3.2. Деякі задачі геометричної оптики зручно розв’язувати, користуючись принципом Ф

який був сформульований в 1660 році французьким математиком Ферма: світло поширюється по такому шляху, на подолання якого йому необхідний мінімальний час.

Нехай світло поширюється в середовищі з показником заломлення n. Тоді швидкість світла в цьому середовищі дорівнює: v, де c швидкість світла у вакуумі.

,

де S геометрична довжина шляху, оптична довжина шляху. Отже, оптичною довжиною шляху називають добуток геометричної довжини шляху на показник заломлення середовища, в якому поширюється світловий промінь.

Нехай світло проходить кілька середовищ з показниками заломлення (мал. 3.5). З точки А світло потрапляє в точку В шляхом АМNB, для подолання якого час

повинен мати найменше значення. Оскільки швидкість світла у вакуумі є величина стала, то принцип Ферма можна сформулювати так: світло поширюється по такому шляху, оптична довжина якого є мінімальною.

Виявляється, що чотири закони геометричної оптики є наслідком принципу Ферма: закон прямолінійного поширення світла оскільки мінімальний оптичний шлях між двома точками середовища являє собою пряму, то в однорідному прозорому середовищі світло поширюється прямолінійно; закон оборотності світлових променів оптичний шлях, який є мінімальним під час поширення світла з точки 1 в точку 2, буде мінімальним й під час поширення світла з точки 2 в точку 1.

Одержимо за допомогою принципу Ферма закон відбивання світла.

Визначимо на поверхні MN положення іншої точки О', яку треба з’єднати з точками А, В і В'. Трикутник ВО'В' є також рівнобедреним, тому ВО' = О'В. Тоді довжини шляхів від точки А до точки В записуються так:

АО + ОВ = АО + О'В', АО' + О'В = АО' + О'В'.

Лінія АОВ' є прямою, лінія АО'В' є ламаною при будь-якому положенні точки О'. Оскільки будь-яка ламана завжди більша за пряму між тими самими точками, то тоді маємо:

АО + ОВ < АО' + О'В.

Отже, геометричний та оптичний шлях АОВ є найменшим. При цьому АОК () = ОВ'С, тому що ОК ВВ', АВ' – січна. КОВ () = ОВС, оскільки ОК СВ, ОВ – січна. Але ОВС = ОВ'С, тому що трикутник ВОВ' є рівнобедреним. Тому АОК () = КОВ (). Таким чином, кут падіння дорівнює куту відбивання .

Одержимо за допомогою принципу Ферма закон заломлення світла. Нехай світловий промінь поширюється з менш оптично густого середовища () від точки А в більш оптично густе середовище () до точки В (мал. 3.7). Для будь-якого променя оптична довжина шляху дорівнює:

.

Щоб знайти мінімальне значення оптичної довжини шляху, знайдемо першу похідну від L по x та прирівняємо її до нуля:

.

Оскільки то або .