Geometrisk optik er en særlig gren af fysisk optik, som ikke beskæftiger sig med lysets natur, men studerer bevægelseslovene for lysstråler i transparente medier. Lad os se nærmere på disse love i artiklen og give eksempler på deres anvendelse i praksis.
Stråleudbredelse i homogent rum: vigtige egenskaber
Alle ved, at lys er en elektromagnetisk bølge, som for nogle naturfænomener kan opføre sig som en strøm af energikvanter (fænomener med den fotoelektriske effekt og lystryk). Geometrisk optik, som nævnt i indledningen, beskæftiger sig kun med lovene for lysudbredelse uden at dykke ned i deres natur.
Hvis strålen bevæger sig i et homogent gennemsigtigt medium eller i et vakuum og ikke støder på nogen forhindringer på sin vej, så vil lysstrålen bevæge sig i en lige linje. Dette træk førte til formuleringen af princippet om mindste tid (Fermats princip) af franskmanden Pierre Fermat i midten af det 17. århundrede.
En anden vigtig egenskab ved lysstråler er deres uafhængighed. Det betyder, at hver stråle forplanter sig i rummet uden at "føle"en anden stråle uden at interagere med den.
Endelig er lysets tredje egenskab ændringen i hastigheden af dets udbredelse, når det bevæger sig fra et gennemsigtigt materiale til et andet.
De markerede 3 egenskaber ved lysstråler bruges til at udlede lovene for refleksion og brydning.
Refleksionsfænomen
Dette fysiske fænomen opstår, når en lysstråle rammer en uigennemsigtig forhindring, der er meget større end lysets bølgelængde. Refleksionen er en skarp ændring i strålens bane i det samme medium.
Antag, at en tynd lysstråle falder på et uigennemsigtigt plan i en vinkel θ1 med det normale N, der trækkes til dette plan gennem det punkt, hvor strålen rammer den. Derefter reflekteres strålen i en bestemt vinkel θ2 til den samme normale N. Fænomenet refleksion adlyder to hovedlove:
- Den indfaldende reflekterede lysstråle og N-normalen ligger i samme plan.
- Refleksionsvinklen og indfaldsvinklen for en lysstråle er altid ens (θ1=θ2).
Anvendelse af fænomenet refleksion i geometrisk optik
Refleksionslovene for en lysstråle bruges til at konstruere billeder af objekter (virkelige eller imaginære) i spejle med forskellige geometrier. De mest almindelige spejlgeometrier er:
- fladt spejl;
- konkav;
- konveks.
Det er ret nemt at bygge et billede i nogen af dem. I et fladt spejl viser det sig altid at være imaginært, har samme størrelse som selve objektet, er direkte, i detvenstre og højre side er omvendt.
Billeder i konkave og konvekse spejle er bygget ved hjælp af flere stråler (parallelt med den optiske akse, passerer gennem fokus og gennem midten). Deres type afhænger af objektets afstand fra spejlet. Nedenstående figur viser, hvordan man bygger billeder i konvekse og konkave spejle.
Fænomenet brydning
Den består i et brud (brydning) af strålen, når den krydser grænsen mellem to forskellige transparente medier (f.eks. vand og luft) i en vinkel til overfladen, der ikke er lig med 90 o.
Den moderne matematiske beskrivelse af dette fænomen blev lavet af hollænderen Snell og franskmanden Descartes i begyndelsen af det 17. århundrede. Ved at angive vinklerne θ1 og θ3 for de indfaldende og brudte stråler i forhold til den normale N til planet, skriver vi et matematisk udtryk for refraktionsfænomen:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 3).
Mængderne n2og n1er brydningsindekserne for medie 2 og 1. De viser, hvor meget lysets hastighed i mediet adskiller sig fra det i luftløse rum. For eksempel for vand n=1,33, og for luft - 1,00029. Du skal vide, at værdien af n er en funktion af lysets frekvens (n er større for højere frekvenser end for lavere).
Anvendelse af fænomenet brydning i geometrisk optik
Det beskrevne fænomen bruges til at bygge billeder indtynde linser. En linse er en genstand lavet af et gennemsigtigt materiale (glas, plastik osv.), der er afgrænset af to overflader, hvoraf mindst den ene har en krumning, der ikke er nul. Der er to typer linser:
- indsamling;
- spredning.
Konvergerende linser er dannet af en konveks sfærisk (sfærisk) overflade. Brydningen af lysstråler i dem sker på en sådan måde, at de samler alle parallelle stråler på et punkt - fokus. Spredningsflader er dannet af konkave gennemsigtige overflader, så efter passage af parallelle stråler gennem dem, spredes lyset.
Konstruktion af billeder i linser i sin teknik ligner konstruktionen af billeder i sfæriske spejle. Det er også nødvendigt at bruge flere stråler (parallelt med den optiske akse, der passerer gennem fokus og gennem linsens optiske centrum). Arten af de opnåede billeder bestemmes af typen af linse og afstanden af objektet til det. Nedenstående figur viser teknikken til at opnå billeder af et objekt i tynde linser til forskellige tilfælde.
Enheder, der fungerer i overensstemmelse med lovene for geometrisk optik
Den enkleste af dem er et forstørrelsesglas. Det er en enkelt konveks linse, der forstørrer virkelige objekter op til 5 gange.
En mere sofistikeret enhed, som også bruges til at forstørre objekter, er et mikroskop. Den består allerede af et linsesystem (mindst 2 konvergerende linser) og giver dig mulighed for at få en stigning iflere hundrede gange.
Endelig er det tredje vigtige optiske instrument et teleskop, der bruges til at observere himmellegemer. Det kan både bestå af et linsesystem, så kaldes det et refraktivt teleskop, og et spejlsystem - et reflekterende teleskop. Disse navne afspejler princippet i dets arbejde (brydning eller refleksion).
