Геометрическая оптика - это раздел физики изучающий законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о световом луче.

Световой луч - это линия, указывающая направление распространения световой энергии.

Геометрическая оптика позволила успешно объяснить многие явления, наблюдающиеся при прохождении света в различных средах. К таким явлениям относятся, например, искривление лучей в земной атмосфере, образование радуг и миражей. Геометрическая оптика позволяет изучать и определять закономерности и правила построения изображений. Её методы широко используются при расчётах и конструировании разнообразных оптических приборов.

Вместе с тем законы геометрической оптики не могут объяснить происхождение многих важных оптических эффектов, таких, например, как дифракция, интерференция и поляризация света.

Помимо светового луча к основным понятиям геометрической оптики можно отнести так же: понятия точечного и протяженного источников света. Точечным - будем называть источник света, линейные размеры которого много меньше расстояний на которых оценивается действие этого источника света. Протяженным - называется источник света, линейные размеры которого сравнимы с расстояниями, на которых оценивается его действие, кроме того, протяженный источник света можно представить как совокупность точечных источников.

Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света. Рассмотрим первый, известный с глубокой древности закон геометрической оптики - закон прямолинейного распространения света. В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. То есть световой луч представляет собой прямую линию.

Примером использования закона прямолинейного распространения света является строительство Парфенона в Греции.

Рис. 74-01. Храм Парфенон до реконструкции 2010 года.

Чтобы колонны расположить на одной линии, необходимо, чтобы каждая последующая колонна закрывала собой предыдущую в луче зрения. Этот метод используется до сих пор при небольших масштабах не промышленного строительства.

Следствием закона прямолинейного распространения света является образование тени и полутени.С этими явлениями мы достаточно часто встречаемся в окружающем нас мире. Тени людей, деревьев, зданий и других предметов хорошо наблюдаются на земле в солнечный день. Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны, когда Луна попадает в тень Земли.

Рис. 74-02. Механизм образования лунного затмения.

Рассмотрим механизмы образования тени и полутени.

Расположим на некотором расстоянии друг от друга, точечный источник света и экран, таким образом свет от источника попадает в каждую точку экрана. Если между точечным источником света S и экраном разместить непрозрачное тело, например мячик, то на экране увидим темное изображение очертаний этого тела - тёмный круг, поскольку за ним образовалась тень - пространство, куда не попадается свет от источника S.

Рис.74-03. Механизм образования тени.

Если бы свет распространялся не прямолинейно и луч не был бы прямой линией, то тень могла бы не образоваться или имела бы другую форму и размеры.

Чётко ограниченную тень, которая получена в описанном опыте, мы видим в жизни не всегда. Такая тень образовалась, потому что в качестве источника света мы использовали точечный источник (например лампочку фонарика), размеры которого намного меньше, чем расстояние от него до экрана.

Если в качестве источника света взять такой, размеры которого сравнимы с расстоянием от него до экрана, то вокруг тени на экране образуется еще и частично освещенное пространство - полутень.

Рис. 74-04. Механизм образования полутени.

Образование полутени не противоречит закону прямолинейного распространения света, а, наоборот, подтверждает его. Ведь в данном случае источник света нельзя считать точечным. Он состоит из множества точек и каждая из них испускает лучи. Поэтому на экране имеются области, в которые свет от одних точек источника попадает, а от других не попадает. Таким образом эти области экрана освещены лишь частично, там и образуется полутень. В центральную область экрана не попадает свет ни от одной точки лампы, там наблюдается полная тень. На рисунке в область полутени, расположенную выше тени, будут попадать лучи, идущие от верхних участков источника, ниже тени - от нижних точек источника и т.д. На основании этого можно утверждать, что полутень - это область пространства, в которую попадают лучи только от некоторых точек протяженного источника. Другими словами, если глаз поместить в область полутени, то человек будет видеть только часть протяженного источника света, например глаз размещенный в верхней части полутени на рисунке будет видеть источник в виде месяца обращенного лучами вниз. 

Ответ: Угловая высота Солнца составляет 56º. 

------------------------------------------------------------------

Ответ: Высота дерева - 12 м. 

------------------------------------------------------------------

Задача №3 На ровной горизонтальной площадке стоят два вертикальных столба. Высота первого столба 3 м, высота второго - 1 м. Может ли тень первого столба быть короче, чем тень второго столба, если источником света является:

а) Солнце,

б) фонарь?

Сделайте схематические рисунки, поясняющие ваш ответ.

Ответ: а) не может, б) может. 

------------------------------------------------------------------

Прямолинейностью распространения света пользуются при проведении прямых линий на поверхности земли и под землей в метро, при определении расстояний на земле, на море и в воздухе. Когда контролируют прямолинейность изделий по лучу зрения, то опять-таки используют прямолинейность распространения света. Весьма вероятно, что и само понятие о прямой линии возникло из представления о прямолинейном распространении света.

Однако, тщательные эксперименты показали,  что закон прямолинейного распространения света нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстие. Это означает, что закон прямолинейного распространения света имеет предел применимости.