Η γεωμετρική οπτική είναι ένας ειδικός κλάδος της φυσικής οπτικής, που δεν ασχολείται με τη φύση του φωτός, αλλά μελετά τους νόμους της κίνησης των ακτίνων φωτός σε διαφανή μέσα. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτούς τους νόμους στο άρθρο και ας δώσουμε επίσης παραδείγματα χρήσης τους στην πράξη.
Διάδοση ακτίνων σε ομοιογενή χώρο: σημαντικές ιδιότητες
Όλοι γνωρίζουν ότι το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, το οποίο για ορισμένα φυσικά φαινόμενα μπορεί να συμπεριφέρεται σαν ένα ρεύμα ενεργειακών κβαντών (φαινόμενα φωτοηλεκτρικού φαινομένου και φωτεινής πίεσης). Η γεωμετρική οπτική, όπως σημειώθηκε στην εισαγωγή, ασχολείται μόνο με τους νόμους της διάδοσης του φωτός, χωρίς να εμβαθύνει στη φύση τους.
Εάν η δέσμη κινείται σε ένα ομοιογενές διαφανές μέσο ή στο κενό και δεν συναντά εμπόδια στο δρόμο της, τότε η φωτεινή δέσμη θα κινηθεί σε ευθεία γραμμή. Αυτό το χαρακτηριστικό οδήγησε στη διατύπωση της αρχής του ελάχιστου χρόνου (αρχή Fermat) από τον Γάλλο Pierre Fermat στα μέσα του 17ου αιώνα.
Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των ακτίνων φωτός είναι η ανεξαρτησία τους. Αυτό σημαίνει ότι κάθε ακτίνα διαδίδεται στο διάστημα χωρίς να «αισθάνεται»άλλη δέσμη χωρίς να αλληλεπιδρά μαζί της.
Τέλος, η τρίτη ιδιότητα του φωτός είναι η αλλαγή στην ταχύτητα διάδοσής του όταν μετακινείται από το ένα διαφανές υλικό στο άλλο.
Οι σημειωμένες 3 ιδιότητες των ακτίνων φωτός χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των νόμων της ανάκλασης και της διάθλασης.
Φαινόμενο ανάκλασης
Αυτό το φυσικό φαινόμενο συμβαίνει όταν μια δέσμη φωτός χτυπά ένα αδιαφανές εμπόδιο πολύ μεγαλύτερο από το μήκος κύματος του φωτός. Το γεγονός της ανάκλασης είναι μια απότομη αλλαγή στην τροχιά της δέσμης στο ίδιο μέσο.
Υποθέστε ότι μια λεπτή δέσμη φωτός πέφτει σε ένα αδιαφανές επίπεδο υπό γωνία θ1 στο κανονικό N που σύρεται σε αυτό το επίπεδο μέσω του σημείου όπου η δέσμη το χτυπά. Τότε η δέσμη ανακλάται σε μια ορισμένη γωνία θ2 στο ίδιο κανονικό Β. Το φαινόμενο της ανάκλασης υπακούει σε δύο βασικούς νόμους:
- Η προσπίπτουσα ανακλώμενη δέσμη φωτός και η κανονική Ν βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.
- Η γωνία ανάκλασης και η γωνία πρόσπτωσης μιας δέσμης φωτός είναι πάντα ίσες (θ1=θ2).
Εφαρμογή του φαινομένου της ανάκλασης στη γεωμετρική οπτική
Οι νόμοι της ανάκλασης μιας δέσμης φωτός χρησιμοποιούνται κατά την κατασκευή εικόνων αντικειμένων (πραγματικών ή φανταστικών) σε καθρέφτες διαφόρων γεωμετριών. Οι πιο συνηθισμένες γεωμετρίες καθρέφτη είναι:
- επίπεδος καθρέφτης;
- κοίλη;
- κυρτή.
Είναι αρκετά εύκολο να δημιουργήσετε μια εικόνα σε οποιοδήποτε από αυτά. Σε έναν επίπεδο καθρέφτη, αποδεικνύεται πάντα ότι είναι φανταστικό, έχει το ίδιο μέγεθος με το ίδιο το αντικείμενο, είναι άμεσο, μέσα τουη αριστερή και η δεξιά πλευρά αντιστρέφονται.
Οι εικόνες σε κοίλους και κυρτούς καθρέφτες κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας πολλές ακτίνες (παράλληλες με τον οπτικό άξονα, που διέρχονται από την εστίαση και μέσα από το κέντρο). Ο τύπος τους εξαρτάται από την απόσταση του αντικειμένου από τον καθρέφτη. Το παρακάτω σχήμα δείχνει πώς να δημιουργήσετε εικόνες σε κυρτούς και κοίλους καθρέφτες.
