Общая физика и некоторые аспекты физической метеорологии. Ч. 4 : Оптика. Некоторые элементы атомной физики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
Ж.В. Рыбакова, В.Г. Блинкова 
 
ОБЩАЯ ФИЗИКА 
И НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ 
ФИЗИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ 
 
Часть 4. Оптика.  
Некоторые элементы атомной физики 
 
Учебное пособие 
 
Научный редактор  
д-р физ.-мат. наук Б.Д. Белан 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательский Дом Томского государственного университета 
2020 
 

Общая физика и некоторые аспекты физической метеорологии. Часть 4 

2 

УДК 530.1: 551.51 (075.8) 
ББК 22.3: 26.23 (я 73) 
         Р93 
 
Рецензенты: 
канд. физ.-мат. наук Е.В. Харюткина, 
канд. физ.-мат. наук О.В. Раводина 
 
Рыбакова Ж.В., Блинкова В.Г. 
Р93    Общая физика и некоторые аспекты физической 
метеорологии. Ч. 4: Оптика. Некоторые элементы атомной  
физики : учеб. пособие / науч. ред. Б.Д. Белан. – Томск :  
Издательский Дом Томского государственного университета, 
2020. – 236 с. 

 
ISBN 978-5-94621-902-0 
 
Учебное пособие содержит основные разделы курса «Общая физика» 
для студентов, обучающихся по направлению «Гидрометеорология», и некоторые аспекты физической метеорологии. Проводится органическая 
связь упомянутых выше курсов.  
Для студентов направления «Гидрометеорология», а также студентов 
смежных специальностей очной и заочной форм обучения. 
 
УДК 530.1: 551.51 (075.8) 
ББК 22.3: 26.23 (я73) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-94621-902-0                        © Рыбакова Ж.В., Блинкова В.Г., 2020 
                                                                 © Томский государственный университет, 2020 
 

1. Природа света. Геометрическая оптика 

3 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Разделы физики Оптика и Атомная физика достаточно сложны 
для восприятия студентов, не обучающихся на физических факультетах. Сложны, в первую очередь, потому, что студентыметеорологи, например, не считают указанные разделы нужными 
для получения выбранной специальности. 
К слову сказать, все разделы курса Общая физика необходимы 
для полного понимания процессов, протекающих в атмосфере. Другое дело, в силу небольшого количества часов, отведённых на данный курс, преподавателям, его ведущим, приходится либо сокращать какие-то разделы, либо излагать все разделы, но недостаточно 
глубоко. Авторы настоящего пособия постарались преодолеть сложившиеся трудности. Если какие-то разделы не были изложены в 
лекционной части курса, студенты могут обратиться к данному пособию и включить этот упущенный материал в свой актив для понимания процессов и явлений в атмосфере. 
 
 

Общая физика и некоторые аспекты физической метеорологии. Часть 4 

4 

 
 
1. ПРИРОДА СВЕТА.  
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА 
 
Оптика как учение о свете первоначально возникла вследствие 
попытки ответить на вопрос, почему человек может видеть окружающие предметы. Некоторые древнерусские философы полагали, 
что рассматривание окружающих предметов глазом аналогично до 
некоторой степени ощупыванию их рукой (отсюда выражения 
«ощупать взглядом», «проникнуть взором» появились из этих соображений). Вместе с тем в той же Древней Греции было высказано мнение о том, что свет исходит от тел. 
Некоторые тела при определённых условиях становятся источниками света, который, попадая в наш глаз, вызывает определённое зрительное ощущение. Другие тела становятся видимыми благодаря тому, что они поглощают свет или меняют направление его 
распространения (отражают, рассеивают). Таким образом, слово 
«свет» стало использоваться для обозначения того объективного, 
происходящего вне нас, явления, которое, воздействуя на глаз, вызывает субъективное зрительное ощущение. 
В настоящее время слово «свет» в физике употребляется для 
обозначения широкой совокупности единых по своей природе объективных явлений, сводящихся к распространению коротких электромагнитных волн, независимо от того, способны ли они вызвать у 
человека субъективное зрительное ощущение или нет. Иными словами, в широком, чисто физическом смысле под словом «свет» понимается лучистая энергия любой области спектра, а в узком, субъективном, смысле слова – только видимая часть спектра. 
Одним из основных свойств света является его прямолинейное 
распространение в однородном веществе. Само понятие о прямой 
линии, по-видимому, возникло из оптических наблюдений. 

