Geometrijska optika je posebna grana fizičke optike, koja se ne bavi prirodom svjetlosti, već proučava zakone kretanja svjetlosnih zraka u prozirnim medijima. Pogledajmo pobliže ove zakone u članku i dajemo primjere njihove upotrebe u praksi.
Propagacija zraka u homogenom prostoru: važna svojstva
Svima je poznato da je svjetlost elektromagnetni talas, koji se za neke prirodne pojave može ponašati kao tok 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 providnom mediju ili u vakuumu i ne naiđe na prepreke na svom putu, tada će se svjetlosni snop kretati pravolinijski. Ova karakteristika je dovela do formulacije principa najmanjeg vremena (Fermatov princip) od strane Francuza Pjera Ferma sredinom 17. veka.
Još jedna važna karakteristika svjetlosnih zraka je njihova nezavisnost. To znači da se svaki zrak širi u svemiru bez "osjećaja"drugi snop bez interakcije s njim.
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 prelamanja.
Fenomen refleksije
Ovaj fizički fenomen nastaje kada svjetlosni snop udari u neprozirnu prepreku mnogo veću od valne dužine svjetlosti. Činjenica refleksije je oštra promjena putanje zraka u istom mediju.
Pretpostavimo da tanak snop svjetlosti pada na neprozirnu ravan pod uglom θ1 u odnosu na normalu N povučenu u ovu ravan kroz tačku gdje je snop pogađa. Tada se snop reflektuje pod određenim uglom θ2 na istu normalu N. Fenomen refleksije se pridržava dva glavna zakona:
- Upadni reflektirani snop svjetlosti i N normala leže u istoj ravni.
- Ugao refleksije i ugao upada svetlosnog snopa su uvek jednaki (θ1=θ2).
Primjena fenomena refleksije u geometrijskoj optici
Zakoni refleksije svetlosnog snopa se koriste kada se konstruišu slike objekata (stvarnih ili imaginarnih) u ogledalima različite geometrije. Najčešće geometrije ogledala su:
- ravno ogledalo;
- konkavna;
- konveksno.
Lako je izgraditi sliku u bilo kojoj od njih. U ravnom zrcalu, uvijek se ispostavi da je zamišljeno, ima istu veličinu kao i sam predmet, direktno je, u njemulijeva i desna strana su obrnute.
Slike u konkavnim i konveksnim ogledalima grade se pomoću nekoliko zraka (paralelno sa optičkom osom, prolazeći kroz fokus i kroz centar). Njihova vrsta zavisi od udaljenosti objekta od ogledala. Slika ispod pokazuje kako napraviti slike u konveksnim i konkavnim ogledalima.
Fenomen refrakcije
Sastoji se od loma (prelamanja) zraka kada pređe granicu dva različita prozirna medija (na primjer, vode i zraka) pod uglom prema površini koji nije jednak 90 o.
Savremeni matematički opis ovog fenomena dali su Holanđanin Snel i Francuz Descartes početkom 17. veka. Označavajući uglove θ1 i θ3 za upadne i prelomljene zrake u odnosu na normalu N na ravan, pišemo matematički izraz za fenomen refrakcije:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Veličine n2i n1 su indeksi prelamanja medija 2 i 1. Oni pokazuju kolika je brzina svjetlosti u mediju se razlikuje od onog u bezvazdušnom prostoru. Na primjer, za vodu n=1,33, a za zrak - 1,00029 Treba znati da je vrijednost n funkcija frekvencije svjetlosti (n je veće za veće frekvencije nego za niže).
Primjena fenomena refrakcije u geometrijskoj optici
Opisani fenomen se koristi za ugradnju slikatanka sočiva. Sočivo je predmet napravljen od prozirnog materijala (stakla, plastike, itd.) koji je omeđen s dvije površine od kojih barem jedna ima zakrivljenost različitu od nule. Postoje dvije vrste sočiva:
- sakupljanje;
- razbacivanje.
Konvergentna sočiva se formiraju od konveksne sferične (sferične) površine. Prelamanje svjetlosnih zraka u njima se događa na način da skupljaju sve paralelne zrake u jednoj tački - fokusu. Rasipajuće površine formiraju konkavne prozirne površine, pa se nakon prolaska paralelnih zraka kroz njih raspršuje svjetlost.
Konstrukcija slika u sočivima u svojoj tehnici je slična konstrukciji slika u sfernim ogledalima. Također je potrebno koristiti nekoliko zraka (paralelno s optičkom osom, prolazeći kroz fokus i kroz optički centar sočiva). Priroda dobijenih slika određena je tipom sočiva i udaljenosti objekta do njega. Slika ispod prikazuje tehniku dobijanja slike objekta u tankim sočivima za različite slučajeve.
Uređaji koji rade u skladu sa zakonima geometrijske optike
Najjednostavniji od njih je lupa. To je jedno konveksno sočivo koje povećava stvarne objekte do 5 puta.
Sofisticiraniji uređaj, koji se takođe koristi za uvećanje objekata, je mikroskop. Već se sastoji od sistema sočiva (najmanje 2 konvergentna sočiva) i omogućava vam da povećatenekoliko stotina puta.
Konačno, treći važan optički instrument je teleskop koji se koristi za posmatranje nebeskih tijela. Može se sastojati od sistema sočiva, tada se naziva refraktivni teleskop, i sistema ogledala - reflektivni teleskop. Ovi nazivi odražavaju princip njegovog rada (prelamanja ili refleksije).
