Όλοι γνωρίζουν ή τουλάχιστον έχουν ακούσει ότι το φως έχει την ιδιότητα να διαθλάται και να ανακλάται. Αλλά μόνο οι τύποι της γεωμετρικής και της κυματικής οπτικής μπορούν να εξηγήσουν πώς, ή μάλλον σε ποια βάση, συμβαίνει αυτό. Και όλη αυτή η διδασκαλία βασίζεται στην έννοια της «ακτίνας», την οποία εισήγαγε ο Ευκλείδης τρεις αιώνες πριν από την εποχή μας. Τι είναι λοιπόν μια δέσμη, επιστημονικά μιλώντας;
Μια δέσμη είναι μια ευθεία γραμμή κατά μήκος της οποίας κινούνται τα φωτεινά κύματα. Πώς, γιατί - αυτές οι ερωτήσεις απαντώνται από τους τύπους της γεωμετρικής οπτικής, η οποία αποτελεί μέρος της οπτικής κυμάτων. Το τελευταίο, όπως θα μπορούσε να υποθέσει κανείς, αντιμετωπίζει τις ακτίνες ως κύματα.
Τύποι γεωμετρικής οπτικής
Ο νόμος της ευθύγραμμης διάδοσης: μια ακτίνα σε ένα μέσο του ίδιου τύπου τείνει να διαδίδεται ευθύγραμμα. Δηλαδή, το φως ταξιδεύει κατά μήκος της συντομότερης διαδρομής που υπάρχει μεταξύ δύο σημείων. Θα μπορούσατε ακόμη να πείτε ότι η δέσμη φωτός επιδιώκει να εξοικονομήσει χρόνο. Αυτός ο νόμος εξηγεί τα φαινόμενα της σκιάς και του ημίσερου.
Για παράδειγμα, εάν η ίδια η πηγή φωτός είναι μικρή σε μέγεθος ή βρίσκεται σε τόσο μεγάλη απόσταση πουτα μεγέθη μπορούν να αγνοηθούν, η δέσμη φωτός σχηματίζει καθαρές σκιές. Αλλά αν η πηγή φωτός είναι μεγάλη ή πολύ κοντά, τότε η δέσμη φωτός σχηματίζει ασαφείς σκιές και μερικές σκιές.
Νόμος της Ανεξάρτητης Διάδοσης
Οι ακτίνες φωτός τείνουν να διαδίδονται ανεξάρτητα η μία από την άλλη. Δηλαδή, δεν θα επηρεάσουν το ένα το άλλο με κανέναν τρόπο εάν διασταυρωθούν ή περάσουν το ένα από το άλλο σε κάποιο ομοιογενές μέσο. Οι ακτίνες φαίνεται να αγνοούν την ύπαρξη άλλων ακτίνων.
Νόμος της Αντανάκλασης
Ας φανταστούμε ότι ένα άτομο δείχνει έναν δείκτη λέιζερ σε έναν καθρέφτη. Φυσικά, η δέσμη θα αντανακλάται από τον καθρέφτη και θα διαδίδεται σε άλλο μέσο. Η γωνία μεταξύ της κάθετης προς τον καθρέφτη και της πρώτης ακτίνας ονομάζεται γωνία πρόσπτωσης, η γωνία μεταξύ της κάθετης προς το κάτοπτρο και της δεύτερης ακτίνας ονομάζεται γωνία ανάκλασης. Αυτές οι γωνίες είναι ίσες.
Οι τύποι της γεωμετρικής οπτικής αποκαλύπτουν πολλές καταστάσεις που κανείς δεν σκέφτεται καν. Για παράδειγμα, ο νόμος της ανάκλασης εξηγεί γιατί μπορούμε να δούμε τον εαυτό μας σε έναν «άμεσο» καθρέφτη ακριβώς όπως είμαστε και γιατί η καμπύλη επιφάνειά του δημιουργεί μια διαφορετική εικόνα.
Φόρμουλα:
a - γωνία πρόσπτωσης, b - γωνία ανάκλασης.
a=β
Ο νόμος της διάθλασης
Η ακτίνα πρόσπτωσης, η ακτίνα διάθλασης και η κάθετη στον καθρέφτη βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Εάν το ημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης διαιρεθεί με το ημίτονο της γωνίας διάθλασης, τότε προκύπτει η τιμή n, η οποία είναι σταθερή και για τα δύο μέσα.
Το n δείχνει σε ποια γωνία η δέσμη από το πρώτο μέσο περνά στο δεύτερο και πώς συσχετίζονται οι συνθέσεις αυτών των μέσων.
Φόρμουλα:
i - γωνία πρόσπτωσης. r - διαθλαστική γωνία. n21 - δείκτης διάθλασης.
sin i/sin r=n2/ 1= n21
Νόμος της αναστρεψιμότητας του φωτός
Τι λέει ο νόμος της αντιστρεψιμότητας του φωτός; Εάν η δέσμη διαδίδεται κατά μήκος μιας καλά καθορισμένης τροχιάς προς μία κατεύθυνση, τότε θα επαναλάβει την ίδια διαδρομή προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Αποτελέσματα
Οι τύποι της γεωμετρικής οπτικής σε κάπως απλοποιημένη μορφή εξηγούν πώς λειτουργεί μια δέσμη φωτός. Δεν υπάρχει τίποτα δύσκολο σε αυτό. Ναι, οι τύποι και οι νόμοι της γεωμετρικής οπτικής παραμελούν ορισμένες από τις ιδιότητες του σύμπαντος, αλλά η σημασία τους για την επιστήμη δεν μπορεί να υποτιμηθεί.