1. Природа света. Геометрическая оптика 

5 

Прямолинейность распространения света вытекает из того факта, что при малом источнике света непрозрачные предметы отбрасывают резкие тени. Форма этих теней на экране соответствует 
форме геометрических проекций предметов. Однако, уже начиная 
с XVII в., были известны факты, указывающие на отклонения от 
прямолинейного распространения света. В частности, было замечено, что при прохождении света через очень узкие отверстия в 
непрозрачном экране за экраном наблюдаются чередующиеся 
светлые и тёмные полосы. В настоящее время эти явления получили названия интерференции и дифракции. 
Вместе с тем во многих случаях свет с достаточной степенью 
точности можно считать распространяющимся прямолинейно. 
Прямолинейность распространения света наводила физиков на 
мысль о том, что свет представляет собой поток частиц, однако эту 
гипотезу было трудно согласовать с явлениями загибания света в 
область геометрической тени. В результате к концу XVII в. возникли две теории относительно природы света: 
1) корпускулярная теория Ньютона, согласно которой свет 
представляет собой поток прямолинейно летящих частиц, испускаемых источником света; 
2) волновая теория Гюйгенса, утверждающая, что свет – распространение волн в эфире; волновая теория представляет свет в 
виде механических упругих колебаний среды (эфира). 
Лишь в XIX в. после открытия электромагнитных волн возникла электромагнитная теория света. Сегодня принято считать, 
что свет обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами. Такой подход к природе света даёт возможность объяснить те проявления света, которые наблюдаются в 
реальности. 
Рассмотрим законы отражения и преломления света. Эти законы характеризуют направление распространения света при отражении и при переходе света из одного прозрачного вещества в 
другое.  

Общая физика и некоторые аспекты физической метеорологии. Часть 4 

6 

1. Закон отражения: отражённый луч BC (рис. 1.1) лежит в одной плоскости с падающим лучом AB и нормалью BN, восстановленной из точки падения, при этом он лежит по другую сторону от 
нормали относительно падающего луча; угол отражения αчисленно равен углу падения α: 

α = α.                                            (1.1) 

 
 
Рис. 1.1. Отражение и преломление лучей 
 на границе двух прозрачных веществ 
 
2) Закон преломления: преломлённый луч BD лежит в одной 
плоскости с падающим углом AB и нормалью BN, восстановленной из точки падения; отношение синуса угла падения α к синусу 
угла преломления β есть величина постоянная для данной пары 
веществ: 

sinα
sin β = , 
(1.2)

где – относительный показатель преломления второго вещества по отношению к первому. Показатель преломления какого

1. Природа света. Геометрическая оптика 

7 

либо вещества по отношению к пустоте называется абсолютным 
показателем преломления данного вещества (n). Относительный 
показатель преломления двух веществ равен отношению их абсолютных показателей преломления: 

= . 
(1.3)

Тогда закон преломления света будет иметь вид 

sin α
sin β =  
(1.4)

или 

 sin α = sin β.                                     (1.5) 

Свет отражается от всякого тела, а не только от границы раздела прозрачных веществ. Полированные тела отражают свет с выполнением того же закона отражения, который имеет место при 
отражении в направлении угла α(α= α). Такое отражение называется зеркальным. 
Интенсивность отражённого света от разных поверхностей может отличаться весьма значительно. Так, например, серебряное 
полированное зеркало может отражать до 96% падающего света, а 
чёрная полированная поверхность – менее 1% падающего света. 
Существует также диффузное отражение, при котором свет отражается более или менее равномерно во все стороны. 
Поверхность, которая вполне равномерно рассеивает падающий 
свет во все стороны, называется абсолютно матовой. К свойствам 
такой поверхности близки, например, поверхности чертёжной бумаги, снега и т.п. Вместе с тем абсолютно зеркальных, как и абсолютно матовых, поверхностей не существует. 
Рассмотрим явление полного внутреннего отражения. При прохождении света из вещества, оптически более плотного, в вещество, оптически менее плотное (например, из воды в воздух), пре

