Optica geometrică este o ramură specială a opticii fizice, care nu se ocupă de natura luminii, ci studiază legile mișcării razelor de lumină în medii transparente. Să aruncăm o privire mai atentă la aceste legi în articol și să dăm, de asemenea, exemple de utilizare în practică.
Propagarea razelor în spațiu omogen: proprietăți importante
Toată lumea știe că lumina este o undă electromagnetică, care pentru unele fenomene naturale se poate comporta ca un flux de quante de energie (fenomene ale efectului fotoelectric și ale presiunii luminii). Optica geometrică, așa cum s-a menționat în introducere, se ocupă doar de legile propagării luminii, fără să se aprofundeze în natura lor.
Dacă fasciculul se mișcă într-un mediu transparent omogen sau în vid și nu întâlnește niciun obstacol în drum, atunci fasciculul de lumină se va deplasa în linie dreaptă. Această caracteristică a condus la formularea principiului celui mai mic timp (principiul lui Fermat) de către francezul Pierre Fermat la mijlocul secolului al XVII-lea.
O altă caracteristică importantă a razelor de lumină este independența lor. Aceasta înseamnă că fiecare rază se propagă în spațiu fără a „simți”un alt fascicul fără a interacționa cu acesta.
În sfârșit, a treia proprietate a luminii este schimbarea vitezei de propagare a acesteia atunci când trece de la un material transparent la altul.
Cele 3 proprietăți marcate ale razelor de lumină sunt utilizate în derivarea legilor reflexiei și refracției.
Fenomen de reflexie
Acest fenomen fizic apare atunci când un fascicul de lumină lovește un obstacol opac mult mai mare decât lungimea de undă a luminii. Faptul de reflexie este o schimbare bruscă a traiectoriei fasciculului în același mediu.
Să presupunem că un fascicul de lumină subțire cade pe un plan opac la un unghi θ1 față de N normal trasat în acest plan prin punctul în care fasciculul îl lovește. Apoi fasciculul este reflectat la un anumit unghi θ2 față de același N normal. Fenomenul de reflexie respectă două legi principale:
- Fascicul de lumină reflectat incident și normala N se află în același plan.
- Unghiul de reflexie și unghiul de incidență al unui fascicul de lumină sunt întotdeauna egale (θ1=θ2).
Aplicarea fenomenului de reflexie în optica geometrică
Legile de reflexie a unui fascicul de lumină sunt folosite atunci când se construiesc imagini ale obiectelor (reale sau imaginare) în oglinzi de diverse geometrii. Cele mai comune geometrii de oglindă sunt:
- oglindă plată;
- concav;
- convex.
Este destul de ușor să construiești o imagine în oricare dintre ele. Într-o oglindă plată, se dovedește întotdeauna a fi imaginară, are aceeași dimensiune ca obiectul în sine, este directă, în elpărțile din stânga și din dreapta sunt inversate.
Imaginile în oglinzi concave și convexe sunt construite folosind mai multe raze (paralele cu axa optică, trecând prin focar și prin centru). Tipul lor depinde de distanța obiectului față de oglindă. Figura de mai jos arată cum să construiți imagini în oglinzi convexe și concave.
Fenomenul refracției
Constă într-o rupere (refracție) a fasciculului atunci când traversează limita a două medii transparente diferite (de exemplu, apă și aer) la un unghi față de suprafață care nu este egal cu 90 o.
Descrierea matematică modernă a acestui fenomen a fost făcută de olandezul Snell și francezul Descartes la începutul secolului al XVII-lea. Notând unghiurile θ1 și θ3 pentru razele incidente și refractate în raport cu normala N în plan, scriem o expresie matematică pentru fenomen de refracție:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Cantitățile n2și n1 sunt indicii de refracție ai mediilor 2 și 1. Ei arată cât de mult este viteza luminii în mediu diferă de cel din spațiul fără aer. De exemplu, pentru apă n=1,33, iar pentru aer - 1,00029. Ar trebui să știți că valoarea lui n este o funcție a frecvenței luminii (n este mai mare pentru frecvențele mai mari decât pentru cele mai mici).
Aplicarea fenomenului de refracție în optica geometrică
Fenomenul descris este folosit pentru a construi imagini înlentile subțiri. O lentilă este un obiect dintr-un material transparent (sticlă, plastic etc.) care este delimitat de două suprafețe, dintre care cel puțin una are curbură diferită de zero. Există două tipuri de lentile:
- adunare;
- împrăștiere.
Lentilele convergente sunt formate dintr-o suprafață sferică (sferică) convexă. Refracția razelor de lumină în ele are loc în așa fel încât să colecteze toate razele paralele într-un punct - focalizarea. Suprafețele de împrăștiere sunt formate din suprafețe transparente concave, așa că după trecerea razelor paralele prin ele, lumina este împrăștiată.
Construcția imaginilor în lentile în tehnica sa este similară cu construcția imaginilor în oglinzi sferice. De asemenea, este necesar să se utilizeze mai multe fascicule (paralele cu axa optică, trecând prin focar și prin centrul optic al lentilei). Natura imaginilor obținute este determinată de tipul de lentilă și de distanța obiectului față de aceasta. Figura de mai jos prezintă tehnica de obținere a imaginilor unui obiect în lentile subțiri pentru diferite cazuri.
Dispozitive care funcționează conform legilor opticii geometrice
Cea mai simplă dintre ele este o lupă. Este o singură lentilă convexă care mărește obiectele reale de până la 5 ori.
Un dispozitiv mai sofisticat, care este folosit și pentru a mări obiecte, este un microscop. Este deja format dintr-un sistem de lentile (cel puțin 2 lentile convergente) și vă permite să obțineți o creștere ade câteva sute de ori.
În sfârșit, al treilea instrument optic important este un telescop folosit pentru a observa corpurile cerești. Poate consta atât dintr-un sistem de lentile, apoi se numește telescop refractiv, cât și dintr-un sistem oglindă - un telescop reflectorizant. Aceste nume reflectă principiul activității sale (refracție sau reflexie).
