Formules van geometrische optica voor "dummies"

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 17:53

Iedereen weet of heeft tenminste gehoord dat licht de eigenschap heeft om te breken en te reflecteren. Maar alleen de formules van geometrische en golfoptica kunnen verklaren hoe, of liever op welke basis, dit gebeurt. En al deze leer is gebaseerd op het concept van "straal", dat drie eeuwen voor onze jaartelling door Euclides werd geïntroduceerd. Dus wat is een straal, wetenschappelijk gezien?

Een straal is een rechte lijn waarlangs lichtgolven bewegen. Hoe, waarom - deze vragen worden beantwoord door de formules van geometrische optica, die deel uitmaakt van golfoptica. De laatste behandelt, zoals men zou kunnen aannemen, stralen als golven.

Formules van geometrische optica

De wet van rechtlijnige voortplanting: een straal in een medium van hetzelfde type heeft de neiging zich rechtlijnig voort te planten. Dat wil zeggen, licht reist langs de kortste weg die bestaat tussen twee punten. Je zou zelfs kunnen zeggen dat de lichtstraal zichzelf tijd wil besparen. Deze wet verklaart de verschijnselen van schaduw en halfschaduw.

Bijvoorbeeld, als de lichtbron zelf klein van formaat is of zich op zo'n grote afstand bevindt dat hijmaten kunnen worden genegeerd, de lichtstraal vormt heldere schaduwen. Maar als de lichtbron groot is of heel dichtbij, dan vormt de lichtstraal vage schaduwen en gedeeltelijke schaduwen.

Wet van onafhankelijke voortplanting

Lichtstralen hebben de neiging zich onafhankelijk van elkaar voort te planten. Dat wil zeggen, ze zullen elkaar op geen enkele manier beïnvloeden als ze elkaar kruisen of passeren in een homogeen medium. De stralen lijken zich niet bewust te zijn van het bestaan van andere stralen.

Wet van reflectie

Stel je voor dat iemand een laserpointer op een spiegel richt. Natuurlijk zal de bundel door de spiegel worden gereflecteerd en zich in een ander medium voortplanten. De hoek tussen de loodlijn op de spiegel en de eerste straal wordt de invalshoek genoemd, de hoek tussen de loodlijn op de spiegel en de tweede straal wordt de reflectiehoek genoemd. Deze hoeken zijn gelijk.

De formules van geometrische optica onthullen veel situaties waar niemand zelfs maar aan denkt. De wet van reflectie verklaart bijvoorbeeld waarom we onszelf in een "directe" spiegel precies kunnen zien zoals we zijn, en waarom het gebogen oppervlak een ander beeld creëert.

Formule:

a - invalshoek, b - reflectiehoek.

a=b

De wet van breking

De invalsstraal, de brekingsstraal en de loodlijn op de spiegel bevinden zich in hetzelfde vlak. Als de sinus van de invalshoek wordt gedeeld door de sinus van de brekingshoek, wordt de waarde n verkregen, die voor beide media constant is.

n laat zien onder welke hoek de bundel van het eerste medium overgaat in het tweede, en hoe de composities van deze media correleren.

Formule:

i - invalshoek. r - brekingshoek. n_{21 - brekingsindex.}

sin i/sin r=n_{2/ 1=} n₂₁

Wet van omkeerbaarheid van licht

Wat zegt de wet van de omkeerbaarheid van licht? Als de straal zich langs een goed gedefinieerd traject in één richting voortplant, zal het dezelfde route in de tegenovergestelde richting herhalen.

Resultaten

De formules van geometrische optica leggen in een enigszins vereenvoudigde vorm uit hoe een lichtstraal werkt. Hier is niets moeilijks aan. Ja, de formules en wetten van geometrische optica negeren enkele eigenschappen van het universum, maar hun belang voor de wetenschap kan niet worden onderschat.