background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

27-1 

Wykład 27 

27.  Optyka geometryczna i falowa 

27.1  Wstęp 

27.1.1  Odbicie i załamanie 

Przypomnienie kilku podstawowych wiadomości: 

• 

współczynnik załamania; bezwzględny i względny 

 
 

 n = c/vn

2,1

 = v

1

/v

2

 

 

(27.1) 

 

• 

prawo  odbicia  i  załamania:  promień  odbity  i  załamany  leżą  w  jednej  płaszczyźnie 

utworzonej przez promień padający i prostopadłą do powierzchni odbijającej w punkcie 
padania (normalna padania) tzn. W płaszczyźnie rysunku poniżej. 
 

• 

dla odbicia 

θ

1

 = 

θ

1

’ 

• 

dla załamania 

1

,

2

2

1

sin

sin

n

=

θ

θ

 

Prawa te można wyprowadzić z równań Maxwella, ale jest to matematycznie zbyt trud-
ne. Jednak te prawa optyki można wyprowadzić w oparciu o prostą (ale ważną) zasadę 
odkrytą w 1650 r przez Pierre Fermata. 

27.1.2  Zasada Fermata 

Zasadę tę formułujemy w następujący sposób: 

Promień  świetlny  biegnący  z  jednego  punktu  do  drugiego  przebywa  drogę,  na  której 
przebycie  trzeba  zużyć  w  porównaniu  z  innymi,  sąsiednimi  drogami,  minimum  albo 
maksimum czasu

normalna

promie

ń odbity

promie

ń załamany

promie

ń padający

θ

1

θ

1

θ

2

czo

ło fali płaskiej

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

27-2 

Np. najkrótszy czas między dwoma punktami w próżni - linia prosta. 
Z tej zasady można wyprowadzić prawa odbicia i załamania. 
Na rysunku są przedstawione dwa punkty A i B oraz łączący je promień APB. 

Całkowita długość drogi promienia wynosi 
 

2

2

2

2

)

(

x

d

b

x

a

l

+

+

+

=

 

 
gdzie x jest zmienną zależną od położenia punktu P (punkt odbicia promienia). 
Zgodnie  z  zasadą  Fermata  punkt  P  (zmienną  x)  wybieramy  tak,  żeby  czas  przebycia 
drogi APB był minimalny (lub maksymalny, lub niezmieniony). Matematycznie oznacza 
to warunek 
 

0

d

d

=

x

l

 

czyli 

0

)

1

)(

(

2

]

)

(

[

2

1

2

)

(

2

1

d

d

2

/

1

2

2

2

/

1

2

2

=

+

+

+

=

x

d

x

d

b

x

x

a

x

l

 

 
lub przekształcając 

2

2

2

2

)

(

x

d

b

x

d

x

a

x

+

=

+

 

 
Porównując z rysunkiem widzimy, że jest to równoważne zapisowi 
 

sin

θ = sinθ’ 

czyli 

θ = θ’ 

co jest prawem odbicia. 
 

Podobnie  postępujemy  w  celu  wyprowadzenia  prawa  załamania.  Rozpatrzmy  sytuację 
przedstawioną na rysunku poniżej. 

A

B

d-x

x

P

d

a

b

θ

1

θ

1

θ

1

θ

1

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

27-3 

Czas t, przelotu światła, z A do B dany jest wzorem 
 

2

2

1

1

v

v

l

l

t

+

=

 

 
Uwzględniając n = c/v możemy przepisać to równanie w postaci 
 

c

l

c

l

n

l

n

t

=

+

=

2

2

1

1

 

 
Wielkość l = n

1

l

1

 + n

2

l

2

 nazywamy 

drogą optyczną promienia

 (nie mylić z drogą geome-

tryczną  równą  l

1

  +  l

2

).  Ponownie  dobieramy  x  (punkt  P),  aby  droga  l  była  minimalna 

czyli, aby dl/dx = 0. Ponieważ droga optyczna wynosi 
 

2

2

2

2

2

1

2

2

1

1

)

(

x

d

b

n

x

a

n

l

n

l

n

l

+

+

+

=

+

=

 

 
otrzymujemy 
 

0

)

1

)(

(

2

]

)

(

[

2

1

2

)

(

2

1

d

d

2

/

1

2

2

2

2

/

1

2

2

1

=

+

+

+

=

x

d

x

d

b

n

x

x

a

n

x

l

 

 
lub po przekształceniu 
 

2

2

2

2

2

1

)

(

x

d

b

x

d

n

x

a

x

n

+

=

+

 

 
Porównując to z rysunkiem otrzymujemy 
 

n

1

sin

θ

1

 = n

2

sin

θ

2

 

A

B

P

d

v

2

v

1

n

2

n

1

x

d-x

l

1

l

2

θ

1

θ

1

θ

2

θ

2

a

b

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

27-4 

co jest prawem załamania. 
W omawianych obu przypadkach czas (i droga) był minimalny

27.2  Warunki stosowalności optyki geometrycznej 

 

Omawiając odbicie i załamanie fal (płaskich) posługiwaliśmy się pojęciem 

pro-

mienia

. Ta wygodna konstrukcja myślowa przydatna do opisu tych zjawisk nie jest po-

mocna przy opisie 

ugięcia światła

 (fal) gdyż niemożliwe jest wydzielenie pojedynczego 

promienia z padającej fali płaskiej. Żeby to sprawdzić prześledźmy zachowanie fali pła-
skiej  padającej  na  szczeliny  o  różnej  szerokości.  To  zachowanie  jest  przedstawione 
schematycznie na rysunku poniżej dla szczelin o szerokości a = 5

λa = 3λ oraz a = λ

Widzimy, że ugięcie staje się coraz bardziej wyraźne gdy a/

λ 

 0. 

