Всі знають або, принаймні, чули про те, що світло має властивість переломлюватися і відбиватися. Але тільки формули геометричної та хвильової оптики можуть пояснити, як, а точніше за якою саме ознакою це відбувається. І все це вчення грунтується на понятті “променя”, яке ввів ще Евклід за три століття до нашої ери. Так що ж таке промінь, якщо говорити науковою мовою?
Промінь – це пряма, вздовж якої рухаються світлові хвилі. Як, навіщо – на ці питання відповідають формули геометричної оптики, яка є частиною хвильової оптики. Остання, як можна було б припустити, розглядає промені як хвилі.
Формули геометричної оптики
Закон прямолінійного поширення: промінь в однотипної середовищі має властивість поширюватися прямолінійно. Тобто світ рухається по найкоротшому шляху, який існує між двома точками. Можна навіть сказати, що світловий промінь прагне заощадити собі час. Цим законом пояснюються явища тіні і півтіні.
Наприклад, якщо джерело світла сам по собі маленького розміру або ж знаходиться на такому великому відстань, що його розміри можна проігнорувати, то світловий промінь утворює чіткі тіні. Але якщо джерело світла великого розміру або ж знаходиться на дуже близькій відстані, то світловий промінь утворює нечіткі тіні і півтіні.
Закон незалежного розповсюдження
Світлові промені мають властивість поширюватися незалежно один від одного. Тобто вони ніяк не вплинуть один на одного, якщо будуть перетинатися або проходити один через одного в який-небудь однорідної середовищі. Промені ніби не підозрюють про існування інших променів.
Закон відбиття
Уявімо, що людина направив лазерну указку на дзеркало. Зрозуміло, промінь відіб’ється від дзеркала і буде поширюватися вже в іншому середовищі. Кут між перпендикуляром до дзеркала і першим променем називається кутом падіння, кут між перпендикуляром до дзеркала і другим променем – кутом відбиття. Ці кути рівні.
Формули геометричної оптики розкривають багато ситуації, про які ніхто навіть не замислюється. Наприклад, закон відображення пояснює, чому ми можемо бачити себе в “прямому” дзеркалі в точності такими, якими ми є, і чому його викривлена поверхня створює інший образ.
Формула:
a – кут падіння, b – кут відбивання.
a = b
Закон заломлення
Промінь падіння, промінь заломлення і перпендикуляр до дзеркала розташовані в одній площині. Якщо синус кута падаючого поділити на синус переломлюються кута, то вийде величина n, яка є постійною для обох середовищ.
n показує, під яким кутом промінь з першої середовища переходить у другу, і як співвідносяться склади цих середовищ.
Формула:
i – падаючий кут. r – що заломлюється кут. n21 – показник заломлення.
sin i/sin r = n2/n1 = n21
Закон оборотності світла
Про що свідчить закон оборотності світла? Якщо промінь поширюється по безумовно побудованої траєкторії в одному напрямку, то і в протилежному напрямку він повторить той самий маршрут.
Підсумки
Формули геометричної оптики в дещо спрощеному вигляді пояснюють, як працює промінь світла. В цьому немає нічого складного. Так, формули і закони геометричної оптики нехтують деякими властивостями всесвіту, але не можна недооцінювати їх важливість для науки.
