Основные законы геометрической оптики, принцип Ферма, доказательство закона преломления на основании принципа Ферма. Доказательство закона преломления света с помощью принципа ферма Обратимость световых лучей принцип ферма

Век XVII был ознаменован бурным развитием в Европе специального раздела физики - оптики. Были открыты для света законы отражения и преломления, а принцип Ферма показал, почему они имеют соответствующий математический вид. Разберемся подробнее, что собой представляет этот принцип.

Явления преломления и отражения

Под отражением понимают явление, при котором свет, распространяясь в прозрачном для него веществе, встречает на своем пути препятствие и резко изменяет свою траекторию. Препятствием может быть любое: жидкое или твердое тело, прозрачное и непрозрачное.

Явление отражения было известно с глубокой древности. Согласно историческим свидетельствам, законы отражения уже были сформулированы еще до нашей эры. А в первом веке нашей эры египетский философ Герон Александрийский высказал идею о траектории света, которую впоследствии использовал француз Пьер Ферма при формулировке своего принципа.

Явление преломления заключается в изломе прямой линии, по которой движется свет, при пересечении им поверхности, разделяющей два прозрачных материала. Заметим, что в случае отражения луч движется в одном прозрачном материале или, как принято говорить, в одной среде.

Первая формулировка законов преломления приписывается персидскому математику X века, некоему Ибну Сахлю, который в своих работах опирался на труды Клавдия Птолемея (I-II века н. э.). На рубеже конца XVI - начала XVII веков голландский ученый Снелл, обобщив результаты многих экспериментов со светом, сформулировал в математическом виде 2-й закон преломления, который в настоящее время носит его фамилию. Снелл свою формулировку привел в терминах расстояний, а не углов, как это принято сейчас. Современный вид закону преломления придал уже Рене Декарт.

Законы распространения света в прозрачных средах

Перед тем как переходить к рассмотрению принципа Ферма, законы преломления и отражения света следует сформулировать. Для каждого из этих явлений принято выделять по два закона. Ниже они попарно объединены:

Траектория луча, когда он пересекает границу раздела двух сред, всегда лежит в одной плоскости с нормалью, проведенной к плоскости этой границы. Возможная траектория луча формируется в общем случае из трех частей: падающий луч, преломленный и отраженный.
Если угол между падающим лучом света и нормалью назвать θ 1 , аналогичный угол, но уже для отраженного луча, записать как θ 2 , а преломленный - θ 3 , тогда 2-й закон будет иметь вид:

В этих формулах n 1 и n 2 - это показатели преломления в прозрачных средах 1 и 2. Показатель преломления, согласно определению, вычисляется так:

Здесь v и c - скорости движения луча света в среде и в вакууме.

Формулировка принципа Ферма

Пьер Ферма был одним из известных математиков и юристов Франции в первой половине XVII века. Принцип, который носит его фамилию, он сформулировал в 1662 году, то есть спустя полвека после открытия Снеллом своего закона для преломления.

Кратко принцип Ферма может быть сформулирован так: свет при движении в абсолютно любых прозрачных средах выбирает такую траекторию, которую он пройдет за наименьшее время.

По сути, эта формулировка ничем не отличается от той, что сделал Герон Александрийский полторы тысячи лет ранее для явления отражения. Тем не менее француз сделал ее общей для всех явлений, связанных со светом, и показал, как из этого принципа могут быть получены законы преломления и отражения.

Вывод 1-го закона отражения

Пользуясь принципом Ферма, законы отражения получим математически. Для этого рассмотрим рисунок ниже.

Здесь показано, что луч выходит с точки S, которая лежит на оси y. Затем он отражается от плоскости xz в некоторой неизвестной точке M. После отражения луч движется к точке P, лежащей на плоскости xy. Выбранное положение точек S и P не влияет на общность дальнейших рассуждений, а лишь упрощает математические выкладки.

Итак, запишем координаты каждой точки:

Координаты положения точек S и P известны. Задача состоит в том, чтобы найти такую точку M, которая будет соответствовать реальной траектории SMP, пройденной световым лучом. Также будем полагать, что рассматриваемое пространство является однородным, то есть скорость света в любой точке является постоянной величиной.

