Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика — это раздел оптики, где волновая природа света и связанных с этим явлений не учитывается.
Геометрическая оптика занимается изучением распространения света в бесцветных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей, т. е. линий, вдоль которых идет световая энергия. Лучи прямолинейны, если среда является оптически однородной. Лучи подчиняются законам отражения и преломления. Световые лучи могут пересекаться, не интерферируя и распространяясь после пересечения независимо друг от друга.

Условие применимости геометрической оптики: площадь волнового фронта, ограниченная входным отверстием линзы, должна быть значительно больше произведения расстояние от линзы до точки наблюдения на длину волны.

Отражение волн — это процесс, происходящий на границе раздела двух сред в следствие которого волна меняет направление своего распространения, оставаясь в первой среде.
Отражение бывает:

• диффузное (рассеянное), при котором отраженные от шероховатой поверхности раздела сред лучи распространяются в первой среде в разных направлениях;
• зеркальное, где поверхность отражает падающий на нее пучок света направленно, наблюдается на гладких поверхностях.

Угол падения — угол между отраженным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, восставленным в точке падения луча.

Угол отражения — угол между отраженным лучом и перпендикуляром к границе раздела сред, восставленным в точке падения луча.

Законы отражения:

• падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
• угол отражения равен углу падения.

Поглощение волн — это уменьшение энергии волны в итоге ее взаимодействия со средой, где она распространяется, или с телами, расположенными на пути ее распространения. При этом энергия волны переходит в другие виды энергии.

Показатель преломления — это величина, являющаяся оптической характеристикой среды, связанная с преломлением света на границе раздела двух бесцветных сред при переходе его из одной среды в другую и обусловленная различием скоростей распространения света в этих средах.

Угол преломления — это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным в точке падения.
Законы преломления:

• падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
• отношение синуса угла падения электромагнитных волн к си- нусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, такую величину называют относительным показателем преломления двух данных сред.

Показатели преломления:
абсолютный показатель преломления — это отношение скорости электромагнитных волн в вакууме к фазовой скорости волны в среде, для любой среды:

относительный показатель преломления — это отношение фазовой скорости электромагнитных волн в первой среде к фазовой скорости волны во второй среде:

Рассеяние света — явление преобразования света веществом, которое сопровождается изменением направления распространения света и выражающееся как несобственное свечение вещества.

Оптически однородная среда — это среда, в которой показатель преломления постоянен по всему объему среды, здесь поглоще- ние происходит в результате их интерференции.

Оптически неоднородная среда — это среда, с помощью которой показатель преломления нерегулярно изменяется от точки к точке среды.

Рэлеевское рассеяние — рассеяние света в мутных средах с размерами неоднородностей не свыше ( длина волны света).
Закон Рэлея: при прочих равных условиях интенсивность света, рассеянного в мелкодисперсной мутной среде, пропорциональна — частота падающего света.

Индикатриса рассеяния — это зависимость от изображенная в сферических координатах.

Молекулярное рассеяние — это рассеяние света, наблюдаемое в средах, не содержащих инородных частиц, за счет флуктуации плотности, появляющихся из-за теплового движения атомов (молекул), флуктуации ориентации молекул (флуктуации анизотропии), флуктуации концентрации в истинных растворах.

Гомоцентрический пучок — это источник света, который является центром расходящегося пучка лучей.

Линза — это прозрачное тело, которое ограниченно двумя криволинейными или криволинейной и плоской поверхностями.

Тонкая линза — это линза, которая имеет малую толщину по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.

Толстая линза — это линза, которая имеет большую толщину по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей.

Главная оптическая ось линзы — это прямая, которая проходит через центры кривизны ее поверхностей.

Главная плоскость линзы — это плоскость, которая является общей для обеих поверхностей тонкой линзы, перпендикулярная ее главной оптической оси.

Побочные оптические оси линзы — все прямые, проходящие через оптический центр линзы и не совпадающие с ее главной оптической осью.

Главные фокусы линзы — точки, которые располагаются на главной оптической оси линзы по обе стороны от оптического центра на одинаковых расстояниях, называемых фокусными.
Фокальные плоские линзы — это плоскости, которые располагаются через главные фокусы линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.

Формула тонкой линзы: , где — абсолютные показатели преломления для материала линзы и окружающей среды, , где R1 и R2 — радиусы кривизны передней и задней поверхности линзы, a1 и а2 — расстояния до предмета и его изображения.

Фокусное расстояние линзы:

Оптическая сила — это физическая величина, которая характеризует преломляющее действие линзы или оптической системы, обратная ее фокусному расстоянию:

Чем меньше фокусное расстояние линзы, тем больше отклоняются лучи от начального направления распространения при прохождении через линзу, тем больше оптическая сила линзы.
Виды линз:

• собирающая;
• рассеивающая.

Собирающая линза — это линза, которая преобразовывает пучок параллельных лучей в сходящийся. Оптическая сила собирающей линзы всегда положительна, т. е. D>0.

Рассеивающая линза — это линза, после прохождения через которую, пучок параллельных лучей становится расходящимся.

Оптическая сила рассеивающей линзы является отрицатель- ной величиной, т. е. D < 0. Правило знаков в геометрической оптике (f — фокусное расстояние линзы):

• если линза собирающая, то f>0;
• если линза рассеивающая, то f<0;
• если изображение действительное, то a2>0;
• если изображение мнимое, то a2<0;
• если пучок света, падающий на линзу, является расходящимся, то a1>0;
• если пучок света, падающий на линзу, является сходящимся, то a1<0.

Параксиальный (приосевой) пучок — это пучок световых лучей, расположенных в узком конусе световых лучей с осью, нормальной к сферической границе раздела (поверхности линзы).