Το φαινόμενο της διάθλασης
Συνίσταται σε θραύση (διάθλαση) της δέσμης όταν διασχίζει το όριο δύο διαφορετικών διαφανών μέσων (για παράδειγμα, νερό και αέρας) υπό γωνία ως προς την επιφάνεια που δεν είναι ίση με 90 o.
Η σύγχρονη μαθηματική περιγραφή αυτού του φαινομένου έγινε από τον Ολλανδό Snell και τον Γάλλο Descartes στις αρχές του 17ου αιώνα. Δηλώνοντας τις γωνίες θ1 και θ3 για τις προσπίπτουσες και τις διαθλασμένες ακτίνες σε σχέση με το κανονικό N στο επίπεδο, γράφουμε μια μαθηματική παράσταση για την φαινόμενο διάθλασης:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Οι ποσότητες n2και n1είναι οι δείκτες διάθλασης των μέσων 2 και 1. Δείχνουν πόση είναι η ταχύτητα του φωτός στο μέσο διαφέρει από αυτό στον αέρινο χώρο. Για παράδειγμα, για το νερό n=1,33 και για τον αέρα - 1,00029. Θα πρέπει να γνωρίζετε ότι η τιμή του n είναι συνάρτηση της συχνότητας του φωτός (το n είναι μεγαλύτερο για υψηλότερες συχνότητες παρά για χαμηλότερες).
Εφαρμογή του φαινομένου της διάθλασης στη γεωμετρική οπτική
Το περιγραφόμενο φαινόμενο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία εικόνωνλεπτούς φακούς. Ο φακός είναι ένα αντικείμενο κατασκευασμένο από διαφανές υλικό (γυαλί, πλαστικό κ.λπ.) που οριοθετείται από δύο επιφάνειες, εκ των οποίων τουλάχιστον η μία έχει μη μηδενική καμπυλότητα. Υπάρχουν δύο τύποι φακών:
- συγκέντρωση;
- σκέδαση.
Οι συγκλίνοντες φακοί σχηματίζονται από μια κυρτή σφαιρική (σφαιρική) επιφάνεια. Η διάθλαση των ακτίνων φωτός σε αυτά συμβαίνει με τέτοιο τρόπο ώστε να συλλέγουν όλες τις παράλληλες ακτίνες σε ένα σημείο - την εστίαση. Οι επιφάνειες σκέδασης σχηματίζονται από κοίλες διαφανείς επιφάνειες, επομένως μετά το πέρασμα των παράλληλων ακτίνων από αυτές, το φως διασκορπίζεται.
Η κατασκευή εικόνων σε φακούς στην τεχνική της είναι παρόμοια με την κατασκευή εικόνων σε σφαιρικούς καθρέφτες. Είναι επίσης απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν πολλές δέσμες (παράλληλες με τον οπτικό άξονα, που διέρχονται από την εστίαση και μέσα από το οπτικό κέντρο του φακού). Η φύση των λαμβανόμενων εικόνων καθορίζεται από τον τύπο του φακού και την απόσταση του αντικειμένου από αυτόν. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την τεχνική για τη λήψη εικόνων ενός αντικειμένου σε λεπτούς φακούς για διάφορες περιπτώσεις.
Συσκευές που λειτουργούν σύμφωνα με τους νόμους της γεωμετρικής οπτικής
Το πιο απλό από αυτά είναι ένας μεγεθυντικός φακός. Είναι ένας απλός κυρτός φακός που μεγεθύνει πραγματικά αντικείμενα έως και 5 φορές.
Μια πιο εξελιγμένη συσκευή, η οποία χρησιμοποιείται επίσης για τη μεγέθυνση αντικειμένων, είναι το μικροσκόπιο. Αποτελείται ήδη από ένα σύστημα φακών (τουλάχιστον 2 συγκλίνοντες φακοί) και σας επιτρέπει να αυξήσετεαρκετές εκατοντάδες φορές.
Τέλος, το τρίτο σημαντικό οπτικό όργανο είναι ένα τηλεσκόπιο που χρησιμοποιείται για την παρατήρηση ουράνιων σωμάτων. Μπορεί να αποτελείται τόσο από σύστημα φακών, τότε ονομάζεται διαθλαστικό τηλεσκόπιο και σύστημα καθρέφτη - ανακλαστικό τηλεσκόπιο. Αυτά τα ονόματα αντικατοπτρίζουν την αρχή της δουλειάς του (διάθλαση ή ανάκλαση).
