23
ются относительно друг друга и молекулы становятся электрическими диполлями.
Заметим, что именно благодаря существование диполей происходит такое важное физическое явление, как поляризация диэлектриков («Физика 9», § 47). Интересно, что весь поляризованный диэлектрик ведет себя подобно диполю. Движение такого диполя в неоднородном электрическом поле было исторически первым замещенным лодьми электрическим явлением (вспомните прияжение на электризованным телом легких предметов).
Лучи и волны
В начале XIX века, благодаря работам по интерференции и дифракции света, окончательно утвердилось представление о том, что распространение света в пространстве представляет собой волновой процесс. Однако задалго до этого возникла, формировалась и продолжает существовать и в нашей дни так называемая геометрическая оптика. В этом разделе физики изучаются законы распространения света на основе представления о световых лучах. Говорится о падающих, отраженных и преломленных лучах, о расходящих, сходящих и параллельных лучах лучей и т. п.
«Лучовая» картина света позволяет описать многое из того, что происходит, когда свет падает на зеркала, признаны или линзы («Физика 10», глава 6). При этом говорится о ходе лучей, например в признаме, линзе или какой-то более сложной оптической системе.
Значит ли это, что через признамы и линзы проходят не световые волны, а лучи, что от зеркал отражаются не волны, а лучи? Что представляют собой световые лучи? Какова их физическая сущность?
Оказывается, за лучами не кроется никакой физической реальности. Световые лучи — это линни, вдоль которых распространяется световая волна. Все законы геометрической оптики могут быть получены из волна новой теории как предельный случай, когда размеры преятствий на пути света много больше длины световой волны. Таким образом, использование понятия светового луча вовсе не обязательно для понимания того, что происходит при распространении света. Оно просто облегчает рассмотрение.
Убедимся в этом на несколько конкретичных примерах.
Призма. Пусть на стеклянную призму треугольного сечения, находящаяся в воздухе (рис. 1), падает плоская световая волна. В какой-то момент времени волновая поверхность (волновой фронт) достигает в точке C поверхности признамы.
Начиная с этого момента, нижний край выбранного нами участка DC волновой поверхности (точнее, участка линни пересечения волновой поверхности с плоскостью чертежа) распространяется в стекле, в то время как верхний продолжает еще распространяться в воздухе. Когда верхний конец (точка D) достигает признамы в точке A, сферическая волна, распространiosa от нижнего конца (точка C), doit до точки E, причем расстояние CE будет применено в полтора раза меньше, чем DA, так как скорость света в стекле приблизительно в полтора раза меньше, чем в воздухе. Далее сферическая волна, центром которого является точка C, достигает второй грани признамы в точке B. В свою очередь из точки A тоже будет распространяться сферическая волна. К тому моменту, когда волна в стекле распространится на расстояние Eb, волна из A пройдет больший путь (скорость света в воздухе больше, чем в стекле!). Таким образом, новый фронт волны по другую сторону признамы (вернее, участком линни его пересечения с плоскостью чертежа) становится отрезок BK. Значит, роль признамы состоит в том, что фронт CD све-
24
товой волны преобразовался в ВК.
И произшло это потому, что скорость света в стекле меньше, чем в воздухе.
Такова волновая картина прохождения света через призму. Для сравнения на этом же рисунке сним цветом показана также и обычно приводимая картина хода луча в призме (см., например, § 56 «Физики 10»). Из рисунка 1 видно, что луч — это простой прямые, перpendикулярные волновым поверхностям (волновым фронтам). «Преломление лучей света» в действительности означает поворот фронта волны. Угол поворота волнового фронта — это СНВ. Таков же, очевидно, и угол преломления лучей.
Как видно, «лучевая» картина проще, чем «волновая», поэтому обычно и пользовются.
Собирающая линза. Пусть на двояковыпуклу стеклянную линзу, находящаяся в воздухе, падает плоская световая волна (рис. 2). С того момента, когда волновая поверхность (точнее, выбранная ее часть) коснется своей серединой первой поверхности линзы в точке C, пусть всех ее точки (кроме середины) проходят часть в воздухе, а часть в стекле. По мере удаления от середины волнового фронта к его краям доля «стеклянной» части пути уменьшается, поэтому, когда середина волны достигает в точке C’ второй поверхности линзы, все остальные части волнового фронта продвинутся на большие расстояние (самое большое расстояние пройдут крайные точки). В результате получается, что по выходе из линзы плоский волновой фронт ACB превращается в сферический A’C’B’. Центр этой сфериской волны — точка F — называется, как известно, фокусом линзы. Понято, что если, наоборот, сфериская волна выходит из точного источника, расположенного в фо-
Рассенвающая линза. Рисунок 3 или построирует случай, когда плоская волна падает на двояковогнутую стеклянную линзу, находящуюся в воздухе. После того как волновая поверхность коснется в точках A и B линзы, крайние участки будут отставать от других частей волнового фронта (так как проходят в стекле, где скорость света меньше, чем в воздухе). В результате плоская волна ACB превращается в сферический A’C’B’. Но центр этой сферической волны (точка F) находится по ту же сторону от линзы, откуда пришла плоская волна. Точку F тоже называют фокусом линзы, но фокусом минимым, так как преломленный свет сюда реально не попадает. Синним цветом и здесь показан соответствующий ход лучей.
Читатель без труда сумет сам построить волновые картины прохождения света через линзы, когда на них падают не плоские, а сфериские волны. После проходения линзы они преобразуют в сфериские же волны, но с другими радиусами. Из таких картины можно получить и формулу линзы, такую же, разумется, как и из геометрической оптики.