Основными понятиями геометрической оптики выступают пучок и луч.
Например:
Зайдем в комнаты со сгустками дыма и закроем окно куском фанеры. Тогда можно увидеть, что через отверстия в фанере проходит солнечный свет в виде узких цилиндрических каналов. Конические каналы возникают, если поместить маленькую лампочку в непрозрачный ящик с отверстиями.
Цилиндрические или конические каналы малого поперечного сечения, внутри которых распространяется свет, называются световыми пучками.
Линии, которые указывают направление распространения световой энергии, называются световыми лучами (корректно применять определение и для образующих и для осей световых пучков).
Т.к. при дифракции световая волна несколько заходит за края экранирующего материала и прямолинейность распространения света нарушается, то вместо пучка с ярко выраженными образующими видно расширяющийся пучок без четких границ. Свечение видно в конусе, угол раствора которого:
sin (γ/2) ≈ λ/D,
где D — диаметр отверстия в непрозрачном экранирующем материале.
Итак, при наличии диафрагмы, которая обязательно присутствует в оптических приборах, закон прямолинейности распространения света нарушается. Однако иногда уширение пучка х == (D1 - D)/2 мало, если относить его к диаметру диафрагмы, тогда есть возможность пренебречь дифракцией.
Видно, что х = L tg(γ/2), при малых углах tg (γ/2) ≈ sin(γ/2) ≈ λ/D.
Итак, х ≈ L λ / D.
Условие х << D примет вид L λ / D << D, откуда:
Данное явление называется критерием применимости геометрической оптики.
Принимают, что законы геометрической оптики применимы, когда размеры диафрагмы гораздо больше длины волны света. Но этот критерий не является достаточным, т.к. не учитывает расстояние L от экрана, т.е. точки зрения наблюдателя, до диафрагмы. При значительных L условие нарушается и видимый в эксперименте опыт отличается от того, что рассчитан при помощи геометрической оптики, даже для случая, когда отверстие есть достаточно большим.
Например. Диаметр диафрагмы D = 2 мм, что в 4000 раз больше длины волны зеленого света (λ = 500 нм = 5 • 10-7 м). Тогда D >> λ.
Однако законы геометрической оптики справедливы при L << 10-6 / 5 • 10-7 м, т.е. при L << 2 м.
На расстоянии около 2 м от диафрагмы мы увидим дифракционную картину, и тогда геометрическую оптику применить не сможем.
Таким образом, видно, что световой луч нельзя рассматривать в качестве узкого пучка, получаемого при сужении диафрагмы. Не существует бесконечно узких световых пучков, т.к. пучок света всегда имеет конечную ширину. Луч можно рассматривать в качестве оси пучка, но не самого пучка. Световой луч характеризует только направление распространения световой энергии, это чисто геометрическое понятие.
Электромагнитные колебания
