39. Елементи геометричної оптики. Основні закони оптики. Повне відображення.
Оптика (Від грец. Optike - зоровий) - розділ фізики, що вивчає природу і властивості світла, процеси його випромінювання і поширення, взаємодія світла з речовиною. Оптика вивчає широкий діапазон електромагнітних хвиль, що охоплює ультрафіолетову, видиму і інфрачервону області.
1. 1. Елементи геометричної оптики.
геометрична оптика - це розділ фізики, в якому світловий промінь представляється прямою лінією, уздовж якої поширюється світлова енергія. Закони геометричної оптики застосовуються для побудови зображення при проходженні світла через оптичну систему. Це такі закони:
1. Закон прямолінійного поширення світла говорить про те, що в однорідної прозорому середовищі світло поширюється прямолінійно, доказом чого служить наявність тіні з різкими межами від непрозорого тіла, освітленого джерелом світла малих розмірів.
2. Закон незалежності світлових променів. Кожен світловий промінь при об'єднанні з іншими поводиться незалежно від інших променів, тобто справедливий принцип суперпозиції.
Якщо промінь світла падає на межу двох прозорих середовищ, то падаючий промінь 1 роздвоюється на відбитий 2 іпереломлені 3 (рис. 1.1). кути i, i’ і rназиваються кутами падіння, відображення і заломлення відповідно.
3. Закон відбиття світла. Падаючий світловий промінь на кордон двох середовищ, нормаль, проведена до точки падіння, і відбитий промінь лежать в одній площині; кут падіння дорівнює куту відбиття i = i’ (Рис. 1.1).
4. Закон заломлення світла. Луч, що падає на межу поділу двох середовищ, переломлений промінь і нормаль, відновлена \u200b\u200bв точці падіння, лежать в одній площині; відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для двох даних середовищ (закон Снеллиуса):
де n 21 - відносний показник другого середовища відносно першого.
n 21 = n 2 /n 1 ,
де n 2 і n 1 - абсолютні показники заломлення другого і першого середовищ.
Абсолютним показником заломлення речовини називається величина n, що дорівнює відношенню швидкості світла у вакуумі до швидкості світла υ в даному середовищі: n= c/ υ
. Нехай в першому середовищі n 1 = c/ υ
1, а в другій n 2 = c/ υ
2, тоді 
. Таким чином, фізичний зміст відносного показника заломлення полягає в тому, що він показує, у скільки разів швидкість світла в одному середовищі більше, ніж в інший.
Явище повного внутрішнього відображення.
В 
еществ, що має більший абсолютний показник заломлення, вважається оптично більш щільним. Нехай світловий промінь переходить з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільну, тобто n 2 < n 1. Із закону Снеллиуса слід, що при цьому i< r. Якщо збільшувати кут падіння (рис. 1.2), можна знайти такий кут i пр, при якому кут заломлення r стане рівним π / 2 (промені 3-3 '). такий кут i пр називається граничних. При кутах падіння i >
i пр світловий промінь вже не проходить у другу середу, а повністю відбивається від межі розділу. Це явище називається повним внутрішнім віддзеркаленням. Таким чином, явище повного внутрішнього відображення спостерігається тільки при переході з більш щільною в менш щільне середовище і при i >
i пр. Якщо, наприклад, промінь переходить зі скла ( n 1 \u003d 1,5) в повітря ( n 2 \u003d 1), граничний кут падіння становить ≈ 42º.
Явище повного внутрішнього відображення широко використовується в біноклях, перископах, световодах і рефрактометра.
сторінка 1
Явище повного внутрішнього відображення лежить в основі волоконної оптики, в якій зображення передається в результаті багаторазового відбиття від стінок волокна, при цьому зберігається до 99% інтенсивності падаючого світла.
Явище повного внутрішнього відображення лежить в основі волоконної оптики. Світло поширюється уздовж волокна, що має більший показник заломлення, ніж навколишнє середовище, і через повного внутрішнього відбиття не виходить назовні, повторюючи вигини волокна (див. Гл.
Явище повного внутрішнього відображення має місце, коли промінь світла переходить з оптично більш щільного середовища в середу з меншою щільністю. Картина розщеплення падаючого пучка світла на відображену і заломлення компоненти для випадку внутрішнього відображення схематично представлена \u200b\u200bна рис. 7.1. Відповідно до закону Снелл іуса, кут заломлення стає комплексним за умови, якщо кут падіння 6 перевищує деяке критичне значення, яке визначається рівністю Oi p arcsin 2I - Критичного значенням кута відповідає промінь, що поширюється паралельно кордоні розділу.
Явище повного внутрішнього відображення, котра управляє поширенням світла в оптичних волокнах, було відомо ще в XIX в. Перші скляні волокна без оболонки були виготовлені в 20 - х роках нашого століття, проте розвиток волоконної оптики починається тільки в 50 - ті роки, коли використання Оболо-Чечня шару привело до значного поліпшення характеристик світловодів. Волоконна оптика тоді швидко розвивалася головним чином з метою використання оптичних кабелів зі скляних волокон для передачі зображень. У книзі Капані, виданої в 1967 р, дано огляд успіхів, досягнутих на той час в області волоконної оптики.