Согласно принципу Ферма, траекторию SMP свет пройдет за наименьшее время, если она будет наиболее короткой из всех возможных. Запишем ее длину:

SM = √(x 2 + y S 2 + z 2); MP = √((x-x P) 2 +y P 2 +z 2);
SMP = √(x 2 + y S 2 + z 2) + √((x-x P) 2 +y P 2 +z 2).

Чтобы вычислить минимальную длину SMP, необходимо найти частные производные по x и z (неизвестные координаты точки M) и приравнять к нулю полученные результаты.

Сначала найдем частную производную по z. Имеем:

∂(SMP)/∂z = z/√(x 2 + y S 2 + z 2) + z/√((x-x P) 2 +y P 2 +z 2) = 0.

Это равенство имеет единственный корень, когда z = 0. Иными словами, точка M лежит на оси x, то есть в той же плоскости, что и точки P и S (плоскость xy). Откуда следует, что восстановленная нормаль к плоскости xz, в которой, по условию задачи, находится точка M, будет лежать вместе с SM и MP в одной плоскости (xy). Это и есть 1-й закон отражения.

Вывод 2-го закона отражения

Продолжим производить вычисления предыдущего пункта. Как было сказано, теперь необходимо найти частную производную по x. Имеем:

∂(SMP)/∂x = x/√(x 2 + y S 2 + z 2) + (x-x P)/√((x-x P) 2 +y P 2 +z 2) = 0.

Последнее равенство запишем в виде:

x/SM + (x-x P)/MP = 0 =>
x/SM = (x P -x)/MP.

Полученные отношения в каждой части равенства - это синусы углов с вершиной в точках S и P. Если восстановить теперь нормаль к плоскости xz через точку M, то отмеченные углы будут соответствовать углам падения (между SM и нормалью) и отражения (между MP и нормалью).

Таким образом, следуя принципу Ферма, мы получили также 2-й закон отражения света.

Вывод закона преломления Снелла

Теперь покажем, как можно вывести из принципа Ферма закон преломления света. Для этого рассмотрим рисунок, похожий на предыдущий.

Для простоты будем рассматривать случай в плоскости xy. Выпишем координаты источника S и приемника P света, которые находятся в разных средах:

Найдем неизвестную координату точки M. Координата y=0 для нее точно известна, поскольку именно на границе сред (ось x) меняется скорость распространения света. Длины отрезков SM и MP равны:

SM = √(x-x S) 2 + y S 2);
MP = √(x P -x) 2 + y P 2).

Общее время, которое затратит свет на прохождение траектории SMP, будет равно:

Здесь v 1 , v 2 - скорости луча в соответствующих средах. Чтобы найти минимальное время движения, следует взять полную производную по переменной x и приравнять ее к нулю. Получаем:

dt/dx = (x-x S)/(√(x-x S) 2 + y S 2)*v 1) - (x P -x)/(√(x P -x) 2 + y P 2)*v 2) = 0 =>
(x-x S)/(SM*v 1) = (x P -x)/(MP*v 2).

Используя функции синусов угла падения θ 1 и преломления θ 3 , получаем:

sin(θ 1)/v 1 = sin(θ 3)/v 2 .

Чтобы привести полученное равенство к закону Снелла в удобном виде (через показатели преломления сред), необходимо помножить левую и правую части на скорость света c.

Таким образом, применение принципа Ферма позволяет легко вывести законы для основных явлений движения светового луча в прозрачных материалах.

Движение света в неоднородной среде

Рассмотренные выше случаи предполагают, что материал является гомогенным, и световой луч при движении в нем скорость свою сохраняет. В случае же негомогенных сред справедливо равенство:

Этот интеграл берется вдоль траектории следования света. Дифференциал dl - это отрезок пути, для которого среда сохраняет свою однородность. Величина n(x,y,z) - это локальный показатель преломления.

Отмеченный интеграл принято называть интегралом оптического пути. Принцип Ферма для оптического пути предполагает нахождение экстремумов для L.

