Закон отражения света

Предмет оптики

Оптика – это раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом, а также способы генерации и регистрации света. Это широко разветвленная область исследований, взаимодействующая со многими разделами физики, например, электродинамика, квантовая механика, физика твердого тела и др. Термин оптика происходит от греческого слова "optike" — наука о зрительных восприятиях, а само это слово происходит от греческого "optos" — видимый, зримый.

Оптическое излучение или свет представляет собой электромагнитные волны. Поэтому оптика — это часть общего учения об электромагнитном поле, которая называется электродинамикой. Под светом в настоящее время понимают не только видимое излучение, но и примыкающие к нему широкие области инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения. В таком понимании оптический спектр занимает диапазон от границы ИК излучения λ = 2 мм (ν = 1, 5 × 1011 Гц) до коротковолновой границы УФ λ = 10−6 cм (ν = 3×1016 Гц). Выделение указанной области обусловлено не столько близостью соответствующих участков спектра, но и, главным образом, сходством методов и приборов, применяемых для ее исследования и разработанных исторически, в основном, при изучении видимого света (линзы, зеркала, призмы, дифракционные решетки, интерференционные приборы и т.д.). Собственно видимое излучение занимает диапазон λ = 400 − 760 нм, УФ – λ = 10 − 400 нм, ИК – λ = 760 нм – 2 мм. Указанные границы достаточно условны.

Современная оптика подразделяется на:

• геометрическую оптику, которая, не рассматривая вопроса о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границе сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородных средах. Наиболее важное значение геометрическая оптика имеет для расчета и конструирования оптических приборов.

• Физическую оптику, которая рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в разделе физической оптики, называемый волновой оптикой, в рамках которой объясняются такие явления как дифракция, интерференция и поляризация света, распространение света в анизотропных средах и т.п. Ее основанием служат уравнения Максвелла. Свойства среды при это характеризуются диэлектрической ε и магнитной µ проницаемостями, которые в общем случае зависят от частоты света и ее волнового вектора (частотная и пространственная дисперсия). Эти величины однозначно определяют показатель преломления среды n = √εµ. Феноменологически волновая оптика объясняет все законы геометрической оптики и границы ее применимости. В отличие от геометрической оптики, она позволяет рассматривать процессы распространения света и тогда, когда размеры систем, формирующих и рассеивающих световые пучки, меньше длины волны.

• Фотометрию – раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики светового излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. Ряд задач фотометрии решается с учетом особенностей и закономерностей восприятия света человеческим глазом (интересно отметить, что 90% информации человек получает с помощью глаз, т.е. зрения). Изучение закономерностей восприятия света человеческим глазом занимается физиологическая оптика, которая исследует механизмы зрения, и, в конечном счете, смыкается с биофизикой и психологией.

• Кристалло- и металлооптику, изучающую связь диэлектрической ε и магнитной µ проницаемостей с молекулярной и кристаллической структурой вещества. Здесь находят объяснение оптические явления в рассеивающих и анизотропных средах, вблизи границы разделов сред с разными оптическими свойствами, зависимость оптических свойств вещества от длины волны света (дисперсия), влияния на них давления, температуры, звука, электрических и магнитных полей и др.

• Нелинейная оптику, которая изучает зависимость оптических явлений от интенсивности световых потоков. Отметим, что изобретение лазеров, значительно раздвинула границы применимости оптики.

• Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Явления, в которых при взаимодействии света и вещества проявляются квантовые свойства атомов и молекул, а также квантовая природа света, изучаются квантовой оптикой, с элементами которой вы познакомитесь в курсе квантовой и атомной физики. Здесь лишь отметим, что использование квантовых свойств микрообъектов привело к созданию мазеров и лазеров – генераторов электромагнитного излучения с уникальными свойствами, которые произвели революцию практически во всех областях физики, в том числе и оптики, а также во многих областях техники и технологии.

Все разделы оптики имеют многочисленные практические применения, существенно расширившиеся с изобретением лазеров. Перечислим лишь некоторые из них, которые развиваются на основе использования достижений лазерной техники: лазерная биология и медицина, лазерная фотохимия, лазерное разделение изотопов, лазерный управляемый термоядерный синтез, оптоэлектроника, интегральная оптики, оптические компьютеры, адаптивная оптика, кабельная оптическая видеосвязь, оптическая память, оптическая локация, дальнометрия, дистанционный контроль окружающей среды, лазерная обработка материалов (резка, сварка, упрочение), лазерные микротехнологии и др.

Кратко остановимся на истории развития оптики.

Оптика – одна из самых древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики. Она восходит к самым древним цивилизациям. Например,

прямолинейное распространение света было известно в Месопотамии (5 тыс. лет до н.э.) и использовалось еще в древнем Египте при строительных работах.

Пифагор (6 век до н.э.) высказал мысль, что тела видны благодаря испускаемым ими частицами.

Аристотель (5 век до н.э) считал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он также занимался атмосферной оптикой, а радугу объяснял отражением света каплями воды.

Школа Платона сформулировала два важнейших закона геометрической оптики – прямолинейность лучей света и равенство углов падения и отражения.

Евклид (3 век до н.э.) в своих трактатах рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии оптики как науки, состоит не в их гипотезах и догадках о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Закон распространения света:
свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.

Экспериментальным доказательством прямолинейности распространения света является образование тени.

Тень – это область пространства, куда не попадает свет от источника.

Полутень – это область пространства, куда частично попадает свет от источника.

Если источник света точечный, то на экране образуется четкая тень предмета.

Если источник неточечный, то на экране образуется размытая тень (области тени и полутени).

Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как солнечное и лунное затмения

Закон отражения света

Отражение – это явление, при котором при падении световых лучей на непрозрачную гладкую поверхность они меняют направление распространения, возвращаясь в прежнюю среду.