4. Физическая оптика.
Самое страшное, можно сказать, позади. Теперь можно снова расслабиться, поскольку будет геометрическая оптика. А это значит, что будет минимум страшных расчётов и много достаточно понятных рисунков. Сами рисунки я здесь рисовать не буду, но как их рисовать - подскажу.
В прошлом абзаце я нагло заявил, что свет - это электромагнитная волна. Но как же так, мы же можем видеть его лучи! Лучи - прямые, а не какие-то там заумные два сплетённых синуса! Смею заверить: во-первых, синус вовсе не означает, что именно такую загогулину мы будем видеть в воздухе - это обычно означает, что лететь может всё что угодно, но что-то в этой "летелке" будет меняться по синусу, и это "что-то" - необязательно самое заметное. Оптика вообще делится на две части как раз по этому принципу: одна часть забивает на все синусы и говорит, что свет - это лучи, а вторая, наоборот, грозит пальцем лучам и тычет носом в волны. Самая лёгкая (она же первая) часть - геометрическая оптика, изучает законы распространения света и получения изображений. Световой луч - это модель, которая используется в геометрической оптике; лучом считают воображаемую прямую, вдоль которой распространяется световая энергия. Ясно, что таких лучиков будет бесконечно много, и все они будут лететь по прямой - но только в случае однородной и изотропной среды! Почему однородной, понятно - если в воздухе внезапно образуется кирпичная стена, то свет через неё дальше не пройдёт. А непонятное слово "изотропная" означает всего лишь, что во всех направлениях все основные параметры среды будут одинаковые. По большому счёту, всё наше пространство само по себе изотропно, исключения обычно попадаются в виде каких-нибудь кристаллов, которые имеют неправильную форму, или времени, которое нельзя повернуть вспять.
Вообще, если так смотреть, свет умеет всего три вещи: распространяться, отражаться и преломляться. С распространением разобрались, отражается свет у нас от зеркал, а преломляется при проходе через воду или линзы - хоть в тех же очках, хоть через контактные линзы - те, которые вставляются в глаза (до сих пор не представляю, как это можно безболезненно делать). Свет отражается или преломляется так, что: во-первых, целых 3 луча находятся в одной плоскости - это падающий, отражённый (или преломлённый) и воображаемый луч, который перпендикулярен плоскости, к которой свет падает, проведённый из точки падения; во-вторых, угол падения света равен углу отражения; в-третьих, при преломлении света отношение синусов угла падения и преломления равно относительному показателю преломления второй среды относительно первой, это величина постоянная. Теперь, как водится, после очередного вороха умных слов - их расшифровка.
Если луч света падает на что-то плоское (например, обычное плоское зеркало), то отразится он так, что пойдёт в точности под тем же углом, под которым упал. Но угол этот, даже если считать, что упал он точно в одну точку, отложить можно кучей разных способов в кучу разных сторон - или, на языке геометрии, в большой куче разных плоскостей. Но нам нужна только та, в которой находится наш падающий луч. То есть отражается он в ту же сторону, откуда и пришёл, не кривя. Примерная аналогия с каучуковым мячиком: если бросить его вперёд и вниз, то, отскочив, он продолжит лететь вперёд, а не свернёт куда-нибудь влево или вправо, и уж тем более не повернёт обратно, назад (только если не ударится о какой-нибудь бугорок, но мы считаем, что всё так идеально, что нет никаких неровностей, плоскость идеально плоская). Непонятный перпендикуляр здесь ставится по двум причинам: во-первых, два луча в принципе всегда будут лежать в одной плоскости, когда они пересекаются (а наши падающий и отражённый явно пересекаются - куда им деться друг от друга?), а вот если поставить ещё и третий - тогда плоскость, в которой они будут лежать все втроём, будет только одна - и именно она задаст то направление, куда улетит отражённый луч. И, во-вторых, договорились считать углом падения/отражения не угол между лучом и плоскостью, а угол между лучом и перпендикуляром. То есть когда тот 0 - луч падает как раз перпендикулярно и отражается обратно "в себя". Когда 90 - летит точно параллельно плоскости и, скорее всего, не упадёт на неё и не отразится от неё вообще. Преломление посложнее отражения: оно происходит тогда, когда теряется однородность среды - то есть как бы то же распространение, но без одного условия. Но, чтобы не валить всё совсем в кучу, о нём чуть позже, а пока добьём отражение.