Dans les paragraphes précédents nous avons étudié le phénomène de réflexion de la lumière. Faisons maintenant connaissance avec le deuxième phénomène, dans lequel les rayons changent la direction de leur propagation. Ce phénomène est réfraction de la lumière à l'interface entre deux milieux. Jetez un œil aux dessins avec des raies et un aquarium au § 14-b. Le faisceau sortant du laser était droit, mais lorsqu'il atteignit la paroi vitrée de l'aquarium, le faisceau changea de direction - réfracté.

Par réfraction de la lumière appelé changement de direction d'un rayon à l'interface entre deux milieux, au cours duquel la lumière passe dans le deuxième milieu(à comparer avec la réflexion). Par exemple, sur la figure, nous avons représenté des exemples de réfraction faisceau lumineux aux frontières de l'air et de l'eau, de l'air et du verre, de l'eau et du verre.

D'une comparaison des dessins de gauche, il s'ensuit qu'une paire de milieux air-verre réfracte la lumière plus fortement qu'une paire de milieux air-eau. D'une comparaison des dessins de droite, on peut voir que lorsqu'elle passe de l'air au verre, la lumière est plus fortement réfractée que lorsqu'elle passe de l'eau au verre. C'est, des paires de milieux, transparents au rayonnement optique, ont des pouvoirs de réfraction différents, caractérisés par indicateur relatif réfraction. Elle est calculée à l'aide de la formule donnée à la page suivante, elle peut donc être mesurée expérimentalement. Si le vide est sélectionné comme premier milieu, les valeurs suivantes sont obtenues :

Vide	1	Eau	1,33
Air	1,0003	Glycérol	1,47
Glace	1,31	Verre	1,5 – 2,0

Ces valeurs sont mesurées à 20 °C pour la lumière jaune. A une température différente ou une couleur de lumière différente, les indicateurs seront différents (voir § 14-h). En examinant qualitativement le tableau, nous remarquons : comment plus d'indicateur la réfraction diffère de l'unité, plus l'angle par lequel le faisceau est dévié lorsqu'il passe du vide au milieu est grand. L'indice de réfraction de l'air étant presque égal à l'unité, l'influence de l'air sur la propagation de la lumière est pratiquement imperceptible.

À en ce moment se familiariser avec l'optique...
Quel est le point commun entre les phénomènes de réflexion et de réfraction de la lumière ?
Quel est le nom complet du phénomène que nous étudions ?
Les dessins schématiques avec des raies et un aquarium au § 14-b permettent de faire l'observation :
On ne peut parler de réfraction que si...
Le côté gauche de la figure illustre le phénomène...
Dans l’image du milieu, le rayon réfracté est plus dévié que dans celle de gauche. Quelle conclusion tirons-nous ?
Sur l’image de droite, le rayon réfracté est moins dévié que sur celle du milieu. Quelle en est la raison ?
En menant des expériences ou en comparant des dessins, nous arrivons à une généralisation : ...
Pour caractériser le pouvoir réfringent d'une paire de milieux, ils utilisent...
L'indice de réfraction ne peut être mesuré qu'indirectement car...
Quelle conclusion tire-t-on en comparant valeurs du tableau indice de réfraction ?
Nous affirmons que l'air n'a presque aucun effet sur la réfraction de la lumière,...

1.8. PRINCIPE DE RÉVERSIBILITÉ DES RAYONS LUMINEUX (LOI DE RÉCIPROCITÉ)

Ce principe est l'un des dispositions importantes optique géométrique. Lorsqu'ils sont réfractés à la frontière de deux milieux, les rayons restent mutuels, c'est-à-dire lorsque la direction des rayons lumineux est inversée position relative ne change pas. Une situation similaire est vraie lorsque la lumière est réfléchie. Le principe de réversibilité du trajet des rayons lumineux est réalisé pour un nombre quelconque de réflexions ou de réfractions, puisqu'il est observé pour chacune d'elles.

Lois de l'optique géométrique avoir grande valeur. Premièrement, ils établissent que les rayons, lorsqu'ils traversent un système optique, se trouvent toujours dans le plan d'incidence (formé par le rayon incident et la normale). Deuxièmement, ils établissent dépendances numériques coordonnées des rayons lors du déplacement d'une surface à une autre, c'est-à-dire vous permettent de calculer le trajet du faisceau à travers un système optique complexe. Troisièmement, ils indiquent la possibilité d’analyser des systèmes optiques dans le sens inverse des rayons.

L'optique géométrique est le fondement théorique des instruments optiques. La base technologique pour l'assemblage et l'alignement des instruments optiques repose principalement sur les positions de l'optique géométrique. Les lois de l'optique géométrique sont utilisées lors de la mesure de systèmes et de pièces optiques permanents, lors de l'étude des propriétés optiques des appareils et de l'étude de leurs erreurs.

