1
Въпрос 16.
Поглъщане, дисперсия, разсейване и отражение на
светлината. Разсейване на светлината в атмосферата на Земята.
Поглъщане и отражение на светлината от повърхността на
Земята. Топлинно излъчване на Земята. Парников ефект.
1. Разпространение на светлината в еднородна среда
Във вакуум всички електромагнитни вълни, в това число и светлината, се
разпространяват с една и съща скорост
c
0
≈ 3.10
8
m/s
. В дадена материална
среда светлината се разпространява със скорост
c
, която е по-малка от тази във
вакуум. Скоростта й зависи от физичните свойства на средата и от честотата на
вълната.
Показател на пречупване
: Величината, която показва колко пъти
скоростта на светлината в дадена среда е по-малка от скоростта й във
вакуум, се нарича показател на пречупване на средата
:
c
c
n
0
.
Показателят n определя
оптическата плътност на средата
, която
нараства с увеличение на масовата и
плътност. Дължината на светлинните
вълни във вакуум
0
се определя от основната формула за вълните
0
=
0
c
,
като
ν
е честотата на светлината. За всяка друга прозрачна среда с показател на
пречупване
n
дължината на светлинната вълна
се определя от зависимостта
= c/ν =
0
/n
.
Следователно, дължината на вълната зависи от показателя на пречупване
на средата. Когато светлината навлиза в оптически по-плътна среда, дължината
на вълната намалява, тъй като намалява скоростта на разпространение.
Закон за праволинейното разпространение на светлината:
В прозрачна
еднородна среда светлината се разпространява праволинейно
.
Линиите, по които се разпространява светлината енергия и които в
изотропна среда са перпендикулярни на вълновия фронт се наричат
светлинни лъчи
.
При плоска вълна те образуват успореден сноп, а при сферична вълна –
сходящ или разходящ сноп.
2. Отражение на светлината
: Явлението на
границата на две оптични среди, при което
светлинния лъч се връща в първата среда се
нарича отражение на светлината
.
Ако плоска светлинна вълна пада под ъгъл
спрямо граничната повърхност MN, тя се отразява
под ъгъл
и се пречупва под ъгъл
. На Фиг. 1
Фиг. 1
2
n
2
> n
1.
). Ъглите
,
се определят спрямо нормалата към граничната
повърхност в точката на падане. За отражението са валидни законите на
Снелиус:
1. Отразеният лъч лежи в равнината на падането, определена от падащия
лъч и нормалата в точката на падане.
2. Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение (
=
).
Огледално отражение:
Отражение, при което успореден сноп светлинни
лъчи, променяйки посоката си на разпространение след отражението остава
отново успореден, се нарича огледално отражение.
Дифузно отражение:
Отражение от грапава повърхност, при което
успореден сноп светлина нарушава своята успоредност след отражението, се
нарича дифузно отражение
.
Коефициент на отражение:
Отношението между интензитета J на
отразената светлина и интензитета J
0
на падащата светлина се нарича
коефициент на отражение:
0
J
J
R
.
Коефициентът на отражение R е безразмерна величина, която показва
каква част от интензитета на падащата вълна се отразява от граничната
повърхност. Той зависи от ъгъла на падане и от поляризацията на падащата
вълна.
При нормално падане (α
1
= 0) коефициентът на отражение не зависи от
състоянието на поляризация на светлината и се дава с формулата
2
2
1
2
2
1
)
(
)
(
n
n
n
n
R
,
където
n
2
и
n
1
са показателите на пречупване съответно на първата и втората
среда. Тази формула може да се прилага и при малки ъгли на падане, близки до
нула.
Коефициентът на отражение зависи от разликата в показателите на
пречупване на двете среди, като не зависи от посоката на разпространение на
лъчите (от първата към втората среда или обратно).
3.
Пречупване
на
светлината. Трети закон на
Снелиус
При
преминаване
на
светлината
през
граничната
повърхност между две среди с
показатели
на
пречупване
съответно
n
2
и
n
1
, се наблюдава
Фиг. 2. Пречупване на повърхността на водата.
Д
ж
е
й
3
Пречупване
на светлината:
Явлението на границата на две оптични среди, при което
светлинния лъч преминава във втората среда като променя посоката на
своето разпространение се нарича
пречупване на светлината.
Закономерностите на пречупването на светлината са установени
експериментално от холандския учен Уилборд Снелиус (1580-1628).
Първи закон на пречупването
: Падащият лъч, пречупеният лъч и
перпендикулярът, издигнат към граничната повърхност в точката на падане,
лежат в една равнина.
Втори закон на пречупването:
Отношението между синуса на ъгъла на
падане α и синуса на ъгъла на пречупване β не зависи от стойността на ъгъла
на падане и е равно на относителния показател на пречупване на втората
среда спрямо първата:
21
1
2
sin
sin
n
n
n
,
където
n
2
и
n
1
са показателите на пречупване на двете среди (фиг. 1), а n
21
е
относителният показател на пречупване на втората среда спрямо първата.
От закона на Снелиус следва, че когато светлината навлиза от оптически
по-рядка среда в оптически по плътна среда (
n
2
> n
1
), ъгълът на пречупване β е
по-малък от ъгъла на падане α (β < α).
За светлината е валиден принципът за обратимост на светлинните лъчи.
Принцип за обратимост
: Ако приемникът и източникът на светлина си
разменят местата, пътят на лъча остава същият, само се променя посоката
му на разпространение.
Принцип на Ферма:
При разпространение на светлината от една точка
към друга тя изминава път, който съответства на най-малкото време на
разпространение.
4. Лещи
Леща
се нарича прозрачно тяло с правилна геометрична форма, което
може да пречупва светлината, и поне една от повърхнините на което не е
плоска.
Леща, граничните повърхности на която са част от сфери, се нарича
сферична леща.
Събирателната леща
е по-дебела в средата и по-тънка в краищата, ако
показателят на пречупване на материала на лещата е по-голям от
n
0
на
околната среда
. (Фиг. 3а)
Разсейвателната леща
е по-тънка в средата и по-дебела в краищата
(Фиг. 3б).