Общая физика и некоторые аспекты физической метеорологии. Часть 4 

8 

ломлённый луч отходит от нормали (рис. 1.2). При этом существует 
такой угол падения α <
, при котором угол преломления β =
, 
т.е. преломлённый луч становится скользящим (рис. 1.2). Этот 
определённый для каждой среды угол падения, при котором угол 
преломления становится равным 
, называется углом полного 

внутреннего отражения.  
При дальнейшем отклонении падающего луча от нормали (к 
границе раздела двух сред с разной оптической плотностью) может сложиться явление полного внутреннего отражения, при котором преломление отсутствует – свет возвращается в оптически более плотную среду, не проникая в оптически менее плотную среду.  
 

 
                а                                б                                в                                г 
 
Рис. 1.2. Возникновение полного внутреннего отражения 

 
Это связано с тем, что по мере приближения угла падения к 
значению αпред интенсивность преломлённого луча падает, а интенсивность отражённого луча возрастает. 
Из (1.5) следует, что при β =

sinαпред = . 
(1.6)

Приведённое равенство выполняется лишь при условии ≤ , 
откуда следует, что полное внутреннее отражение возможно лишь 

1. Природа света. Геометрическая оптика 

9 

при прохождении света из вещества, оптически более плотного, в 
вещество, оптически менее плотное. 
Законы отражения и преломления света, вытекающие из его 
прямолинейного распространения, могут быть объяснены с точки 
зрения волновой теории, в основе которой лежит принцип Гюйгенса.  
Согласно принципу Гюйгенса, всякая точка, до которой дошёл 
волновой фронт, может рассматриваться как самостоятельный источник элементарных волн; новый фронт волны представляет собой огибающую линию всех возникших элементарных полусферических волн. 
Пусть на границу раздела двух веществ с коэффициентами преломления n1 и n2 падает плоский волновой фронт AB (рис. 1.3). Согласно принципу Гюйгенса, все точки границы раздела, до которых доходит волновой фронт, становятся источниками новых сферических волн. Прежде всего, фронт волны на границе раздела достигает точки A. Пока второй край фронта (B) дойдёт до границы 
раздела в точке C, около точки A образуется полусферическая волна радиуса AD = BC, распространяющаяся обратно в первое вещество. Около промежуточных точек границы раздела возникнут полусферические волны меньшего радиуса. DC – плоскость, касательная к элементарным полусферическим волнам, которая определяет направление фронта отражённых волн. 
Рассмотрим два прямоугольных треугольника – ABC и ADC. 
Они равны, так как имеют общую гипотенузу и равные катеты 
(AD = BC), поэтому: 

∠BAC = ∠DCA.                                      (1.7) 

В (1.7) ∠BAC = ∠как углы с взаимно перпендикулярными 
сторонами, а ∠DCA = ∠, также как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. В результате 

α = α.                                               (1.8) 

Общая физика и некоторые аспекты физической метеорологии. Часть 4 

10 

(1.8) – закон отражения. Докажем теперь закон преломления на 
границе двух сред. С этой целью введём скорости распространения 
света в обоих веществах – и . 
 

 
 
Рис. 1.3. Образование отражённых и преломлённых  
волн на границе двух прозрачных веществ 
 
Пусть за то время, пока в первом веществе край фронта B распространялся от точки B до точки C, во втором веществе около 
точки A возникла элементарная полусферическая волна радиуса 
AE (рис. 1.3). Тогда касательная плоскость EC определит положение фронта преломлённых волн. Поскольку полусферические волны с радиусами AD и AE возникли за одно и то же время, указанные радиусы можно представить в виде 

= ,                                       (1.9) 

= ,                                    (1.10) 
следовательно: 

= , 
(1.11)