Обобщенная формулировка рассматриваемого принципа

Принцип минимального времени для движения света является частным для более общей формулировки. В настоящее время обобщенный принцип Ферма формулируют так: свет выбирает во время движения такую траекторию, которая соответствует экстремумам оптического пути.

Экстремумами функции, согласно математическому определению, являются минимум, максимум и точка перегиба. Общий принцип Ферма удовлетворяет всем этим значениям, то есть траектория света не обязательно будет минимальной, она может быть и максимальной, и соответствующей точке перегиба оптического пути.

Бытовая аналогия с рассматриваемым принципом

Общий принцип Ферма, в свою очередь, является частным случаем так называемого принципа наименьшего действия. Здесь не будем приводить соответствующие определения и их математические формулировки, однако покажем, где можно применить предложенный французом принцип.

Используется он при решении простой, на первый взгляд, бытовой задачи: допустим, вблизи пляжа в море тонет человек. Как должен двигаться спасатель, находящийся на берегу, чтобы спасти утопающего? Конечно же, он должен прийти на помощь за наименьшее время. Поскольку скорость движения спасателя по пляжу больше, чем по воде, ему следует пробежать некоторое расстояние по берегу, а лишь затем прыгнуть в воду и поплыть. То есть задача сводится к применению принципа Ферма, где роль светового луча играет спасатель.

Отметим, что решение этой задачи не является простым, поскольку в его процессе появляются уравнения 4-й степени.

Таким образом, принцип Ферма - это инструмент получения основных законов распространения света. Однако он не является фундаментальным. Можно сказать, что он следует из принципа Гюйгенса об источниках вторичных сферических волн.

Принцип Ферма – одна из наиболее важных теорем геометрической оптики. Несмотря на то, что он не используется непосредственно при расчете оптической системы (как, например, ), этот принцип используется для получения результатов, которые будет невозможно или очень сложно получить другим образом.

Этот принцип можно сформулировать следующим образом.

На рисунке 1.4 показан физически возможный путь лучей от точки до точки . Пусть длины отрезков вдоль луча будут равны .

Рисунок 1.4 – Оптическая длина пути.

Определим оптическую длину пути в любой среде как произведение пройденного лучом расстояния и коэффициента преломления:

(1.7)

где квадратные скобки использованы для того, чтобы различить оптическую длину пути от геометрического расстояния.

Принцип Ферма гласит, что оптическая длина пути, вдоль физически возможного пути луча – величина постоянная. Например, в простом случае плоской преломляющей поверхности (рисунок 1.5).

Рисунок 1 .5. Пример принципа Ферма.

У нас здесь есть луч, проходящий через две точки и . Предполагается, что преломляющая поверхность пересекается лучом в точке . По принципу Ферма, если мы запишем выражение для оптической длины пути как функцию от , а затем продифференцируем по относительно , то точка где дифференциал будет равен нулю совпадет с точкой . Это значит, что луч выбрал для своего пути кротчайшее расстояние.

Траектория по которой луч света из точки А, нкаходящейся в среде с показателем преломления n 1 , попадает в точку В, расположенную в среде с показателем преломления n 2, может быть разной, но нам нужно показать, что луч будет распространяться по такому пути, на который он затратит минимальное время.

Опустим из точек А и В перпендикуляры на границу раздела двух сред и расстояния от точек до границы раздела обозначим соответственно а 1 и а 2 .

Так как точка перехода луча из одной среды в другую зависит от того по какой траектории будет распространяться луч света, то расстояние от первого перпедикуляра до точки падения (см.рис 1.8) обозначим x. Расстояние между опущенными перпендикулярами обозначим b.

Оптический путь луча будет состоять из двух частей, так как он распространяется в двух разныз средах:

Так как время распространения света из точки А в точку B должно быть минимально, то оптический путь должен быть экстремален, т.е. первая производная оптического пути по времени должна быть равна нулю:

(1.11)

, а

Поэтому из условия (1,11) получаем

(1.12)

Т.е. закон преломления света доказан.

Полное внутреннее отражение, световоды (эндоскопы) .

