28184

Распространение света в изотропных средах. Отражение и преломление света на границе между диэлектриками. Основные законы геометрической оптики. Формулы Френеля

Доклад

Физика

При этом падающий отражённый и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром восстановленным к границе раздела сред в точке падения О. Углы соответственно углы падения отражения преломления волн. Амплитуду падающей волны разложим на составляющие Ер параллельную плоскости падения и Еs перпендикулярную плоскости падения. Для составляющих вектора Е перпендикулярных плоскости падения рисунок 3 выполняются условия в которых индексы при Е и p при Н опущены: .

Русский

2013-08-20

146 KB

51 чел.

47. Распространение света в изотропных средах. Отражение и преломление света на границе между диэлектриками. Основные законы геометрической оптики. Формулы Френеля

В однородной изотропной среде свет распространяется прямолинейно, в любом направлении с одинаковой скоростью.  При этом форма волнового фронта не изменяется –  плоская волна остается плоской, сферическая волна – сферической и т.п. Векторы напряжённостей электрического  и магнитного поля волны образуют правую тройку векторов с вектором Умова – Пойнтинга , модуль которого характеризует плотность энергии волны.

На границе раздела двух однородных изотропных сред происходит отражение и преломление световых пучков, направление распространения волн изменяется в соответствии с законами отражения и преломления (рисунок 1).

Названные законы можно получить, воспользовавшись условием непрерывности тангенциальных составляющих напряженности электрического поля волны на границе раздела сред: . Пользуясь этим условием для плоской волны, наклонно падающей в точке  О на границу раздела сред, несложно доказать, что:

  1.  частота излучения при отражении и преломлении на границе раздела сред не изменяется, ;
  2.  свет отражается под таким же углом, под каким он падает на границу раздела, закон отражения света;
  3.  выполняется закон преломления света  (закон Снеллиуса).

При этом падающий, отражённый и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к границе раздела сред в точке падения О.

Законы  отражения и преломления являются основой геометрической оптики. Они получаются в электромагнитной теории без каких-либо специальных предположений, как следствие граничных условий для уравнений Максвелла и выполняются в любом диапазоне частот.

В 1823 г. французским физиком О.Ж. Френелем на основе представлений об упругих поперечных колебаниях эфира получены формулы, в которых определены отношения амплитуды, фазы и состояния поляризации отраженной и преломленной волн, возникающих при прохождении света через границу раздела двух прозрачных диэлектриков, к соответствующим характеристикам падающей световой волны. Такие же соотношения получаются в результате строгого вывода на основе электромагнитной теории, при решении уравнений Максвелла.

Пусть плоская световая волна падает на границу раздела двух сред с показателями преломления  и . Углы , ,  - соответственно углы падения, отражения, преломления волн. При этом всегда  и .

Амплитуду падающей волны  разложим на составляющие Ер, параллельную плоскости падения, и Еs, перпендикулярную плоскости падения. Аналогично разложим на составляющие Е1p и E1s,  E2p и E2s амплитуды E1 и E2 отраженной и преломленной волн. Обозначения , ,  на рисунке 2 соответствуют векторам Умова – Пойнтинга падающей, отраженной и преломлённой волн; для показателей преломления сред выполнено условие , поэтому .

Направления векторов для какого-то момента времени показаны на рисунке 2. Составляющие векторов напряженности магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости чертежа по направлению к читателю. На основании граничных условий имеем:

;  .

При этом вторым индексом, одинаковым для всех волн, отмечены амплитудные значения проекций векторов; индексы p (при Е) и  (при Н) в уравнениях опущены.

Так как , , , , получим:

, .

После несложных преобразований этих уравнений найдем первую пару формул Френеля:

;     .

Для составляющих вектора Е, перпендикулярных плоскости падения (рисунок 3), выполняются условия, в которых индексы (при Е) и  p (при Н) опущены:

,  .

После преобразований можно получить выражения для составляющих вектора напряженности электрического поля для отраженной и преломленной волны, перпендикулярных плоскости падения (вторая пара формул Френеля):

;      

.

Анализируя формулы Френеля, легко показать, что преломленная волна имеет  одинаковую фазу с падающей волной, а отраженная волна имеет фазу, отличающуюся на  от фазы падающей волны (потеря полуволны при отражении), если отражение происходит от оптически более плотной среды (n2 > n1).