La nature a doté l'homme d'un excellent instrument optique : l'œil, mais ses capacités sont limitées. Les instruments optiques créés par l'homme ont considérablement élargi les possibilités de vision. Par exemple, l’œil nu peut distinguer des objets d’une taille d’environ 0,1 mm ; l'utilisation d'une loupe a augmenté cette capacité à 0,01 mm, et à l'aide d'un microscope, il est devenu possible de distinguer des objets jusqu'à 0,15 microns, etc.

Les instruments optiques sont aujourd’hui tellement répandus et développés qu’il est nécessaire de mettre en évidence groupes séparés dispositifs unis par des propriétés optiques communes et spécialisés dans la résolution de problèmes homogènes.

Il existe cinq principaux types d'instruments optiques :

systèmes télescopiques ( lunettes d'observation);
microscopes;
systèmes optiques photographiques;
appareils de projection;
appareils d'éclairage.

La classification des instruments optiques peut initialement être basée sur deux classes : avec imagerie et sans imagerie. Les premiers peuvent être divisés en fonction de la valeur du grossissement, les seconds en fonction de l'énergie et du principe de formation de la zone éclairée. Notez que dans le moderne instruments optiques les caractéristiques de deux ou plusieurs types d’appareils peuvent être combinées en même temps. Par exemple, un microscope métallographique peut servir de microscope ordinaire, ainsi que d'instrument photographique, etc. Il existe également des systèmes à miroir, à lentille et à lentille miroir. Les systèmes à lentilles miroir contiennent des éléments optiques à miroir et à lentille. Ils sont mis en œuvre dans les projecteurs, les phares, les télescopes, les microscopes et les téléobjectifs. Les lentilles contiennent uniquement des lentilles sphériques ou asphériques. Des exemples de leur utilisation sont les condenseurs - les systèmes d'éclairage. Télescopes optiques(réflecteurs), qui utilisent comme élément collecteur de lumière miroirs concaves Les formes sphériques et asphériques sont classées comme dispositifs miroir. Les systèmes raster, les pièces optiques avec une surface étagée d'un profil complexe (par exemple, les lentilles de Fresnel), les guides de lumière et la fibre optique peuvent être utilisés comme éléments de systèmes optiques.

En considérant dans le paragraphe précédent les phénomènes qui se produisent lorsque la lumière tombe sur l'interface entre deux milieux, nous avons supposé que la lumière se propage dans une certaine direction, indiquée sur la Fig. 180, 181 flèches. Posons maintenant la question : que se passera-t-il si la lumière se propage dans la direction opposée ? Dans le cas de la réflexion de la lumière, cela signifie que le faisceau incident ne sera pas dirigé vers le bas depuis la gauche, comme sur la Fig. 182, a, et de la droite vers le bas, comme sur la Fig. 182, b; pour le cas de la réfraction, on considérera le passage de la lumière non pas du premier milieu vers le second, comme sur la Fig. 182, c, et du deuxième environnement au premier, comme sur la Fig. 182, g,

Des mesures précises montrent que tant en cas de réflexion qu'en cas de réfraction, les angles entre les rayons et la perpendiculaire à l'interface restent inchangés, seule la direction des flèches change. Ainsi, si le faisceau lumineux tombe dans la direction (Fig. 182, b), alors le faisceau réfléchi ira dans la direction, c'est-à-dire il s'avère que, par rapport au premier cas, les faisceaux incident et réfléchi ont interverti leurs places. La même chose est observée lors de la réfraction d’un faisceau lumineux. Soit - un rayon incident, - un rayon réfracté (Fig. 182, c). Si la lumière tombe dans la direction (Fig. 182, d), alors le rayon réfracté va dans la direction, c'est-à-dire que les rayons incident et réfracté échangent leurs places.

Riz. 182. Réversibilité des rayons lumineux lors de la réflexion (a, b) et de la réfraction (c, d). Si, alors

Ainsi, tant lors de la réflexion que de la réfraction, la lumière peut parcourir le même chemin dans les deux directions opposées (Fig. 183). Cette propriété de la lumière s’appelle la réversibilité des rayons lumineux.

La réversibilité des rayons lumineux signifie que si l'indice de réfraction lors du passage du premier milieu au second est égal à , alors lors du passage du deuxième milieu au premier il est égal. En effet, laissez la lumière tomber selon un angle et être réfractée selon un angle, de sorte que . Si, pendant le trajet inverse des rayons, la lumière tombe selon un angle, elle doit alors être réfractée selon un angle (réversibilité). Dans ce cas, l'indice de réfraction est donc . Par exemple, lorsqu'un faisceau passe de l'air au verre, et lorsqu'il passe du verre à l'air . La propriété de réversibilité des rayons lumineux est également préservée lors de réflexions et réfractions multiples, qui peuvent se produire dans n'importe quelle séquence. Cela découle du fait qu'à chaque réflexion ou réfraction, la direction du rayon lumineux peut être inversée.

Riz. 183. À la réversibilité des rayons lumineux lors de la réfraction

Ainsi, si, lorsque la lune lumineuse émerge d'un système de milieux réfractifs et réfléchissants, le faisceau lumineux est forcé de dernière étape réfléchi exactement, il traversera tout le système dans la direction opposée et reviendra à sa source.

