Meetkundige optika is 'n spesiale tak van fisiese optika, wat nie handel oor die aard van lig nie, maar die bewegingswette van ligstrale in deursigtige media bestudeer. Kom ons kyk van naderby na hierdie wette in die artikel, en gee ook voorbeelde van die gebruik daarvan in die praktyk.
Straalvoortplanting in homogene ruimte: belangrike eienskappe
Almal weet dat lig 'n elektromagnetiese golf is, wat vir sommige natuurlike verskynsels soos 'n stroom energiekwanta (verskynsels van die foto-elektriese effek en ligdruk) kan optree. Geometriese optika, soos in die inleiding genoem, handel slegs oor die wette van ligvoortplanting, sonder om in die aard daarvan te delf.
As die straal in 'n homogene deursigtige medium of in 'n vakuum beweeg en geen hindernisse op sy pad teëkom nie, dan sal die ligstraal in 'n reguit lyn beweeg. Hierdie kenmerk het gelei tot die formulering van die beginsel van die minste tyd (Fermat se beginsel) deur die Fransman Pierre Fermat in die middel van die 17de eeu.
Nog 'n belangrike kenmerk van ligstrale is hul onafhanklikheid. Dit beteken dat elke straal in die ruimte voortplant sonder om te "voel"'n ander balk sonder om daarmee te reageer.
Laastens, die derde eienskap van lig is die verandering in die spoed van sy voortplanting wanneer van een deursigtige materiaal na 'n ander beweeg word.
Die gemerkte 3 eienskappe van ligstrale word gebruik in die afleiding van die wette van refleksie en breking.
Refleksie-verskynsel
Hierdie fisiese verskynsel vind plaas wanneer 'n ligstraal 'n ondeursigtige hindernis tref wat baie groter is as die golflengte van lig. Die feit van refleksie is 'n skerp verandering in die trajek van die straal in dieselfde medium.
Veronderstel dat 'n dun straal lig op 'n ondeursigtige vlak val teen 'n hoek θ1 met die normale N wat na hierdie vlak getrek word deur die punt waar die straal dit tref. Dan word die straal teen 'n sekere hoek θ2 na dieselfde normale N gereflekteer. Die verskynsel van refleksie gehoorsaam twee hoofwette:
- Die voorval gereflekteerde ligstraal en die N-normaal lê in dieselfde vlak.
- Die refleksiehoek en die invalshoek van 'n ligstraal is altyd gelyk (θ1=θ2).
Toepassing van die verskynsel van refleksie in geometriese optika
Die wette van weerkaatsing van 'n ligstraal word gebruik wanneer beelde van voorwerpe (werklik of denkbeeldig) in spieëls van verskillende geometrieë gekonstrueer word. Die mees algemene spieëlgeometrieë is:
- plat spieël;
- konkaaf;
- konveks.
Dit is redelik maklik om 'n beeld in enige van hulle te bou. In 'n plat spieël blyk dit altyd denkbeeldig te wees, het dieselfde grootte as die voorwerp self, is direk, daarindie linker- en regterkante is omgekeer.
Beelde in konkawe en konvekse spieëls word gebou deur verskeie strale te gebruik (parallel aan die optiese as, wat deur die fokus en deur die middel gaan). Hul tipe hang af van die afstand van die voorwerp vanaf die spieël. Die figuur hieronder wys hoe om beelde in konvekse en konkawe spieëls te bou.
Die verskynsel van breking
Dit bestaan uit 'n breuk (breking) van die balk wanneer dit die grens van twee verskillende deursigtige media (byvoorbeeld water en lug) oorsteek teen 'n hoek met die oppervlak wat nie gelyk is aan 90 o.
Die moderne wiskundige beskrywing van hierdie verskynsel is aan die begin van die 17de eeu deur die Nederlander Snell en die Fransman Descartes gemaak. Deur die hoeke θ1 en θ3 aan te dui vir die inval en gebreekte strale relatief tot die normale N na die vlak, skryf ons 'n wiskundige uitdrukking vir die verskynsel van breking:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 3).
Die hoeveelhede n2en n1is die brekingsindekse van media 2 en 1. Hulle wys hoeveel die spoed van lig in die medium verskil van dié in luglose ruimte. Byvoorbeeld, vir water n=1,33, en vir lug - 1,00029. Jy moet weet dat die waarde van n 'n funksie is van die frekwensie van lig (n is groter vir hoër frekwensies as vir laer).
Toepassing van die verskynsel van breking in geometriese optika
Die beskryfde verskynsel word gebruik om beelde in te boudun lense. 'n Lens is 'n voorwerp gemaak van 'n deursigtige materiaal (glas, plastiek, ens.) wat begrens word deur twee oppervlaktes, waarvan ten minste een 'n nie-nul kromming het. Daar is twee tipes lense:
- byeenkoms;
- verstrooiing.
Konvergerende lense word gevorm deur 'n konvekse sferiese (sferiese) oppervlak. Die breking van ligstrale in hulle vind op so 'n manier plaas dat hulle alle parallelle strale op een punt - die fokus - versamel. Verstrooiingsoppervlaktes word deur konkawe deursigtige oppervlaktes gevorm, dus na die deurgang van parallelle strale daardeur word lig verstrooi.
Konstruksie van beelde in lense in sy tegniek is soortgelyk aan die konstruksie van beelde in sferiese spieëls. Dit is ook nodig om verskeie strale te gebruik (parallel aan die optiese as, wat deur die fokus en deur die optiese middelpunt van die lens gaan). Die aard van die verkreë beelde word bepaal deur die tipe lens en die afstand van die voorwerp daarheen. Die figuur hieronder toon die tegniek vir die verkryging van beelde van 'n voorwerp in dun lense vir verskeie gevalle.
Toestelle wat volgens die wette van meetkundige optika werk
Die eenvoudigste daarvan is 'n vergrootglas. Dit is 'n enkele konvekse lens wat werklike voorwerpe tot 5 keer vergroot.
'n Meer gesofistikeerde toestel, wat ook gebruik word om voorwerpe te vergroot, is 'n mikroskoop. Dit bestaan reeds uit 'n lensstelsel (ten minste 2 konvergerende lense) en laat jou toe om 'n toename in te kry'n paar honderd keer.
Laastens, die derde belangrike optiese instrument is 'n teleskoop wat gebruik word om hemelliggame waar te neem. Dit kan bestaan uit beide 'n lensstelsel, dan word dit 'n refraktiewe teleskoop genoem, en 'n spieëlstelsel - 'n reflektiewe teleskoop. Hierdie name weerspieël die beginsel van sy werk (breking of refleksie).