To ugięcie jest charakterystyczne dla 

wszystkich rodzajów fal

. Dzięki temu możemy np. 

słyszeć fale głosowe znajdując się za załomem muru. 
Ugięcie fal na szczelinie (albo przeszkodzie) wynika z zasady Huyghensa. 
 

a=5

λ

a=3

λ

a=

λ

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

27-5 

27.2.1  Zasada Huyghensa 

 

W  tej  teorii światła  podanej przez Christiana Huyghensa w 1678 r.  zakłada się, 

że  światło  jest  falą  (  a  nie  strumieniem  cząstek).  Nie  wspomina  ona  o  elektromagne-
tycznym  charakterze  światła  ani  nie  wyjaśnia,  że  światło  jest  falą  poprzeczną.  Teoria 
Huyghensa oparta jest na konstrukcji geometrycznej (zwanej zasadą Huyghensa), która 
pozwala przewidzieć gdzie znajdzie się czoło fali w dowolnej chwili w przyszłości, je-
żeli znamy jej obecne położenie. Zasada ta głosi, że 

wszystkie punkty czoła fali można 

uważać  za  źródła  nowych  fal  kulistych.  Położenie  czoła  fali  po  czasie  t  będzie  dane 
przez powierzchnię styczną do tych fal kulistych

. Poniżej przedstawiony jest na rysunku 

elementarny przykład obrazujący, za pomocą elementarnych fal Huyghensa, rozchodze-
nie się fali płaskiej w próżni. 

Dane jest czoło fali płaskiej w próżni. Zgodnie z zasadą Huyghensa kilka dowolnie wy-
branych  punktów  na  tej  powierzchni  traktujemy  jako źródła  fal  kulistych.  Po  czasie  t 
promienie tych kul będą równe ct, gdzie c jest prędkością światła. Powierzchnia styczna 
do tych kul po czasie t jest nową powierzchnią falową. Oczywiście powierzchnia falowa 
fali płaskiej jest płaszczyzną rozchodzącą się z prędkością c
Uwaga: Można by oczekiwać ( w oparciu o tę zasadę), że wbrew obserwacji fala Huy-
ghensa może się rozchodzić zarówno do tyłu jak i do przodu. Tę „trudność” w modelu 
eliminuje się poprzez założenie, że natężenie tych fal kulistych (Huyghensa) zmienia się 
w sposób ciągły od maksimum dla kierunku „w przód” do zera dla kierunku „w tył”. 
Metoda  Huyghensa  daje  się  zastosować  jakościowo  do 

wszelkich  zjawisk  falowych

Można  przedstawić  za  pomocą  fal  elementarnych  Huyghensa  zarówno  odbicie  fal  jak 
i ich załamanie. 
My zastosujemy je do wyjaśnienia ugięcia fal na szczelinie (przeszkodzie). 

ct

czo

ło fali

w chwili
t = 0

nowe po

łożenie

czo

ła fali

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

27-6 

Rozpatrzmy czoło fali dochodzącej do szczeliny. Każdy jej punkt możemy potraktować 
jako źródło fal kulistych Huyghensa. Jednak przez szczelinę przechodzi tylko część fal. 
Fale leżące poza brzegami szczeliny zostają wyeliminowane i z tym jest związane zagi-
nanie  wiązki  w  obszar  tzw.  cienia  geometrycznego.  Szczegóły  dotyczące  fal  ugiętych 
zostaną przedstawione dokładnie w dalszych wykładach. Tutaj zwróćmy jedynie uwagę 
na to, że gdy szerokość szczeliny staje się duża (w stosunku do długości fali) a >> 

λ to 

ugięcie  można  zaniedbać.  Wydaje  się,  że  światło  rozchodzi  się  po  liniach  prostych  co 
można  przedstawić  w  postaci  promieni  podlegających  prawom  odbicia  i  załamania. 
Mówimy, że mamy do czynienia z 

optyką geometryczną

Warunkiem stosowalności optyki geometrycznej jest więc aby wymiary liniowe wszyst-
kich  obiektów  (soczewek,  pryzmatów,  szczelin  itp.)  były  o  wiele  większe  od  długości 
fali. 
Jeżeli  tak  nie jest to nie możemy przy opisie światła posługiwać się promieniami, lecz 
trzeba wziąć pod uwagę 

falowy charakter światła

. Widać jak znaczące jest ugięcie fali 

gdy szczelina ma rozmiar porównywalny z długością fali. 
Mamy wtedy do czynienia z 

optyką falową

Optyka geometryczna jest więc szczególnym (granicznym) przypadkiem optyki falowej. 
Zajmiemy się teraz właśnie optyką falową.