Из формулы (1.12) видно, что при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную луч удаляется от нормали к поверхности раздела сред. Увеличение угла падения сопровождается более быстрым ростом угла преломления ¦ и при некотором ¦ значении угла , котором преломленный луч пойдет по границе раздела двух сред, т.е. угол достигает значения равного , В этом случае угол падения называется предельным углом падения и определяется

(1.13)

Энергия, которую несет с собой падающий луч, распределяется между отраженным и преломленным лучами. По мере увеличения угла падения интенсивность отраженного луча растет, интенсивность же преломленного луча убывает, обращаясь в нуль при предельном угле. При углах падения, заключенных в пределах от предельного угла падения до , световая волна проникает во вторую среду на расстояние порядка длины волны l и затем возвращается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением (см.рис.1.9).

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов , которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей. Проверьте на опыте будет ли свет от красной лампочки распространяться по изогнутой струе воды.

Явление полного внутреннего отражения лежит в основе волоконной оптики. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна. Диаметр этих тонких стеклянных или пластиковых волокон может быть доведен до нескольких микрометров. Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) – световоды, свет по световоду может передаваться почти без потерь. Рис1.10 демонстрирует, как распространяется свет по тонкому волокну, испытывая только скользящие отражения от стенок, т.е. претерпевая полное внутреннее отражение.

Если световоду придать сложную форму, то угол падения обычно превышает предельный, и свет будет передан от одного торца световода до другого практически без ослабления. Этот эффект используется в декоративных светильниках и при подсветке струй в фонтане. Волоконная оптика широко используется в медицине. Например, для визуального исследования внутренних полых органов используются гибкие гастроскопы, эндоскопы. С помощью световодов осуществляется передача лазерного излучения во внутренние ткани и органы с целью лечебного воздействия. На рис. 1.12 показаны различные способы подведения лазерного излучения к ткани: 1 - лазерный луч нацелен на ткань через систему диафрагм и линз; 2 - луч подводится через систему подвижных зеркал; 3 - луч проводится по гибкому пустотелому световоду с внутренней зеркальной поверхностью;

4 - луч проводится через гибкий кварцевый световод и дистанционно нацелен на ткань.

Рис. 1.12. Способы подведения лазерного излучения к ткани

Примером природной волоконнооптической системы является сетчатка человеческого глаза. Попадая на сетчатку, свет воспринимается светочувствительными элементами (волокнами двух типов: палочками и колбочками). Этот слой подобен волоконнооптическому устройству. У травянистых растений стебель играет роль световода, подводящего свет в подземную часть растения. Клетки стебля образуют параллельные колонки, напоминая этим конструкцию промышленных световодов. Если освещать такую колонку,рассматривая ее через микроскоп, то видно, что ее стенки при этом остаются темными, а внутренность каждой клетки ярко освещена. Глубина, на которую доставляется таким способом свет, не превышает 4-5 см. Но и такого короткого световода достаточно, чтобы обеспечить светом подземную часть травянистого растения.

Заключение

1. Итак, свет обладает свойствами электромагнитной волны и потока фотонов, свойства неразделимы и в одних явлениях преобладает одно свойство, а в других другое, что связано с длиной световой волны.

2. В анизотропной среде абсолютный показатель преломления зависит от направления распространения световой волны.

3. В законах геометрической оптике используются чисто математические представления о лучах, не рассматривается природа света, законы работают при l®0.

4. Принцип Ферма является наиболее общим законом геометрической оптике, из этого закона могут быть выведены законы отражения и преломления света. Принцип Ферма определяет оптический путь луча и обратимость хода лучей.

5. Закон полного внутреннего отражения позволяет понять принципы работы световодов (эндоскопов)

Возьмите литровую банку и монету. Положите монету под дно пустой банки. Она видна как сверху, так и через боковую стенку банки. Теперь налейте в банку воду. Монета видна сверху, но не видна через боковую стенку банки. Почему? Положите монету внутрь банки с водой. Что изменилось и почему?

