Geometrisk optik är en speciell gren av fysisk optik, som inte behandlar ljusets natur, utan studerar rörelselagarna för ljusstrålar i transparenta medier. Låt oss titta närmare på dessa lagar i artikeln och även ge exempel på hur de används i praktiken.
Strålspridning i homogent utrymme: viktiga egenskaper
Alla vet att ljus är en elektromagnetisk våg, som för vissa naturfenomen kan bete sig som en ström av energikvanta (fenomen med fotoelektrisk effekt och ljustryck). Geometrisk optik, som nämnts i inledningen, handlar endast om lagarna för ljusutbredning, utan att fördjupa sig i deras natur.
Om strålen rör sig i ett homogent transparent medium eller i vakuum och inte stöter på några hinder på sin väg, så kommer ljusstrålen att röra sig i en rak linje. Detta drag ledde till att fransmannen Pierre Fermat formulerade principen om minsta tid (Fermats princip) i mitten av 1600-talet.
En annan viktig egenskap hos ljusstrålar är deras oberoende. Detta betyder att varje stråle fortplantar sig i rymden utan att "känna"en annan stråle utan att interagera med den.
Ljusets tredje egenskap är slutligen förändringen i hastigheten för dess fortplantning när den flyttas från ett transparent material till ett annat.
De markerade 3 egenskaperna hos ljusstrålar används för att härleda lagarna för reflektion och brytning.
Reflektionsfenomen
Det här fysiska fenomenet uppstår när en ljusstråle träffar ett ogenomskinligt hinder som är mycket större än ljusets våglängd. Faktumet med reflektion är en skarp förändring av strålens bana i samma medium.
Anta att en tunn ljusstråle faller på ett ogenomskinligt plan i en vinkel θ1 mot normal-N som dras till detta plan genom punkten där strålen träffar den. Därefter reflekteras strålen i en viss vinkel θ2 till samma normala N. Reflexionsfenomenet lyder två huvudlagar:
- Den infallande reflekterade ljusstrålen och N-normalen ligger i samma plan.
- Reflexionsvinkeln och infallsvinkeln för en ljusstråle är alltid lika (θ1=θ2).
Tillämpning av fenomenet reflektion i geometrisk optik
Reflexionslagarna för en ljusstråle används när man konstruerar bilder av objekt (verkliga eller imaginära) i speglar med olika geometrier. De vanligaste spegelgeometrierna är:
- platt spegel;
- konkav;
- konvex.
Det är ganska enkelt att bygga en bild i någon av dem. I en platt spegel visar det sig alltid vara imaginärt, har samma storlek som själva föremålet, är direkt, i detvänster och höger sida är omvända.
Bilder i konkava och konvexa speglar är byggda med hjälp av flera strålar (parallellt med den optiska axeln, passerar genom fokus och genom mitten). Deras typ beror på objektets avstånd från spegeln. Bilden nedan visar hur man bygger bilder i konvexa och konkava speglar.
Fenomenet brytning
Den består av ett brott (brytning) av strålen när den korsar gränsen för två olika transparenta medier (till exempel vatten och luft) i en vinkel mot ytan som inte är lika med 90 o.
Den moderna matematiska beskrivningen av detta fenomen gjordes av holländaren Snell och fransmannen Descartes i början av 1600-talet. Genom att beteckna vinklarna θ1 och θ3 för infallande och brutna strålar i förhållande till det normala N till planet, skriver vi ett matematiskt uttryck för brytningsfenomen:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 3).
Mängderna n2och n1är brytningsindexen för media 2 och 1. De visar hur mycket ljusets hastighet i mediet skiljer sig från det i luftlöst utrymme. Till exempel, för vatten n=1,33 och för luft - 1,00029. Du bör veta att värdet på n är en funktion av ljusets frekvens (n är större för högre frekvenser än för lägre).
Tillämpning av fenomenet refraktion i geometrisk optik
Det beskrivna fenomenet används för att bygga in bildertunna linser. En lins är ett föremål gjord av ett genomskinligt material (glas, plast, etc.) som är avgränsat av två ytor, varav åtminstone en har en krökning som inte är noll. Det finns två typer av linser:
- samling;
- spridning.
Konvergerande linser bildas av en konvex sfärisk (sfärisk) yta. Brytningen av ljusstrålar i dem sker på ett sådant sätt att de samlar alla parallella strålar på en punkt - fokus. Spridningsytor bildas av konkava transparenta ytor, så efter passage av parallella strålar genom dem sprids ljus.
Konstruktion av bilder i linser i sin teknik liknar konstruktionen av bilder i sfäriska speglar. Det är också nödvändigt att använda flera strålar (parallellt med den optiska axeln, passerar genom fokus och genom linsens optiska centrum). Typen av de erhållna bilderna bestäms av typen av lins och objektets avstånd till det. Bilden nedan visar tekniken för att få bilder av ett föremål i tunna linser för olika fall.
Enheter som fungerar enligt lagarna för geometrisk optik
Den enklaste av dem är ett förstoringsglas. Det är en enda konvex lins som förstorar verkliga föremål upp till 5 gånger.
En mer sofistikerad enhet, som också används för att förstora objekt, är ett mikroskop. Den består redan av ett linssystem (minst 2 konvergerande linser) och låter dig få en ökning iflera hundra gånger.
Slutligen är det tredje viktiga optiska instrumentet ett teleskop som används för att observera himlakroppar. Det kan bestå av både ett linssystem, då kallas det för ett refraktivt teleskop, och ett spegelsystem - ett reflekterande teleskop. Dessa namn återspeglar principen för dess arbete (brytning eller reflektion).