La réversibilité de la direction des rayons lumineux peut être prouvée théoriquement en utilisant les lois de la réfraction et de la réflexion et sans recourir à de nouvelles expériences. Pour le cas de la réflexion lumineuse, la preuve est assez simple (voir exercice 22 à la fin de ce chapitre). Une preuve plus complexe du cas de la réfraction de la lumière peut être trouvée dans les manuels d'optique.

L'optique géométrique est un cas d'optique extrêmement simple. Il s'agit essentiellement d'une version simplifiée optique ondulatoire, qui ne considère pas et ne suppose tout simplement pas des phénomènes tels que l'interférence et la diffraction. Tout ici est simplifié à l’extrême. Et c'est bien.

Concepts de base

Optique géométrique– une branche de l'optique qui examine les lois de propagation de la lumière dans les milieux transparents, les lois de réflexion de la lumière à partir de surfaces de miroir, principes d'imagerie lorsque la lumière traverse des systèmes optiques.

Important! Tous ces processus sont considérés sans tenir compte propriétés des vagues Svéta !

Dans la vie, l'optique géométrique, étant un modèle extrêmement simplifié, trouve néanmoins de larges applications. Comment ça mécanique classique et la théorie de la relativité. Il est souvent beaucoup plus simple de faire les calculs nécessaires dans le cadre de la mécanique classique.

Le concept de base de l'optique géométrique est faisceau lumineux.

Notez qu’un véritable faisceau lumineux ne se propage pas le long d’une ligne, mais a une distribution angulaire finie, qui dépend de la taille transversale du faisceau. L'optique géométrique néglige les dimensions transversales du faisceau.

Loi de propagation rectiligne de la lumière

Cette loi nous dit que dans environnement homogène la lumière se déplace en ligne droite. En d’autres termes, du point A au point B, la lumière se déplace le long d’un chemin qui nécessite un minimum de temps pour être parcouru.

Loi d'indépendance des rayons lumineux

La propagation des rayons lumineux se fait indépendamment les uns des autres. Qu'est-ce que ça veut dire? Cela signifie que l’optique géométrique suppose que les rayons ne s’influencent pas. Et ils se propagent comme s’il n’y avait aucun autre rayon.

Loi de la réflexion de la lumière

Lorsque la lumière rencontre une surface miroir (réfléchissante), une réflexion se produit, c'est-à-dire un changement dans la direction de propagation du faisceau lumineux. Ainsi, la loi de la réflexion stipule que le rayon incident et le rayon réfléchi se trouvent dans le même plan avec la normale tracée au point d'incidence. De plus, l'angle d'incidence égal à l'angle réflexions, c'est-à-dire la normale divise l'angle entre les rayons en deux parties égales.

Loi de la réfraction (Snell)

À l'interface entre les milieux, outre la réflexion, il se produit également une réfraction, c'est-à-dire le faisceau est divisé en réfléchi et réfracté.

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Le rapport des sinus des angles d'incidence et de réfraction est valeur constante et est égal au rapport des indices de réfraction de ces milieux. Cette grandeur est aussi appelée indice de réfraction du deuxième milieu par rapport au premier.

Il convient ici de considérer séparément le cas de réflexion interne. Lorsque la lumière se propage d'un milieu optiquement plus dense à un milieu moins dense, l'angle de réfraction en amplitude plus d'angle tombe. En conséquence, à mesure que l’angle d’incidence augmente, l’angle de réfraction augmente également. À certains angle limite l'angle de réfraction devient 90 degrés. Avec une nouvelle augmentation de l'angle d'incidence, la lumière ne sera pas réfractée dans le deuxième milieu et l'intensité des rayons incidents et réfléchis sera égale. C’est ce qu’on appelle la réflexion interne totale.

Loi de réversibilité des rayons lumineux

Imaginons qu'un faisceau se propageant dans une certaine direction ait subi un certain nombre de changements et de réfractions. La loi de réversibilité des rayons lumineux stipule que si un autre rayon est envoyé vers ce rayon, il suivra le même chemin que le premier, mais en sens inverse.

Nous continuerons à étudier les bases de l'optique géométrique et, à l'avenir, nous examinerons certainement des exemples de résolution de problèmes en utilisant diverses lois. Eh bien, si vous avez des questions maintenant, bienvenue chez les experts pour les bonnes réponses service aux étudiants. Nous vous aiderons à résoudre tout problème !

Riz. 182. Réversibilité des rayons lumineux lors de la réflexion (a, b) et de la réfraction (c, d). Si, alors

Riz. 183. À la réversibilité des rayons lumineux lors de la réfraction

Ainsi, si, lorsqu'un faisceau lumineux émerge d'un système de milieux réfractifs et réfléchissants, le faisceau lumineux est forcé de se réfléchir exactement au dernier stade, alors il traversera l'ensemble du système dans la direction opposée et reviendra à sa source.