Пьер Ферма сформулировал принцип (то есть, общее утверждение), которому подчиняется распространение света в различных средах. Принцип, как и аксиома не доказывается. Из него получаются следствия, которые проверяются опытным путем. Сформулируем его.

Пусть свет распространяется между двумя точками по некоторому пути. На элементе пути ΔS скорость света равнялась v. Она может быть различна на разных участках. Тогда затраченное на этот участок время Полное время распространения света равно сумме времен, потраченных на все участки. На математическом языке это записывается как Ферма предположил, что это время должно быть минимальным из возможных . То есть, перебрав все траектории, соединяющие начальную и конечную точку, мы должны найти ту, время движения света по которой минимально. Именно по этому пути «пойдет» световой луч. Величина называется оптической длиной пути . Величину n нельзя вынести за знак суммы, потому что она может быть различной на разных участках пути. Именно оптическая длина пути, а не геометрическая длина, должна быть наименьшей. Отсюда же следует принцип изохронизма световых лучей. Если из точки А в точку В свет распространяется по нескольким путям, то время распространения по ним одинаково.

Попробуем получить из этого принципа аксиомы геометрической оптики.

Прямолинейное распространение луча в однородной среде. Если луч движется из А в В без отражений в среде с постоянным показателем преломления n, то Это означает, что нужно выбрать путь из А в В минимальной геометрической длины . Ясно, что это будет прямая линия.

Закон зеркального отражения. Пусть свет пришел из А в В, испытав отражение в плоском зеркале.

Найдем точку О на зеркале, в которой произошло отражение. Отразив в зеркале точку В и получив точку В’, приходим к выводу, что длина ломаной AOB’ равна длине AOB. Очевидно, что AOB’ минимально по длине, когда это прямой отрезок. Получаем два вертикальных угла, один из которых обозначен двумя дугами, поэтому углы падения и преломления, обозначенные одной дугой, также должны быть равны. Точка О должна лежать в той вертикальной плоскости, в которой лежат перпендикуляры, опущенные из А и В на отражающую плоскость (иначе путь АОВ удлинится). Поэтому лучи АО и ОВ лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным в точку О.

Преломление луча на плоской границе. Пусть точки А и В лежат в средах, с показателями преломления n 2 и n 1 (n 2 >n 1), разделенные плоской границей. Легко сообразить, что в этом случае прямая АВ уже не будет соответствовать наименьшему времени. Поскольку, если мы сдвинем точку, в которой свет переходит из первой среды во вторую слегка налево, то путь, который свет пройдет в «медленной среде» сократится. А путь, пройденный в «быстрой» (имеющей меньший n) примерно на столько же удлинится. Результирующее время уменьшится. И так мы будем двигаться налево до тех пор, пока укорачивание времени в верхней среде не будет полностью компенсироваться удлинением его в нижней.

Второй рисунок показывает эту ситуацию. Если мы переместимся влево на малое расстояние вдоль границы A 1 A 2 , то геометрический путь в верхней среде сократится на A 2 B 2 , а оптический на n 2 A 2 B 2 , в нижней среде геометрический путь удлинится на A 1 B 1 , а оптический на n 1 A 1 B 1 . Мы достигнем минимума времени, если оптическую длину пути уже нельзя будет уменьшать такими шажками. То есть, укорачивание верхнего оптического пути равно удлинению нижнего n 1 A 1 B 1 =n 2 A 2 B 2 . По чертежу мы видим, что и где углы обозначены одной и двумя дугами соответственно. Из равенства получим выполнение принципа Ферма приводит к известному закону преломления светового луча на границе разных сред.

Принцип Ферма представляет собой пример используемых в теоретической физике вариационных принципов. Для каждой траектории вычисляется определенная величина (в нашем случае – оптическая длина пути), после чего ищется такая траектория, на которой эта величина принимает минимальное (или максимальное) значение. Именно эта траектория и будет истинной. Подобно законам сохранения, вариационные принципы накладывают ограничения на происходящие события, делая их течение определенным. Почему законы сохранения и вариационные принципы «работают» - вопрос того же сорта, что и «Почему все тела притягиваются друг к другу всемирным тяготением».

