н ы, и мы получаем возможность видеть тело с л ю б о й с т ор о н ы. В частности, благодаря рассеянному свету, хотя и слаоому, мы видим отовсюду даже очень хорошие зеркала, которые должны были бы отражать свет только по одному направлению и, следовательно, быть заметными только по одному определенному направлению. Рзссеянный свет возникает в этом случае из-за мелких дефектов поверхности, царапин, пылинок и т. д.
В настоящей главе мы рассмотрим законы н а и р а в л е н н о го (зеркального) отражения и н а п р а в л е н н о г о пропускания (преломления) света. Лля того чтобы имело место зеркальное отражение или преломление, поверхность тела должна быть д о с т это ч н о г л адно й (не матовой), а его внутренняя структура — достаточно о д н о р о д н ой (не мутной).
Это означает, что неровности поверхности, равно как и неоднородности внутреннего строения, должны быть д о с т а т о ч н о м а л ы. Как и во всяком физическом явлении, выражение «достаточно мало» илн <достаточно великоя означает малое илн большое по сравнению с какой-то другой физической величиной, имеющей значение для изучаемого явления. В данном случае такой величиной является длина световой волны. Вдальнейшем мы укажем способы ее определения. Здесь же ограничимся указанием, что длина световой волны зависит от окраски светового пучка н имеет значение от 400 нм (для фиолетового цвета) до 760 нм (для красного цвета). Таким образом, для того чтобы поверхность была оптически гладкой, а тело оптически однородным, необходимо, чтобы неровности н неоднородности были значительно меньше микрометра.
В этой главе мы ограничимся рассмотрением случая, когда поверхность тела и л о с к а я; вопрос о прохождении света через искривленную (сферическую) поверхность будет рассмотрен в следующей главе. Примером плоской поверхности может служить г р а н н ц а раздела воздуха 217 и какой-нибудь жидкости в широком*) сосуде. Соответствующая полировка твердых тел также позволяет полу. чать весьма совершенные плоские поверхности, среди которых металлические поверхности выделяются своей способностью отражать много света. Из стекла легко можно сделать плоские пластинки, которые затем покрываются слоем металла, в ре— зультате чего получаются — обычные зеркала.
>- — ~ Рассмотрим следующий простой опыт. Направим, например, узкий пучок лучей на поверхность воды в большом сосуде (рис. 180). Мы обнаружнм, что часть света отразится от поверхности воды, другая часть пройдет из возРнс. !80. Преломленне н отра- духа в воду. для того чтобы жение света прн надеина луна на поверхность воды падающий луч Ю, отраженный луч 01т' и прошедший в воду луч ОР были лучше видны, рекомендуется слегка запылить воздух над сосудом (например, дымом), а в воде, заполняющей сосуд, растворить немного мыла, благодаря чему вода станет слегка мутной, На опыте видно, что вошедший в воду луч не является простым продолжением луча, падающего иа границу раздела, а испытывает преломление. При изучении данного явления нас будут интересовать, во-первых, н а п р а в л е н и я о т р а ж е н н о г о и преломленного лучей и, во вторых, доля отраженной световой энергии и энергии, прошедшей из первой среды во втор ую.
Рассмотрим вначале отраженные лучи. Накроем поверхность раздела (зеркало) сверху непрозрачной цилиндрической поверхностью АСВ, которую можно сделать, например, из плотной бумаги (рис. 181, а). На дуге АСВ проделаем небольшие отверстия, расположенные, например, через каждые 5'. Тогда окажется, что если луч света пропущен в одно из этих отверстий и направлен по радиусу ь) В узких сосудах поверхность жидкости может быть аанетно пскрнвлена вследствие явлений капнллярностн, 218 дуги АСВ к центру О, то после отражения он выйдет из прибора через симметричное относительно перпендикуляра й)О' отверстие в цилиндрическом колпаке, покрывающем зеркало.
С какоГг бы точностью этот опыт ни осуществлялся, на самом совершенном угломерном инструменте результат его остается тем же. Этот надежно установленный результат можно формулировать в виде следующего з а к он а о тр а же н и я света: луч падающий, луч отраженный и перпендик(уляр к опгражающей поверхности лежагп Рнс. 181. измерение угла отражения (а) и преломления (В) а1п г — =и, агп л (81.1) где показатель преломления и есть постоянная величина, не зависящая от угла падения и определяющаяся оптическими свойствами граничащих сред.
