Κάθε μαθητής γνωρίζει ότι το φως σε ένα ομοιογενές διαφανές μέσο κινείται σε ευθεία διαδρομή. Αυτό το γεγονός μας επιτρέπει να εξετάσουμε πολλά οπτικά φαινόμενα στο πλαίσιο της έννοιας της δέσμης φωτός. Αυτό το άρθρο μιλά για τη γωνία πρόσπτωσης της δέσμης και γιατί είναι σημαντικό να γνωρίζουμε αυτήν τη γωνία.
Μια δέσμη φωτός είναι ένα μικρομετρικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα
Στη φυσική, υπάρχουν κύματα ποικίλης φύσης: ήχος, θάλασσα, ηλεκτρομαγνητικά και μερικά άλλα. Ωστόσο, ο όρος «δέσμη» ισχύει μόνο για ηλεκτρομαγνητικά κύματα, μέρος των οποίων αποτελεί το ορατό φάσμα. Η ίδια η λέξη "ακτίνα" μπορεί να αναπαρασταθεί ως μια ευθεία γραμμή που συνδέει δύο σημεία στο διάστημα.
Το φως (ως κύμα) μπορεί να θεωρηθεί ως ευθεία γραμμή, επειδή κάθε κύμα υποδηλώνει την παρουσία δονήσεων. Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα βρίσκεται στην τιμή του μήκους κύματος. Άρα, για θαλάσσιο και ήχο, το μήκος κυμαίνεται από μερικά εκατοστά έως δεκάδες μέτρα. Φυσικά, τέτοιες ταλαντώσεις δύσκολα μπορούν να ονομαστούν δέσμη. Το μήκος κύματος του φωτός είναι μικρότερο από ένα μικρόμετρο. Το ανθρώπινο μάτι δεν είναι σε θέση να διακρίνει τέτοιες δονήσεις, επομένως μας φαίνεται ότιότι βλέπουμε μια άμεση δέσμη.
Για λόγους πληρότητας, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η δέσμη φωτός είναι ορατή μόνο όταν αρχίζει να διασκορπίζεται σε μικρά σωματίδια, όπως σε ένα δωμάτιο με σκόνη ή σταγονίδια ομίχλης.
Πού είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τη γωνία με την οποία η δέσμη χτυπά το εμπόδιο;
Τα φαινόμενα ανάκλασης και διάθλασης είναι τα πιο διάσημα οπτικά εφέ που συναντά ένα άτομο κυριολεκτικά κάθε μέρα όταν κοιτάζει τον εαυτό του στον καθρέφτη ή πίνει ένα ποτήρι τσάι αφού κοιτάξει το κουτάλι μέσα σε αυτό.
Η μαθηματική περιγραφή της διάθλασης και της ανάκλασης απαιτεί γνώση της γωνίας πρόσπτωσης της δέσμης. Για παράδειγμα, το φαινόμενο της ανάκλασης χαρακτηρίζεται από την ισότητα της γωνίας ανάκλασης και πρόσπτωσης. Εάν περιγράφεται από την πλευρά της διαδικασίας διάθλασης, η γωνία πρόσπτωσης και η γωνία διάθλασης σχετίζονται μεταξύ τους μέσω των συναρτήσεων των ημιτόνων και των δεικτών διάθλασης των μέσων (νόμος του Snell).
Η γωνία με την οποία μια δέσμη φωτός πέφτει στη διεπαφή μεταξύ δύο διαφανών μέσων παίζει σημαντικό ρόλο όταν εξετάζεται η επίδραση της εσωτερικής ολικής ανάκλασης σε ένα οπτικά πυκνότερο υλικό. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται μόνο στην περίπτωση γωνιών πρόσπτωσης που είναι μεγαλύτερες από κάποια κρίσιμη τιμή.
Γεωμετρικός ορισμός της εξεταζόμενης γωνίας
Μπορεί να υποτεθεί ότι υπάρχει κάποια επιφάνεια που χωρίζει τα δύο περιβάλλοντα. Αυτή η επιφάνεια μπορεί να είναι επίπεδη, όπως στην περίπτωση του καθρέφτη, ή μπορεί να είναι πιο σύνθετη, όπως η ραβδωτή επιφάνεια της θάλασσας. Φανταστείτε ότι σε αυτή την επιφάνεια πέφτειακτίνα φωτός. Πώς να προσδιορίσετε τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός; Για να γίνει αυτό είναι αρκετά απλό. Ακολουθεί μια σειρά ενεργειών που πρέπει να γίνουν για να βρεθεί η επιθυμητή γωνία.
- Πρώτα, πρέπει να προσδιορίσετε το σημείο τομής της ακτίνας με την επιφάνεια.
- Μέσα από το O πρέπει να σχεδιάσετε μια κάθετη στην εξεταζόμενη επιφάνεια. Συχνά ονομάζεται φυσιολογικό.
- Η γωνία πρόσπτωσης της δέσμης είναι ίση με τη γωνία μεταξύ αυτής και της κανονικής. Μπορεί να μετρηθεί με ένα απλό μοιρογνωμόνιο.
Όπως μπορείτε να δείτε, δεν είναι δύσκολο να βρείτε τη θεωρούμενη γωνία. Ωστόσο, οι μαθητές συχνά κάνουν το λάθος να το μετρήσουν μεταξύ του επιπέδου και της δοκού. Πρέπει να θυμόμαστε ότι η γωνία πρόσπτωσης μετριέται πάντα από την κανονική, ανεξάρτητα από το σχήμα της επιφάνειας και το μέσο στο οποίο διαδίδεται.
Σφαιρικοί καθρέφτες, φακοί και ακτίνες που πέφτουν πάνω τους
Η γνώση των ιδιοτήτων των γωνιών πρόσπτωσης ορισμένων ακτίνων χρησιμοποιείται στην κατασκευή εικόνων σε σφαιρικούς καθρέφτες και λεπτούς φακούς. Για τη δημιουργία τέτοιων εικόνων, αρκεί να γνωρίζουμε πώς συμπεριφέρονται δύο διαφορετικές δέσμες όταν αλληλεπιδρούν με τις ονομαζόμενες οπτικές συσκευές. Η τομή αυτών των ακτίνων καθορίζει τη θέση του σημείου της εικόνας. Στη γενική περίπτωση, μπορεί κανείς πάντα να βρει τρεις διαφορετικές δέσμες, η πορεία των οποίων είναι ακριβώς γνωστή (η τρίτη δέσμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της ορθότητας της κατασκευασμένης εικόνας). Αυτές οι ακτίνες ονομάζονται παρακάτω.
- Λειτουργία παράλληλα με τον κύριο οπτικό άξονα της συσκευής. Διέρχεται από την εστία μετά από ανάκλαση ή διάθλαση.
- Μια δέσμη που διέρχεται από την εστία της συσκευής. Αντανακλά πάνταδιαθλάται παράλληλα με τον κύριο άξονα.
- Περνώντας μέσα από το οπτικό κέντρο (για έναν σφαιρικό καθρέφτη συμπίπτει με το κέντρο της σφαίρας, για έναν φακό είναι μέσα σε αυτό). Μια τέτοια δέσμη δεν αλλάζει την τροχιά της.
Το παραπάνω σχήμα δείχνει τα σχήματα για τη δημιουργία εικόνων για διαφορετικές επιλογές για τη θέση του αντικειμένου σε σχέση με τους λεπτούς φακούς.