Краткие теоретические сведения

Цель работы

Литература

Вопросы и тесты для самоконтроля и сдачи отчета

Вопросы для самоконтроля и сдачи отчета

Какую роль играет фотофильтры при работе фотоэлемента.

Вопросы допуска

4.5.1.Принцип работывакуумного фотоэлемента.

4.5.2. Как получить вольт-амперную характеристику вакуумного фотоэлемента.

4.5.4. Какие законы фотоэффекта мы сможем проверить на этой установке.

4.6.5. Фотоэлементы и их применение.

4.1.1.Определение законов фотоэффекта, длины волны.

а. – I тока насыщения пропорцианально световому потоку;

Е фото е - возрастает с частотой света

Если n 0 света < n min , то фотоэффекта нет

б. - I тока насыщения прямо пропорцианально мощности светового излучения.

Е фото е - линейно возрастает с частотой света и не зависит от мощности света

Если n 0 света < n min для данного вещества, то фотоэффекта нет.

в. - I тока насыщения пропорцианально световому потоку;

Скорость фото е - зависит от мощности света.

N 0 света < n 0 min наступает красная граница фотоэффекта.

4.7.2.Что мы называем током насыщения?

а. – при увеличении напряжения на аноде, ток возрастает.

б. – при постоянном напряжении на аноде увеличения фото е - не наблюдается;

в. – все е - , испущенные катодом, попадают на анод.

4.7.3.Уравнение Эйнштейна для явления фотоэффекта. Что такое фототок?

а. hn = ½ mnJ 0 2 – A; направление движения е - называется фототоком.

б. hn = ½ mnJ 0 2 + A; ток, возникающий под воздействием света

в. hw = ½ mJ 0 2 + A;

4.7.4. Что мы называем фотоэлектрическим эффектом?

а. испускание е - веществом при освещении.

б. испускание е - их сбор вокруг катода при воздействии света

в. испускание е - веществом под воздействием света.

4.8.1. Савельев И.В.Курс общей физики, т.4, 2004 г.

4.8.2. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике, М., 1965 г.

5 . Определение показателей преломления твердых тел и жидкостей

Ознакомить с методами измерения показателей преломления жидких и твердых веществ.

Исследовать концентрационную зависимость показателей преломления жидких растворов и освоить метод определения неизвестной концентрации раствора с помощью рефрактометра.

Сделать численную и графическую проверку применимости формулы Лоренца к водному раствору глицерина.

Вычислить поляризуемость и эффективные радиусы молекул воды и глицерина.

Поведение света на границе раздела двух оптически различных сред определяется законом преломления, согласно которому падающий, преломленный луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падания к поверхности раздела сред, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения a к синусу угла преломления, b есть постоянная для данных веществ величина, равная показателю преломления n 21 второй среды относительно первой. Закон преломления, как известно, был установлен экспериментально, а правильное теоретическое объяснение было дано Гюйгенсом на основании предложенного им принципа (принцип Гюйгенса).

Однако закон преломления теоретически можно получить с помощью более общего принципа, объясняющего ход световых лучей в разных ситуациях. Принцип Ферма, или принцип наименьшего времени утверждает, что из всех мыслимых траекторий между двумя точками действительной является та, которую свет проходит за минимальное время.

Пусть свет из точки А первой среды после преломления за границу раздела сред (плоскости Q) попадает в точку В второй среды.

Из принципа Ферма следует, что действительная траектория луча АОВ лежит в плоскости падения луча – плоскости, проведенной через падающий луч и нормаль к границе раздела в точке падения луча, и лишь найти положение точки О на линии раздела СД. Из рисунка 5.1 видно, что любую траекторию, не лежащую в точке падения Р, например, АМВ, свет пройдет за большее время. Действительно, отпустив перпендикуляр из точки М на плоскость Р, убеждаемся, что АМ > АО и MB > ОВ, так как гипотенуза всегда больше катета, и, следовательно, траекторию АМВ свет пройдет за большее время. Найдем положение точки О на плоскости падения. Обозначим СО через X. Траекторию АОВ свет пройдет за время t: