Кожному школяреві відомо, що світло в однорідному прозорому середовищі рухається по прямій траєкторії. Цей факт дозволяє розглядати багато оптичні явища в рамках концепції світлового променя. В даній статті розповідається про кут падіння променя, і для чого важливо знати цей кут.
Промінь світла – микрометровая електромагнітна хвиля
У фізиці існують хвилі різної природи: звукові, морські, електромагнітні та деякі інші. Тим не менше, поняття “промінь” застосовується тільки для електромагнітних хвиль, частиною яких є видимий спектр. Саме слово “промінь” можна представити у вигляді прямої, що з’єднує дві точки в просторі.
Світло (як хвилі) можна розглядати у вигляді прямої лінії, адже кожна хвиля має на увазі наявність коливань. Відповідь на це питання полягає в значенні довжини хвилі. Так, для морських і звукових довжина знаходиться в межах від декількох сантиметрів до десятків метрів. Звичайно, такі коливання складно назвати променем. Довжина хвиль світла ж менше одного мікрометра. Такі коливання людське око не в змозі розрізнити, тому нам і здається, що ми бачимо прямий промінь.
Для повноти варто відзначити, що світловий промінь видно тільки тоді, коли він починає розсіюватися на дрібних частинках, наприклад, в курній кімнаті або крапельки туману.
Де важливо знати кут, при якому промінь падає на перешкоду?
Явища відбиття і заломлення – це найвідоміші оптичні ефекти, з якими людина стикається буквально кожен день, коли дивиться на себе в дзеркало чи випиває склянку чаю, попередньо глянувши на ложку в ньому.
Математичний опис заломлення і відображення припускає знання про кут падіння променя. Наприклад, явище відображення характеризується рівністю кута відбиття і падіння. Якщо описувати зі сторони процесу заломлення, кут падіння і кут заломлення пов’язані один з одним через функції синусів і показники заломлення середовищ (закон Снелла).
Кут, при якому світловий промінь падає на межу поділу двох прозорих середовищ, відіграє важливу роль при розгляді ефекту повного внутрішнього відображення в оптично більш щільному матеріалі. Цей ефект спостерігається тільки у випадку кутів падіння, які більше деякого критичного значення.
Геометричне визначення розглянутого кута
Можна припустити, що існує деяка поверхня, що розділяє два середовища. Ця поверхня може бути площиною, як у випадку дзеркала, або ж мати більш складну форму, наприклад, ребриста поверхня моря. Уявіть, що на цю поверхню падає світловий промінь. Як визначити кут падіння світла? Зробити це досить просто. Нижче наводиться послідовність дій, які слід виконати, щоб знайти шуканий кут.
- Спочатку необхідно визначити точку перетину променя з поверхнею.
- Через O слід провести перпендикуляр до розглянутої поверхні. Його часто називають нормаллю.
- Кут падіння променя дорівнює куту між ним і нормаллю. Його можна виміряти простим транспортиром.
Як видно, знайти розглянутий кут не складно. Тим не менш, школярі часто припускаються помилки, вимірюючи його між площиною і променем. Необхідно запам’ятати, що кут падіння завжди відраховується від нормалі, незалежно від форми поверхні і середовища, у якій воно поширюється.
Сферичні дзеркала, лінзи і падаючі на них промені
Знання властивостей кутів падіння певних променів використовується при побудові зображень у сферичних дзеркалах і тонких лінзах. Щоб побудувати такі зображення, досить знати, як ведуть себе два різних променя при взаємодії з названими оптичними приладами. Перетин цих променів визначає положення точки зображення. У загальному випадку завжди можна знайти три різних промені, хід яких точно відомий (третій промінь можна використовувати для перевірки правильності побудованого зображення). Нижче названі ці промені.
- Йде паралельно до головної оптичної осі приладу. Він після відбиття або заломлення проходить через фокус.
- Йде через фокус приладу промінь. Він завжди відображається або переломлюється паралельно головній осі.
- Йде через оптичний центр (для сферичного дзеркала він збігається з центром сфери, для лінзи він знаходиться всередині неї). Такий промінь не змінює своєї траєкторії.
Вище на рисунку наведено схеми побудови зображень для різних варіантів розташування об’єкта відносно тонких лінз.
