Прямолинейное распространение света, закон отражения, закон преломления, показатель преломления, полное внутреннее отражение
Геометрическая оптика и световой луч
Геометрическая оптика — раздел оптики, изучающий законы распространения света без учёта его волновой природы, опираясь на понятие светового луча — линии, вдоль которой распространяется энергия света. Такое приближение справедливо, когда размеры препятствий и отверстий, с которыми взаимодействует свет, значительно больше длины световой волны — в этом случае волновыми эффектами (интерференцией, дифракцией, изучаемыми в следующем разделе) можно пренебречь.
Основной постулат геометрической оптики — закон прямолинейного распространения света: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Именно этим объясняется образование резких теней от непрозрачных предметов и возможность определения положения предметов по направлению приходящих от них лучей.
Закон отражения света
При падении светового луча на границу раздела двух сред часть света отражается обратно в первую среду. Закон отражения света утверждает: 1) падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр (нормаль) к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости; 2) угол отражения равен углу падения:
где оба угла отсчитываются от нормали к поверхности (а не от самой поверхности).

Виды отражения
Зеркальным называют отражение от гладкой поверхности, при котором параллельный пучок падающих лучей остаётся параллельным после отражения (так возникает чёткое изображение в зеркале). Диффузным (рассеянным) называют отражение от шероховатой поверхности, при котором параллельные лучи после отражения расходятся в разных направлениях (хотя закон отражения выполняется для каждого отдельного луча относительно своей локальной нормали) — именно диффузное отражение позволяет нам видеть большинство окружающих предметов, не являющихся зеркалами.
Закон преломления света
При переходе света из одной прозрачной среды в другую часть светового потока проходит во вторую среду, изменяя при этом направление распространения — это явление называют преломлением. Закон преломления света (закон Снеллиуса) формулируется так: 1) падающий луч, преломлённый луч и нормаль лежат в одной плоскости; 2) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, называемая относительным показателем преломления:

Абсолютный показатель преломления
Абсолютным показателем преломления среды n называют отношение скорости света в вакууме c к скорости света v в данной среде:
Показатель преломления всегда больше единицы (поскольку скорость света в любой среде меньше c). Среду с большим показателем преломления называют оптически более плотной; при переходе света из менее плотной среды в более плотную луч приближается к нормали (угол преломления меньше угла падения), при переходе в обратную сторону — удаляется от неё.
Пример 1: применение закона преломления
Условие. Луч света падает на поверхность воды (показатель преломления воды n=1,33) под углом 45° к нормали. Найдите угол преломления.
Решение. Показатель преломления воздуха можно считать равным 1. По закону преломления:
Явление полного внутреннего отражения
При переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную (например, из воды в воздух) угол преломления всегда больше угла падения. При некотором угле падения, называемом предельным углом полного внутреннего отражения α_пр, угол преломления достигает 90° — преломлённый луч скользит вдоль самой границы раздела сред. При углах падения, превышающих α_пр, преломлённого луча не существует вовсе — весь свет полностью отражается обратно в первую (более плотную) среду; это явление и называют полным внутренним отражением.
Пример 2: предельный угол полного внутреннего отражения
Условие. Найдите предельный угол полного внутреннего отражения для границы стекло–воздух, если показатель преломления стекла равен 1,5.
Решение.
Применение полного внутреннего отражения
Явление полного внутреннего отражения находит широкое практическое применение: оно лежит в основе работы оптоволоконных световодов (свет, многократно испытывая полное внутреннее отражение от боковых стенок тонкого стеклянного волокна, распространяется вдоль него на большие расстояния почти без потерь, что используется в оптоволоконной связи и медицинских эндоскопах), а также используется в призмах биноклей и перископов вместо обычных зеркал (призма полного внутреннего отражения не тускнеет со временем и обеспечивает более качественное отражение, чем посеребрённая поверхность).
Обратимость световых лучей
Важное следствие законов отражения и преломления — принцип обратимости световых лучей: если направление светового луча изменить на противоположное, он пройдёт точно по тому же пути (тем же углам падения и преломления на всех границах), что и исходный луч. Это свойство часто используется как приём проверки правильности построения хода лучей в оптических задачах и приборах.
Типичные ошибки
Частая ошибка — отсчитывать углы падения и отражения (преломления) от самой поверхности, а не от нормали к ней, как того требует определение этих углов в физике. Другая ошибка — считать, что полное внутреннее отражение возможно при переходе света в любом направлении; на самом деле оно возможно только при переходе из оптически более плотной среды в менее плотную, и только при углах падения, превышающих предельный угол. Также распространена ошибка — путать абсолютный показатель преломления (отношение c/v) с относительным показателем преломления для границы двух конкретных сред (отношением их абсолютных показателей).
Краткий словарь терминов
Закон отражения — угол отражения равен углу падения; оба отсчитываются от нормали.
Закон преломления — n₁sin(α₁)=n₂sin(α₂) — связь углов падения и преломления с показателями преломления сред.
Показатель преломления — n=c/v — отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде.
Полное внутреннее отражение — явление отсутствия преломлённого луча при угле падения, превышающем предельный угол.
Заключение
Законы отражения (равенство углов падения и отражения) и преломления (закон Снеллиуса, связывающий углы с показателями преломления сред) — фундаментальные закономерности геометрической оптики, объясняющие поведение световых лучей на границах раздела сред. Явление полного внутреннего отражения, возникающее при переходе света в оптически менее плотную среду под большим углом, находит широчайшее практическое применение, а эти же базовые законы станут основой для изучения линз и построения изображений в следующей статье.



