Geometrijska optika je posebna grana fizičke optike, koja se ne bavi prirodom svjetlosti, već proučava zakone gibanja svjetlosnih zraka u prozirnim medijima. Pogledajmo pobliže ove zakone u članku, a također navedite primjere njihove uporabe u praksi.
Propagacija zraka u homogenom prostoru: važna svojstva
Svima je poznato da je svjetlost elektromagnetski val, koji se za neke prirodne pojave može ponašati kao struja energetskih kvanta (fenomeni fotoelektričnog efekta i svjetlosnog pritiska). Geometrijska optika, kao što je navedeno u uvodu, bavi se samo zakonima širenja svjetlosti, bez upuštanja u njihovu prirodu.
Ako se snop kreće u homogenom prozirnom mediju ili u vakuumu i ne naiđe na prepreke na svom putu, tada će se svjetlosni snop kretati pravocrtno. Ova značajka dovela je do formulacije principa najmanjeg vremena (Fermatov princip) od strane Francuza Pierrea Fermata sredinom 17. stoljeća.
Još jedna važna značajka svjetlosnih zraka je njihova neovisnost. To znači da se svaka zraka širi u prostoru bez "osjećaja"drugu zraku bez interakcije s njom.
Konačno, treće svojstvo svjetlosti je promjena brzine njenog širenja pri kretanju s jednog prozirnog materijala na drugi.
Označena 3 svojstva svjetlosnih zraka koriste se u izvođenju zakona refleksije i loma.
Fenomen refleksije
Ovaj fizički fenomen nastaje kada svjetlosni snop udari u neprozirnu prepreku mnogo veću od valne duljine svjetlosti. Činjenica refleksije je oštra promjena putanje snopa u istom mediju.
Pretpostavimo da tanak snop svjetlosti pada na neprozirnu ravninu pod kutom θ1 na normalu N povučenu u ovu ravninu kroz točku gdje je snop pogađa. Tada se snop reflektira pod određenim kutom θ2 na istu normalu N. Fenomen refleksije podliježe dva glavna zakona:
- Upadni reflektirani snop svjetlosti i N normala leže u istoj ravnini.
- Kut refleksije i kut upada svjetlosnog snopa uvijek su jednaki (θ1=θ2).
Primjena fenomena refleksije u geometrijskoj optici
Zakoni refleksije svjetlosnog snopa koriste se kada se konstruiraju slike objekata (stvarnih ili imaginarnih) u zrcalima različite geometrije. Najčešće geometrije zrcala su:
- ravno ogledalo;
- konkavna;
- konveksno.
U bilo kojem od njih je prilično lako izgraditi sliku. U ravnom zrcalu uvijek ispada zamišljeno, ima istu veličinu kao i sam predmet, izravno je, u njemulijeva i desna strana su obrnute.
Slike u konkavnim i konveksnim zrcalima grade se pomoću nekoliko zraka (paralelno s optičkom osi, prolazeći kroz fokus i kroz središte). Njihova vrsta ovisi o udaljenosti predmeta od zrcala. Slika ispod pokazuje kako izgraditi slike u konveksnim i konkavnim zrcalima.
Fenomen refrakcije
Sastoji se od loma (loma) zraka kada prijeđe granicu dvaju različitih prozirnih medija (na primjer, vode i zraka) pod kutom prema površini koji nije jednak 90 o.
Suvremeni matematički opis ovog fenomena dali su Nizozemac Snell i Francuz Descartes početkom 17. stoljeća. Označavajući kutove θ1 i θ3 za upadne i lomljene zrake u odnosu na normalu N na ravninu, pišemo matematički izraz za fenomen refrakcije:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Veličine n2i n1 su indeksi loma medija 2 i 1. Oni pokazuju kolika je brzina svjetlosti u mediju razlikuje od onog u bezzračnom prostoru. Na primjer, za vodu n=1,33, a za zrak - 1,00029. Trebali biste znati da je vrijednost n funkcija frekvencije svjetlosti (n je veći za veće frekvencije nego za niže).
Primjena fenomena refrakcije u geometrijskoj optici
Opisani fenomen se koristi za ugradnju slikatanke leće. Leća je predmet izrađen od prozirnog materijala (staklo, plastika itd.) koji je omeđen dvjema površinama od kojih je barem jedna zakrivljena različita od nule. Postoje dvije vrste leća:
- sakupljanje;
- razbacivanje.
Konvergentne leće formirane su od konveksne sferične (sferične) površine. Lom svjetlosnih zraka u njima se događa na način da skupljaju sve paralelne zrake u jednoj točki – fokusu. Površine raspršivanja formiraju konkavne prozirne površine, pa se nakon prolaska paralelnih zraka kroz njih raspršuje svjetlost.
Konstrukcija slika u lećama u svojoj tehnici slična je konstrukciji slika u sfernim zrcalima. Također je potrebno koristiti nekoliko zraka (paralelno s optičkom osi, prolazeći kroz fokus i kroz optičko središte leće). Priroda dobivenih slika određena je vrstom leće i udaljenosti objekta do nje. Slika ispod prikazuje tehniku dobivanja slike predmeta u tankim lećama za različite slučajeve.
Uređaji koji rade u skladu sa zakonima geometrijske optike
Najjednostavniji od njih je povećalo. To je jedna konveksna leća koja povećava stvarne objekte do 5 puta.
Sofisticiraniji uređaj, koji se također koristi za povećanje objekata, je mikroskop. Već se sastoji od sustava leća (najmanje 2 konvergentne leće) i omogućuje vam povećanjenekoliko stotina puta.
Konačno, treći važan optički instrument je teleskop koji se koristi za promatranje nebeskih tijela. Može se sastojati i od sustava leća, tada se naziva refrakcijski teleskop i zrcalni sustav - reflektirajući teleskop. Ovi nazivi odražavaju princip njegovog rada (refrakcije ili refleksije).