Явище повного внутрішнього відображення, управляюшім поширенням світла в оптичних волокнах, було відомо ще в XIX в. Перші скляні волокна без оболонки були виготовлені в 20 - х роках нашого століття, проте розвиток волоконної оптики починається тільки в 50 - ті роки, коли використання Оболо-Чечня шару привело до значного поліпшення характеристик світловодів. Волоконна оптика тоді швидко розвивалася головним чином з метою використання оптичних кабелів зі скляних волокон для передачі зображень. У книзі Капані, виданої в 1967 р, дано огляд успіхів, досягнутих на той час в області волоконної оптики.
Явище повного внутрішнього відображення знаходить широке застосування на практиці. На ньому засноване побудова багатьох оптичних відбивних призм. Це ж явище покладено в основу висвітлення штрихів, нанесених на сітках оптичних вимірювальних приладів (фіг.
Явище повного внутрішнього відображення знаходить широке застосування в тих випадках, коли необхідно здійснити передачу світлових потоків без втрат інтенсивності. У ядерній фізиці світлопроводи з люсіта або інших пластиків використовуються для передачі світла, що випускається сцінтіллірующего кристалом при прольоті іонізуючої частки, в фотоумножувач, де цей світ перетворюється в корисний електричний сигнал. Фотопомножувач часто доводиться розташовувати далеко від сцінтіллірующего кристала через брак місця або через магнітних полів, які деформують його свідчення. Якщо поперечний розмір світловода великий у порівнянні з довжиною хвилі, то наближено справедливо наведене вище розгляд для плоскої межі. Якщо ж поперечні розміри діелектрика мають величину порядку довжини хвилі, то необхідно спеціальне розгляд з урахуванням конкретної геометрії світловода.
Явище повного внутрішнього відображення використовується в гнучких световодах. Якщо світло направити на кінець тонкого скляного стрижня (волокна), то кути, під якими промені падають на стінки стрижня, перевищать граничний кут.
Явищем повного внутрішнього відображення пояснюється ефектний демонстраційний досвід, який ви бачите на рис. 24.2. Світло падає горизонтальним паралельним пучком уздовж струменя води, вільно витікає з отвору в бічній стінці судини.
Явищем повного внутрішнього відображення пояснюється ефектний демонстраційний досвід, який ви бачите на рис. 24.2. Світло падає горизонтальним паралельним пучком уздовж струменя води, вільно витікає з отвору в бічній стінці судини. Завдяки явищу повного внутрішнього відображення світло не може вийти через бічну поверхню і слід уздовж струменя, яка уподібнюється, таким чином, вигнутому светопроводов.
Використання явища повного внутрішнього відображення дозволяє створити необхідні конічні дзеркала значно простішими засобами. Наприклад, конічне дзеркало може бути замінено конічної призмою з циліндричним отвором для зразка. Розглянемо перетворення циліндричної поверхні в плоску. Інша працювати з колами при перетині циліндра площинами.
Розгляд явища повного внутрішнього відображення, ролі меридіональних і косих променів, значення першої оболонки в волокні і її величини, втрати енергії в волокні через поглинання і при відображеннях на поверхні розділу жили і оболонки, а також ряд інших положень, понять і визначень дозволяють в першому наближенні отримати уявлення про поширення світлових променів по оптичних волокнах і передачі світлової енергії і зображення пучками волокон.
Застосування повного відображення
Activity
цифровий перископ
Перед вами технічна новинка.
Традиційний оптичний канал існуючих перископів замінений відеокамерами високої роздільної здатності та оптоволоконної зв'язком. Інформація з камер зовнішнього спостереження передається в режимі реального часу на широкоформатний дисплей в центральному посту.
Випробування проходять на борту підводного човна SSN 767 Hampton типу Los-Angeles. Нова модель повністю змінює складалася десятиліттями практику роботи з перископом. Тепер вахтовий офіцер працює з встановленими на штанзі камерами, регулюючи відображення на дисплеї за допомогою джойстика і клавіатури.
Крім дисплея в центральному посту зображення з перископа може виводитися на як завгодно велику кількість дисплеїв в будь-яких приміщеннях човна. Камери дають можливість спостерігати одночасно за різними секторами горизонту, що значно підвищує швидкість реакції вахти на зміни тактичної обстановки на поверхні.
Чим пояснити "гру каменів"? У ювелірній справі огранювання каменів підбирається так, що на кожній грані спостерігається повне віддзеркалення світла.
Повним внутрішнім явищем пояснюється явище міражу
Міраж - оптичне явище в атмосфері: відбиття світла кордоном між різко різними за теплотою шарами повітря. Для спостерігача таке відображення полягає в тому, що разом з віддаленим об'єктом (або ділянкою неба) видно його уявне зображення, зміщене щодо предмета.
Міражі розрізняють на нижні, видимі під об'єктом, верхні, - над об'єктом, і бічні. Верхній міраж спостерігається над холодною земною поверхнею, нижній міраж - над перегрітою рівною поверхнею, часто пустелею або асфальтованою дорогою. Уявне зображення неба створює при цьому ілюзію води на поверхні. Так, що йде вдалину дорога в жаркий літній день здається мокрою. Бічний міраж іноді спостерігається у сильно нагрітих стін або скель.