Optik geometri: sinar cahaya

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 17:53

Optik geometri ialah cabang khas optik fizikal, yang tidak berurusan dengan sifat cahaya, tetapi mengkaji undang-undang pergerakan sinar cahaya dalam media lutsinar. Mari kita lihat dengan lebih dekat undang-undang ini dalam artikel, dan juga berikan contoh penggunaannya dalam amalan.

Perambatan sinar dalam ruang homogen: sifat penting

Semua orang tahu bahawa cahaya ialah gelombang elektromagnet, yang bagi sesetengah fenomena semula jadi boleh berkelakuan seperti aliran kuanta tenaga (fenomena kesan fotoelektrik dan tekanan cahaya). Optik geometri, seperti yang dinyatakan dalam pengenalan, hanya berurusan dengan undang-undang perambatan cahaya, tanpa menyelidiki sifatnya.

Jika rasuk bergerak dalam medium lutsinar homogen atau dalam vakum dan tidak menghadapi sebarang halangan dalam perjalanannya, maka rasuk cahaya akan bergerak dalam garis lurus. Ciri ini membawa kepada perumusan prinsip masa paling sedikit (prinsip Fermat) oleh orang Perancis Pierre Fermat pada pertengahan abad ke-17.

Satu lagi ciri penting sinar cahaya ialah kebebasannya. Ini bermakna setiap sinar merambat di angkasa tanpa "perasaan"rasuk lain tanpa berinteraksi dengannya.

Akhir sekali, sifat ketiga cahaya ialah perubahan dalam kelajuan perambatannya apabila bergerak dari satu bahan lutsinar ke bahan lutsinar yang lain.

3 sifat sinar cahaya yang ditanda digunakan dalam terbitan hukum pantulan dan pembiasan.

Fenomena pantulan

Fenomena fizikal ini berlaku apabila pancaran cahaya mengenai halangan legap yang jauh lebih besar daripada panjang gelombang cahaya. Fakta pantulan ialah perubahan mendadak dalam trajektori pancaran dalam medium yang sama.

Anggapkan bahawa pancaran cahaya nipis jatuh pada satah legap pada sudut θ₁ kepada N biasa yang dilukis ke satah ini melalui titik di mana rasuk itu mengenainya. Kemudian rasuk dipantulkan pada sudut tertentu θ_{2 kepada N normal yang sama. Fenomena pantulan mematuhi dua hukum utama:}

1. Insiden itu memantulkan pancaran cahaya dan N normal terletak pada satah yang sama.
2. Sudut pantulan dan sudut tuju pancaran cahaya sentiasa sama (θ₁=θ_2).

Aplikasi fenomena pantulan dalam optik geometri

Hukum pantulan pancaran cahaya digunakan apabila membina imej objek (nyata atau khayalan) dalam cermin pelbagai geometri. Geometri cermin yang paling biasa ialah:

• cermin rata;
• cekung;
• cembung.

Agak mudah untuk membina imej dalam mana-mana imej tersebut. Dalam cermin rata, ia sentiasa menjadi khayalan, mempunyai saiz yang sama dengan objek itu sendiri, langsung, di dalamnyabahagian kiri dan kanan diterbalikkan.

Imej dalam cermin cekung dan cembung dibina menggunakan beberapa sinar (selari dengan paksi optik, melalui fokus dan melalui pusat). Jenis mereka bergantung pada jarak objek dari cermin. Rajah di bawah menunjukkan cara membina imej dalam cermin cembung dan cekung.

Fenomena pembiasan

Ia terdiri daripada pecahan (pembiasan) rasuk apabila ia melintasi sempadan dua media lutsinar yang berbeza (contohnya, air dan udara) pada sudut ke permukaan yang tidak sama dengan 90 o.

Penerangan matematik moden tentang fenomena ini dibuat oleh orang Belanda Snell dan orang Perancis Descartes pada awal abad ke-17. Menandakan sudut θ₁ dan θ_{3 untuk kejadian dan sinar terbias berbanding N normal pada satah, kami menulis ungkapan matematik untuk fenomena biasan:}

₁dosa(θ₁)=n₂dos(θ _3).

Kuantiti n₂dan n_{1adalah indeks biasan media 2 dan 1. Mereka menunjukkan berapa banyak kelajuan cahaya dalam medium berbeza daripada dalam ruang tanpa udara. Contohnya, untuk air n=1.33, dan untuk udara - 1.00029. Anda harus tahu bahawa nilai n ialah fungsi frekuensi cahaya (n lebih besar untuk frekuensi yang lebih tinggi daripada frekuensi yang lebih rendah).}

Aplikasi fenomena biasan dalam optik geometri

Fenomena yang diterangkan digunakan untuk membina imejkanta nipis. Kanta ialah objek yang diperbuat daripada bahan lutsinar (kaca, plastik, dll.) yang dibatasi oleh dua permukaan, sekurang-kurangnya satu daripadanya mempunyai kelengkungan bukan sifar. Terdapat dua jenis kanta:

• perhimpunan;
• penyebaran.

Kanta penumpu dibentuk oleh permukaan sfera (sfera) cembung. Pembiasan sinar cahaya di dalamnya berlaku sedemikian rupa sehingga mereka mengumpul semua sinar selari pada satu titik - fokus. Permukaan taburan dibentuk oleh permukaan lutsinar yang cekung, jadi selepas laluan sinar selari melaluinya, cahaya diserakkan.

Pembinaan imej dalam kanta dalam tekniknya adalah serupa dengan pembinaan imej dalam cermin sfera. Ia juga perlu menggunakan beberapa rasuk (selari dengan paksi optik, melalui fokus dan melalui pusat optik kanta). Sifat imej yang diperolehi ditentukan oleh jenis kanta dan jarak objek kepadanya. Rajah di bawah menunjukkan teknik untuk mendapatkan imej objek dalam kanta nipis untuk pelbagai kes.

Peranti yang beroperasi mengikut undang-undang optik geometri

Yang paling mudah ialah kaca pembesar. Ia ialah kanta cembung tunggal yang membesarkan objek sebenar sehingga 5 kali ganda.

Peranti yang lebih canggih, yang juga digunakan untuk membesarkan objek, ialah mikroskop. Ia sudah pun terdiri daripada sistem kanta (sekurang-kurangnya 2 kanta menumpu) dan membolehkan anda mendapat peningkatan dalambeberapa ratus kali.

Akhir sekali, alat optik ketiga yang penting ialah teleskop yang digunakan untuk memerhati jasad angkasa. Ia boleh terdiri daripada kedua-dua sistem kanta, maka ia dipanggil teleskop biasan, dan sistem cermin - teleskop reflektif. Nama-nama ini mencerminkan prinsip kerjanya (pembiasan atau pantulan).