Углы падения г, отражения г' и преломления г принято измерять от перпендикуляра к поверхности раздела до соответствующего луча. 219 в одной плоскости, причем угол отражения луча равен углу падения. Измерение угла, образуемого преломленным лучом с перпендикуляром к поверхности раздела (у г л а и р ел о м л е н и я), можно проделать тем же способом, какой мы испольэовали при измерении угла отражения. Для этого нужно продолжить цилиндрическую поверхность АСВ во вторую среду (рис. 181, б), Точные измерения угла падения г и угла преломления г приводят к следующему закону преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к поверхности раздела лежат в одной плоскости.
Угол падения и угол преломления свяэанас соогпноигением 40 оо' во во 70 во. о. ~о. оо Угол надеина 39 91 9,8 5,3 6,6 94,7 93,4 1В 100 4,7 4,7 95,395,3 Доля отраженной энергии (в %) доля прошедшей энергии (в %) 90,2 95,1 82 61 9 95,3 ") Так как при малых углах яп а=а (угол сс выражен в радианах), то яп 1=~1, з!и г=о а следовательно, п=яп !!яп г=!!г (причем углы в последнем отношении могут быть выражены и в градусах, ибо отношение однородных величин не зависит от выбора единицы измерения их).
220 Первые попытки найти занан преломления были сделаны нзнестиым александрийским астрономом Клавдием Птолемеем (умер около 168 г.) почти два тысячелетия назад. Однако точность измерений в то время была еще недостаточно высока, и Птолемей пришел к выводу, что отношение углов падения и преломления при заданных средах остается постоянным. Заметим, что для получении правильной зависимости между углом падения и углом преломтения нужно измерять зти углы с точностью до нескольких минут; это особенно существенно прн небольших углах падения и преломления. При грубых измерениях прн небольших углах вместо постоянства отношения с н н у с о в у г л а в легко прийти к неправильному выводу о постоянстве отношения самих углов о), как и случилось с Пталемеем.
В правильной форме закон преломления был установлен только спустя полторы тысячи лет после Птолемея голландским физиком Виллебрордом Снеллнусом (1580 — 1626) и, по-видимому, независимо от него французским физиком и математиком Рене Декартом (1596 †16). Перейдем теперь к вопросу о к о л и ч е с т в е о т р аженной световой энергии.
ойы знаем, что изображение нашего лица в хорошем зеркале всегда более светлое, чем, например, в поверхности воды озера или колодца. Это связано с тем уже неоднократно упоминавшимся обстоятельством, что н е в с я световая энергия, падающая па границу раздела двух сред, отражается от нее: часть света проникает через границу раздела во вторую среду и проходит через нее насквозь или частично поглощается в ней. Доля отраженной световой энергии зависит от о п т ич е с к и х с в о й с т в граничащих между собой сред и от у г л а п а д е и и я. Если, например, свет падает на стеклянную пластинку перпендикулярно к ее поверхности (угол падения равен нулю), то отражается всего только Около бйо световой энергии, а 95% проходит через границу раздела.Приувеличении угла падениядоля Т а б л и ц а 4. Доля отраженной энергии при различных углах падении света на поверхность стекла отраженной энергии в о з р а с т а е т.
В табл. 4 приво11нтся в качестве примера доля отраженной энергии при различных углах падения света на поверхность, разграничивающую воздух н стекло (п=-1,555), В табл. 5 приводятся аналогичные данные для поверхности раздела воздух — вода (п=1,333). т а 6л и ив 5. Доля отраженной энергии при раэлнчных углах падения света на поверхность волы е ) ~о.(ге ее' ге г о. го. яв' 90 Угол паяеяая 6,0.! 3,5 2,0 2,0 90,0 100 10,0 0 Доля отраженной энергии (в 8а) Доля прошедпгей энергии (о",,) 34 5 96,6 94,0 86,5 98 0 65,5 о7 5 97,9 98,0 $82.
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 на рцс. 180, 181 стрелками. Поставим теперь вопрос: что произойдет, если свет будет распространяться в о б р а тн о м н а п р а вл е н и и? Для случая отражения света это означает, что падающий луч будет направлен не слева вниз, как иа рис, 182, а, а справа вниз, как на рнс.
182, б; для случая преломления мы будем рассматривать прохождение света ие из первой среды во вторую, как на рис. 182, в, а пз второй среды в первую, как на рис. 182, г. 221 В заключение мы должны сделать оговорку, что закон отражения и аакон преломления справедливы только в том случае, если поверхность раздела по своим размерам значительно превосходит длину волны света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
