Geometrisk optikk er en spesiell gren av fysisk optikk, som ikke omhandler lysets natur, men studerer bevegelseslovene til lysstråler i transparente medier. La oss se nærmere på disse lovene i artikkelen, og gi eksempler på hvordan de brukes i praksis.
Stråleutbredelse i homogent rom: viktige egenskaper
Alle vet at lys er en elektromagnetisk bølge, som for noen naturfenomener kan oppføre seg som en strøm av energikvanter (fenomener med fotoelektrisk effekt og lystrykk). Geometrisk optikk, som nevnt i introduksjonen, omhandler kun lovene for lysutbredelse, uten å fordype seg i deres natur.
Hvis strålen beveger seg i et homogent gjennomsiktig medium eller i vakuum og ikke møter noen hindringer på veien, vil lysstrålen bevege seg i en rett linje. Dette trekket førte til formuleringen av prinsippet om minste tid (Fermats prinsipp) av franskmannen Pierre Fermat på midten av 1600-tallet.
En annen viktig egenskap ved lysstråler er deres uavhengighet. Dette betyr at hver stråle forplanter seg i rommet uten å "føle"en annen stråle uten å samhandle med den.
Til slutt, den tredje egenskapen til lys er endringen i hastigheten på dets forplantningshastighet når det beveger seg fra ett gjennomsiktig materiale til et annet.
De markerte 3 egenskapene til lysstråler brukes i utledningen av lovene for refleksjon og brytning.
Refleksjonsfenomen
Dette fysiske fenomenet oppstår når en lysstråle treffer en ugjennomsiktig hindring som er mye større enn lysets bølgelengde. Faktumet med refleksjon er en skarp endring i banen til strålen i samme medium.
Anta at en tynn lysstråle faller på et ugjennomsiktig plan i en vinkel θ1 til normalen N trukket til dette planet gjennom punktet der strålen treffer den. Deretter reflekteres strålen i en viss vinkel θ2 til samme normale N. Refleksjonsfenomenet følger to hovedlover:
- Hendelsens reflekterte lysstråle og N-normalen ligger i samme plan.
- Refleksjonsvinkelen og innfallsvinkelen til en lysstråle er alltid like (θ1=θ2).
Anvendelse av fenomenet refleksjon i geometrisk optikk
Refleksjonslovene til en lysstråle brukes når man konstruerer bilder av objekter (virkelige eller imaginære) i speil med forskjellige geometrier. De vanligste speilgeometriene er:
- flat speil;
- concave;
- konveks.
Det er ganske enkelt å bygge et bilde i noen av dem. I et flatt speil viser det seg alltid å være imaginært, har samme størrelse som selve objektet, er direkte, i detvenstre og høyre side er omvendt.
Bilder i konkave og konvekse speil er bygget ved hjelp av flere stråler (parallell med den optiske aksen, som går gjennom fokuset og gjennom midten). Deres type avhenger av avstanden til objektet fra speilet. Figuren nedenfor viser hvordan du bygger bilder i konvekse og konkave speil.
Fenomenet refraksjon
Den består i et brudd (brytning) av strålen når den krysser grensen til to forskjellige transparente medier (for eksempel vann og luft) i en vinkel til overflaten som ikke er lik 90 o.
Den moderne matematiske beskrivelsen av dette fenomenet ble laget av nederlenderen Snell og franskmannen Descartes på begynnelsen av 1600-tallet. Ved å angi vinklene θ1 og θ3 for hendelsen og de refrakterte strålene i forhold til normalen N til planet, skriver vi et matematisk uttrykk for refraksjonsfenomen:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 3).
Mengdene n2og n1er brytningsindeksene til media 2 og 1. De viser hvor mye lysets hastighet i mediet skiller seg fra det i luftløs plass. For eksempel, for vann n=1,33, og for luft - 1,00029. Du bør vite at verdien av n er en funksjon av lysets frekvens (n er større for høyere frekvenser enn for lavere).
Anvendelse av brytningsfenomenet i geometrisk optikk
Det beskrevne fenomenet brukes til å bygge inn bildertynne linser. En linse er en gjenstand laget av et gjennomsiktig materiale (glass, plast, etc.) som er avgrenset av to overflater, hvorav minst en har en krumning som ikke er null. Det finnes to typer linser:
- samling;
- spredning.
Konvergerende linser er dannet av en konveks sfærisk (sfærisk) overflate. Brytningen av lysstråler i dem skjer på en slik måte at de samler alle parallelle stråler på ett punkt - fokuset. Spredningsflater dannes av konkave gjennomsiktige overflater, så etter passasje av parallelle stråler gjennom dem, spres lyset.
Konstruksjon av bilder i linser i sin teknikk ligner på konstruksjonen av bilder i sfæriske speil. Det er også nødvendig å bruke flere stråler (parallell med den optiske aksen, som går gjennom fokuset og gjennom det optiske senteret av linsen). Naturen til de oppnådde bildene bestemmes av typen linse og avstanden til objektet til det. Figuren nedenfor viser teknikken for å få bilder av et objekt i tynne linser for ulike tilfeller.
Enheter som fungerer i henhold til lovene for geometrisk optikk
Den enkleste av dem er et forstørrelsesglass. Det er en enkelt konveks linse som forstørrer virkelige objekter opptil 5 ganger.
En mer sofistikert enhet, som også brukes til å forstørre objekter, er et mikroskop. Den består allerede av et linsesystem (minst 2 konvergerende linser) og lar deg få en økning iflere hundre ganger.
Til slutt, det tredje viktige optiske instrumentet er et teleskop som brukes til å observere himmellegemer. Det kan bestå av både et linsesystem, da kalles det et refraktivt teleskop, og et speilsystem - et reflekterende teleskop. Disse navnene gjenspeiler prinsippet for dets arbeid (brytning eller refleksjon).
