Геометричната оптика е специален клон на физическата оптика, който не се занимава с природата на светлината, а изучава законите на движението на светлинните лъчи в прозрачни среди. Нека разгледаме по-отблизо тези закони в статията и също така да дадем примери за тяхното използване на практика.
Разпространение на лъчи в хомогенно пространство: важни свойства
Всеки знае, че светлината е електромагнитна вълна, която за някои природни явления може да се държи като поток от енергийни кванти (явления на фотоелектричния ефект и светлинното налягане). Геометричната оптика, както е отбелязано във въведението, се занимава само със законите на разпространението на светлината, без да навлиза в тяхната природа.
Ако лъчът се движи в хомогенна прозрачна среда или във вакуум и не срещне препятствия по пътя си, тогава светлинният лъч ще се движи по права линия. Тази особеност доведе до формулирането на принципа на най-малко време (принципа на Ферма) от французина Пиер Ферма в средата на 17 век.
Друга важна характеристика на светлинните лъчи е тяхната независимост. Това означава, че всеки лъч се разпространява в пространството, без да "усеща"друг лъч, без да взаимодейства с него.
Накрая, третото свойство на светлината е промяната в скоростта на нейното разпространение при преминаване от един прозрачен материал към друг.
Означените 3 свойства на светлинните лъчи се използват при извеждането на законите за отражение и пречупване.
Феномен на отражение
Това физическо явление възниква, когато светлинен лъч удари непрозрачно препятствие, много по-голямо от дължината на вълната на светлината. Фактът на отражение е рязка промяна в траекторията на лъча в същата среда.
Да приемем, че тънък лъч светлина пада върху непрозрачна равнина под ъгъл θ1 спрямо нормалното N, изтеглено към тази равнина през точката, където лъчът я удря. Тогава лъчът се отразява под определен ъгъл θ2 спрямо същата норма N. Феноменът на отражение се подчинява на два основни закона:
- Инцидентът отразен лъч светлина и нормата N лежат в една и съща равнина.
- Ъгълът на отражение и ъгълът на падане на светлинния лъч винаги са равни (θ1=θ2).
Прилагане на явлението отражение в геометричната оптика
Законите за отражение на светлинен лъч се използват при конструиране на изображения на обекти (реални или въображаеми) в огледала с различна геометрия. Най-често срещаните огледални геометрии са:
- плоско огледало;
- вдлъбнато;
- изпъкнал.
Доста лесно е да изградите изображение във всеки от тях. В плоско огледало то винаги се оказва въображаемо, има същия размер като самия обект, директно е, в неголявата и дясната страна са обърнати.
Изображенията във вдлъбнати и изпъкнали огледала се изграждат с помощта на няколко лъча (успоредни на оптичната ос, преминаващи през фокуса и през центъра). Техният вид зависи от разстоянието на обекта от огледалото. Фигурата по-долу показва как да създавате изображения в изпъкнали и вдлъбнати огледала.
Феноменът на пречупване
Състои се в счупване (пречупване) на лъча, когато той пресича границата на две различни прозрачни среди (например вода и въздух) под ъгъл спрямо повърхността, който не е равен на 90 o.
Съвременното математическо описание на това явление е направено от холандеца Снел и французина Декарт в началото на 17 век. Означавайки ъглите θ1 и θ3 за падащите и пречупените лъчи спрямо нормата N към равнината, ние пишем математически израз за феномен на пречупване:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Количествата n2и n1 са показателите на пречупване на среда 2 и 1. Те показват колко е скоростта на светлината в средата се различава от тази в безвъздушното пространство. Например за вода n=1,33, а за въздух - 1,00029. Трябва да знаете, че стойността на n е функция от честотата на светлината (n е по-голямо за по-високи честоти, отколкото за по-ниски).
Прилагане на явлението пречупване в геометричната оптика
Описаният феномен се използва за изграждане на изображениятънки лещи. Леща е обект, направен от прозрачен материал (стъкло, пластмаса и др.), който е ограничен от две повърхности, поне една от които има ненулева кривина. Има два вида лещи:
- събиране;
- разпръскване.
Сборните лещи се образуват от изпъкнала сферична (сферична) повърхност. Пречупването на светлинните лъчи в тях става по такъв начин, че те събират всички успоредни лъчи в една точка - фокуса. Разсейващите повърхности се образуват от вдлъбнати прозрачни повърхности, така че след преминаването на успоредни лъчи през тях, светлината се разсейва.
Изграждането на изображения в лещи по своята техника е подобно на изграждането на изображения в сферични огледала. Също така е необходимо да се използват няколко лъча (успоредни на оптичната ос, преминаващи през фокуса и през оптичния център на лещата). Естеството на получените изображения се определя от вида на обектива и разстоянието на обекта до него. Фигурата по-долу показва техниката за получаване на изображения на обект в тънки лещи за различни случаи.
Устройства, работещи според законите на геометричната оптика
Най-простият от тях е лупа. Това е единична изпъкнала леща, която увеличава реални обекти до 5 пъти.
По-сложно устройство, което се използва и за увеличаване на обекти, е микроскопът. Той вече се състои от система от лещи (поне 2 събирателни лещи) и ви позволява да получите увеличение наняколкостотин пъти.
Накрая, третият важен оптичен инструмент е телескоп, използван за наблюдение на небесни тела. Тя може да се състои както от система от лещи, тогава се нарича рефракционен телескоп, така и от огледална система - отразяващ телескоп. Тези имена отразяват принципа на неговата работа (пречупване или отражение).