В частном случае, когда отраженный и преломленный лучи перпендикулярны друг другу, из уравнений Френеля следует закон Брюстера: . Соответствующий угол падения называют углом Брюстера: . При переходе из воздуха в стекло с показателем преломления п = 1,5 угол Брюстера близок к 570.

Энергетические коэффициенты отражения и пропускания определятся уравнениями

, ,

их явные выражения легко получить после подстановки соответствующих формул. При этом нужно учесть, что ортогонально поляризованные волны не интерферируют, поэтому коэффициенты отражения для параллельных и перпендикулярных плоскости падения составляющих аддитивно складываются.

Из формул Френеля следует соотношение:

.

При нормальном падении света на границу раздела сред  теряется различие между параллельной и перпендикулярной плоскости падения составляющими, так как теряет смысл само понятие о плоскости падения. При этом  и коэффициент отражения

,  коэффициент прохождения .

Несложно показать, что при падении света под углом Брюстера от границы раздела отражается только составляющая вектора Еs, а параллельная плоскости падения составляющая обращается в нуль. Таким образом, при падении пучка под углом Брюстера отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.

На основе формул Френеля можно показать, что при углах падения, бóльших предельного угла , имеет место полное отражение света от границы раздела со средой, оптически менее плотной среды, из которой падает свет.

Формулы Френеля не выполняются при отражении от металлов. Их аналоги могут быть получены после введения понятия о комплексном показателе преломления среды.

Условие применимости формул Френеля – независимость показателя преломления среды от амплитуды вектора электрической напряженности световой волны. Это условие не выполняется для потоков большой мощности, излучаемых лазерами. В таких ситуациях необходимо использовать формулы, которые получают в нелинейной оптике.

φ1

φ2

Рисунок 1 – Отражение и преломление света

на границе раздела оптически изотропных сред

n1

n2

O

Нs

Нs

φ2

φ1

φ

Е2p

Е1p

E

n1

n2

Нs

Рисунок 2 – К выводу формул Френеля для составляющих вектора , параллельных плоскости падения волны

Рисунок 3 – К выводу формул Френеля для составляющих вектора , перпендикулярных плоскости падения волны

n2

n1

H

Е1p

Е2p

φ

φ1

φ2

Нs

Es

Нs


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46950. Методы статистического изучения взаимосвязи социально-экономических явлений 38.96 KB
  Корреляционный анализ изучает взаимозависимости показателей и позволяет решить следующие задачи: Задача оценки тесноты связи между показателями с помощью парных частных и множественных коэффициентов корреляции; Задача оценки уравнения регрессии. Уравнение регрессии или статистическая модель связи массовых процессов и явлений выражаемая функцией. Основной проблемой построения уравнения регрессии является его размерность. прямая гиперболы параболы Оценка параметров уравнений регрессии осуществляется методом наименьших...
46951. Понятие и классификация инноваций. Роль инноваций в современной экономике 38.13 KB
  Стратегия организации – это генеральный план действий определяющий приоритеты стратегических задач распределения ресурсов и последовательность в достижении целей в течение продолжительного периода времени Виды наступательных стратегий: стратегия создания нового рынка на основе новой идеи производится уникальный продукт не имеющий аналогов стратегия приобретения компании предполагающая поглощение фирмы имеющей значительные нематериальные активы разбойничья стратегия– стратегия сущность которой заключается в том что на основе...
46953. Русский традиционализм 19 – начала 20вв: типология основных идеологических разновидностей. 37 KB
  Виды традиционалистов: почвенничество самое широкое; славянофильство разновидность почвенничества; сами славянофилы возражали против термина славянофилы; народничество разновидность почвенничества; надрод; род основан на кровных связях а надрод – нация = национализм; но народничество – это интернационализм = международничество транснародничество = наше место – транзитное; областничество регионализм; Ядринцев Сибирь как колония Потанин в 1885 году писал: Действительно приведение Сибири в одно целое с Европейскою...
46956. Особенности экономического развития Англии конца XIX – начала XX в 39 KB
  Главными особенностями экономического развития Англии конца XIX – начала XX в. стали: утрата промышленного первенства и господства на мировом рынке; рост капиталистических монополий особенно колониальных и военнопромышленных; создание мощных банков и финансовой олигархии; возрастание роли экспорта капитала в том числе в пределы Британской империи колонии и в зависимые страны; превращение колониальной монополии в решающий фактор экономического и политического положения Англии во всемирном хозяйстве. Под действием закона...