Geometrische optica is een speciale tak van fysieke optica, die zich niet bezighoudt met de aard van licht, maar de bewegingswetten van lichtstralen in transparante media bestudeert. Laten we deze wetten in het artikel nader bekijken en ook voorbeelden geven van hun gebruik in de praktijk.
Straalvoortplanting in homogene ruimte: belangrijke eigenschappen
Iedereen weet dat licht een elektromagnetische golf is, die zich voor sommige natuurlijke fenomenen kan gedragen als een stroom van energiequanta (verschijnselen van het foto-elektrisch effect en de lichtdruk). Geometrische optica, zoals opgemerkt in de inleiding, houdt zich alleen bezig met de wetten van de voortplanting van licht, zonder in hun aard te duiken.
Als de straal beweegt in een homogeen transparant medium of in een vacuüm en onderweg geen obstakels tegenkomt, dan zal de lichtstraal in een rechte lijn bewegen. Dit kenmerk leidde tot de formulering van het principe van de minste tijd (het principe van Fermat) door de Fransman Pierre Fermat in het midden van de 17e eeuw.
Een ander belangrijk kenmerk van lichtstralen is hun onafhankelijkheid. Dit betekent dat elke straal zich in de ruimte voortplant zonder te "voelen"een andere straal zonder er interactie mee te hebben.
Ten slotte is de derde eigenschap van licht de verandering in de voortplantingssnelheid wanneer het van het ene transparante materiaal naar het andere gaat.
De gemarkeerde 3 eigenschappen van lichtstralen worden gebruikt bij het afleiden van de wetten van reflectie en breking.
Reflectie fenomeen
Dit fysieke fenomeen doet zich voor wanneer een lichtstraal een ondoorzichtig obstakel raakt dat veel groter is dan de golflengte van licht. Het feit van reflectie is een scherpe verandering in het traject van de bundel in hetzelfde medium.
Veronderstel dat een dunne lichtstraal op een ondoorzichtig vlak v alt onder een hoek θ1 met de normaal N die naar dit vlak wordt getrokken door het punt waar de bundel het raakt. Vervolgens wordt de bundel gereflecteerd onder een bepaalde hoek θ2 naar dezelfde normaal N. Het fenomeen reflectie gehoorzaamt aan twee hoofdwetten:
- De invallende gereflecteerde lichtstraal en de N-normaal liggen in hetzelfde vlak.
- De hoek van reflectie en de invalshoek van een lichtbundel zijn altijd gelijk (θ1=θ2).
Toepassing van het fenomeen reflectie in geometrische optica
De wetten van reflectie van een lichtstraal worden gebruikt bij het construeren van afbeeldingen van objecten (echt of denkbeeldig) in spiegels met verschillende geometrieën. De meest voorkomende spiegelgeometrieën zijn:
- vlakke spiegel;
- concaaf;
- convex.
Het is vrij eenvoudig om er een afbeelding in te bouwen. In een platte spiegel blijkt het altijd denkbeeldig te zijn, heeft het dezelfde grootte als het object zelf, is het direct, erinde linker- en rechterkant zijn omgekeerd.
Beelden in concave en convexe spiegels worden gemaakt met behulp van verschillende stralen (parallel aan de optische as, die door de focus en door het midden gaan). Hun type hangt af van de afstand van het object tot de spiegel. De onderstaande afbeelding laat zien hoe u afbeeldingen in convexe en concave spiegels kunt bouwen.
Het fenomeen van breking
Het bestaat uit een breuk (breking) van de straal wanneer deze de grens van twee verschillende transparante media (bijvoorbeeld water en lucht) overschrijdt onder een hoek met het oppervlak die niet gelijk is aan 90 o.
De moderne wiskundige beschrijving van dit fenomeen is gemaakt door de Nederlander Snell en de Fransman Descartes aan het begin van de 17e eeuw. Door de hoeken θ1 en θ3 aan te duiden voor de invallende en gebroken stralen ten opzichte van de normaal N van het vlak, schrijven we een wiskundige uitdrukking voor de fenomeen van breking:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
De grootheden n2en n1zijn de brekingsindices van media 2 en 1. Ze laten zien hoeveel de lichtsnelheid in het medium verschilt van die in de luchtloze ruimte. Bijvoorbeeld, voor water n=1,33, en voor lucht - 100029. Je moet weten dat de waarde van n een functie is van de frequentie van het licht (n is groter voor hogere frequenties dan voor lagere).
Toepassing van het fenomeen van breking in geometrische optica
Het beschreven fenomeen wordt gebruikt om afbeeldingen in te bouwendunne lenzen. Een lens is een object gemaakt van een transparant materiaal (glas, plastic, enz.) dat wordt begrensd door twee oppervlakken, waarvan er ten minste één een kromming heeft die niet nul is. Er zijn twee soorten lenzen:
- verzamelen;
- verstrooiing.
Convergerende lenzen worden gevormd door een convex bolvormig (sferisch) oppervlak. De breking van lichtstralen daarin gebeurt op een zodanige manier dat ze alle parallelle stralen op één punt verzamelen - de focus. Verstrooiende oppervlakken worden gevormd door concave transparante oppervlakken, dus nadat er parallelle stralen doorheen zijn gegaan, wordt het licht verstrooid.
De constructie van afbeeldingen in lenzen is qua techniek vergelijkbaar met de constructie van afbeeldingen in sferische spiegels. Het is ook noodzakelijk om meerdere bundels te gebruiken (parallel aan de optische as, die door het brandpunt en door het optische centrum van de lens gaan). De aard van de verkregen beelden wordt bepaald door het type lens en de afstand van het object tot het. De onderstaande afbeelding toont de techniek voor het verkrijgen van afbeeldingen van een object in dunne lenzen voor verschillende gevallen.
Apparaten die werken volgens de wetten van de geometrische optica
De eenvoudigste is een vergrootglas. Het is een enkele bolle lens die echte objecten tot 5 keer vergroot.
Een meer geavanceerd apparaat, dat ook wordt gebruikt om objecten te vergroten, is een microscoop. Het bestaat al uit een lenssysteem (minstens 2 convergerende lenzen) en stelt u in staat om een verhoging van deenkele honderden keren.
Ten slotte is het derde belangrijke optische instrument een telescoop die wordt gebruikt om hemellichamen te observeren. Het kan bestaan uit zowel een lenssysteem, dan wordt het een refractieve telescoop genoemd, en een spiegelsysteem - een reflecterende telescoop. Deze namen weerspiegelen het principe van zijn werk (breking of reflectie).
