Объясняя мир. Истоки современной науки

Чтобы получить такой результат, допустим, что свет проходит от точки P_A в среде A, где скорость света равна v_A, к точке P_B в среде B, в которой скорость света равна v_B. Для простоты описания задачи предположим, что поверхность границы раздела сред горизонтальна. Обозначим углы между направлениями лучей света в первой и второй средах и вертикалью i и r соответственно. Если точки P_A и P_B находятся на соответствующих вертикальных расстояниях d_A и b_B от границы раздела, то горизонтальные промежутки между этими точками и той точкой, где луч пересекает поверхность, равны, соответственно, d_A tg i и d_B tg r, где символ «tg» обозначает функцию тангенса угла, отношения длины противолежащего катета к длине прилежащего катета в прямоугольном треугольнике (см. рис. 21). Хотя мы не фиксируем заранее эти два расстояния, их сумма нам известна – это горизонтальное расстояние L между точками P_A и P_B:

Чтобы вычислить время t, которое требуется свету для преодоления пути из P_A в P_B, обратим внимание, что пройденное им расстояние в средах A и B равняется d_A/cos i и d_B/cos r, соответственно, где «cos» – обозначение функции косинуса угла, отношения длины прилежащего к углу катета к гипотенузе в прямоугольном треугольнике. Время равно расстоянию, деленному на скорость, поэтому полное время будет таково:

Нам необходимо найти общую зависимость между углами i и r (не включающую параметры L, d_A или d_B), которая удовлетворяет условиям: угол i таков, что общее время t минимально, а величина r связана с величиной i таким образом, что L остается фиксированным. Для этого введем в рассмотрение δi, ничтожно малое изменение δ (дельта) угла падения луча i. Так как горизонтальное расстояние между P_A и P_B постоянно, при изменении угла i на δi угол преломления r также должен измениться, допустим, на величину δr, при условии сохранения расстояния L. Также в точке минимума функции времени t в зависимости от угла i график этой функции должен иметь горизонтальный участок, поскольку, если t в какой-то точке увеличивается или уменьшается, значит, его минимальное значение соответствует какому-то другому значению аргумента i, где сама функция t меньше. Это означает, что изменение t, вызванное ничтожно малым изменением угла δi, обращается в ноль, по крайней мере с точностью до первого порядка величины δi.

Рис. 21. Путь луча света, испытывающего преломление. Горизонтальной линией отмечена граница двух прозрачных сред A и B, в которых свет имеет различные скорости v_A и v_B. Углы i и r измеряются между направлениями светового луча и вертикальной штриховой линией, обозначающей перпендикуляр к границе раздела сред. Сплошная линия со стрелками отмечает путь следования луча из точки P_A в среде A до точки P на границе раздела сред и затем до точки P_B в толще среды B.

Поэтому, чтобы найти путь, для прохождения которого свету требуется наименьшее время, мы можем ввести условие: при одновременном изменении i и r изменения δL и δt должны оставаться нулевыми с точностью до первого порядка величин δi и δr.

Чтобы удовлетворить ему, нам необходимо взять пару стандартных формул дифференциального исчисления для бесконечно малых изменений значений функций δ tg θ (тета) и δ (1/cos θ), которые получаются, когда мы изменяем угол-аргумент θ на бесконечно малую величину δθ:

где R = 360°/2π = 57,293…° в случае, когда θ измеряется в градусах (это угол размером в один радиан. При измерении углов в радианах R = 1). По этим формулам мы находим изменения L и t в случае, когда мы меняем углы i и r на бесконечно малые величины δi и δr:

Заданное условие δL = 0 говорит нам, что

поэтому:

Полученное выражение приравнивается к нулю, если удовлетворяется равенство

или, иначе говоря,

причем показатель преломления n получается из отношения скоростей, не зависящего от углов:

n = v_A / v_B.

Это и есть истинный закон преломления света, в котором формула для показателя преломления n верна.

29. Теория радуги

Пусть луч света проникает в сферическую каплю дождя в некоторой точке P на ее поверхности, образуя угол i с нормалью (перпендикуляром) к ее поверхности в этой точке. Если бы преломления света не было, луч продолжал бы идти дальше сквозь каплю по прямой. В этом случае радиус, проведенный из центра капли C к точке Q, лежащей на этой прямой в том месте, где она наиболее близко пролегает к центру капли, образовывал бы с лучом прямой угол, поэтому треугольник PCQ был бы прямоугольным с гипотенузой, равной радиусу капли R, и углом при точке P, равным i (см. рис. 22а). Определим прицельный параметр b как расстояние наибольшего тесного сближения непреломленного луча с центром капли, то есть катетом CQ в этом треугольнике, который по правилам элементарной тригонометрии равен:

b =Rsin i.

С точки зрения положения точки входа в каплю отдельные лучи света можно одинаково хорошо охарактеризовать присущим им отношением b/R, как делал Декарт, или же по значению угла падения i.