Глава IX. Основные законы геометрической оптики

§ 79. Прямолинейное распространение волн

Для решения вопроса, каким образом будет распространяться волна, мы должны, строго говоря, разобрать, как передается волновое возмущение от одной точки среды к другой, каким образом взаимодействуют между собой возмущения, вызванные отдельными частями волны, и каков будет окончательный результат этого взаимодействия. Опыт показывает, однако, что в очень многих случаях, а именно, когда размеры рассматриваемого участка волны велики по сравнению с длиной волны, ряд простых законов облегчает решение задачи о распространении волн.

Повторим опыт с волнами на воде, вызываемыми колебаниями ребра линейки , ударяющей по поверхности воды. Для того чтобы отыскать направление распространения волн, поставим па их пути преграду  с отверстием, размеры которого значительно больше, чем длина волны, так, как это изображено на рис. 87, а (см. § 41). В соответствии с изложенным в § 41 мы обнаружим, что за перегородкой волны распространяются в прямолинейном канале, проведенном через края отверстия (рис. 170). Направление этого канала и представляет собой направление распространения волны. Оно остается неизменным, если мы поставим перегородку косо (). Направление, вдоль которого распространяются волны, всегда оказывается перпендикулярным к линии, все точки которой достигаются волновым возмущением в один и тот же момент. Линию эту называют волновым фронтом. Прямая, перпендикулярная к волновому фронту (стрелка на рис. 170), указывает направление распространения волны. Эту линию мы будем называть лучом. Итак, луч есть геометрическая линия, проведенная перпендикулярно к волновому фронту и показывающая направление распространения волнового возмущения. В каждой точке волнового фронта можно провести перпендикуляр  к фронту, т. е.  луч.

Рис. 170. Волны за широким отверстием распространяются в прямолинейном «канале», проведенном через края отверстия

Рис. 171. Распространение волн через широкие отверстия в случае, когда фронт волны имеет форму окружности (размеры отверстий  преуменьшены)

В рассмотренном нами случае фронт волны имеет вид прямой линии; поэтому лучи во всех точках фронта параллельны между собой. Если повторить опыт, взяв за источник волн колеблющийся коней проволоки, то фронт волны будет иметь форму окружности. Поставив на пути такой волны преграды с отверстиями, размеры которых велики по сравнению с длиной волны, получим картину, изображенную на рис. 171. Таким образом, и в этом случае направление распространения волны совпадает с прямыми линиями, перпендикулярными к фронту волны, т. е. с направлением лучей; в данном случае лучи изображены радиусами, проведенными из точки, откуда исходят волны.