Geometrinė optika yra speciali fizikinės optikos šaka, kuri nenagrinėja šviesos prigimties, o tiria šviesos spindulių judėjimo skaidriose terpėse dėsnius. Atidžiau pažvelkime į šiuos straipsnyje esančius įstatymus, taip pat pateikime jų naudojimo praktikoje pavyzdžių.
Spindulio sklidimas vienalytėje erdvėje: svarbios savybės
Visi žino, kad šviesa yra elektromagnetinė banga, kuri kai kuriems gamtos reiškiniams gali veikti kaip energijos kvantų srautas (fotoelektrinio efekto ir šviesos slėgio reiškiniai). Geometrinė optika, kaip pažymėta įvade, susijusi tik su šviesos sklidimo dėsniais, nesigilinant į jų prigimtį.
Jei spindulys juda vienalytėje skaidrioje terpėje arba vakuume ir savo kelyje nesusiduria su kliūtimis, šviesos spindulys judės tiesia linija. Dėl šios ypatybės XVII amžiaus viduryje prancūzas Pierre'as Fermat suformulavo mažiausio laiko principą (Fermato principą).
Kita svarbi šviesos spindulių savybė yra jų nepriklausomumas. Tai reiškia, kad kiekvienas spindulys sklinda erdvėje „nejausdamas“kitą spindulį su juo nesąveikaujant.
Pagaliau, trečioji šviesos savybė yra jos sklidimo greičio pokytis pereinant nuo vienos skaidrios medžiagos prie kitos.
Pažymėtos 3 šviesos spindulių savybės naudojamos atspindžio ir lūžio dėsniams išvesti.
Atspindžio reiškinys
Šis fizinis reiškinys atsiranda, kai šviesos spindulys atsitrenkia į nepermatomą kliūtį, daug didesnę už šviesos bangos ilgį. Atspindžio faktas yra staigus pluošto trajektorijos pokytis toje pačioje terpėje.
Tarkime, kad plonas šviesos spindulys krinta į nepermatomą plokštumą kampu θ1 į normalią N, nubrėžtą į šią plokštumą per tašką, kuriame spindulys patenka į jį. Tada spindulys atsispindi tam tikru kampu θ2 į tą patį normalųjį N. Atspindžio reiškinys paklūsta dviem pagrindiniams dėsniams:
- Krintantis atspindėtas šviesos spindulys ir N normalioji yra toje pačioje plokštumoje.
- Šviesos pluošto atspindžio kampas ir kritimo kampas visada yra lygūs (θ1=θ2).
Atspindžio reiškinio taikymas geometrinėje optikoje
Šviesos pluošto atspindžio dėsniai naudojami kuriant objektų (tikrųjų ar įsivaizduojamų) atvaizdus įvairios geometrijos veidrodžiuose. Dažniausiai pasitaikančios veidrodžių geometrijos yra:
- plokščias veidrodis;
- įgaubtas;
- išgaubtas.
Sukurti įvaizdį bet kuriame iš jų gana paprasta. Plokščiame veidrodyje jis visada pasirodo įsivaizduojamas, tokio pat dydžio kaip pats objektas, yra tiesioginis, jamekairė ir dešinė pusės yra apverstos.
Vaizdai įgaubtuose ir išgaubtuose veidrodžiuose sukuriami naudojant kelis spindulius (lygiagrečiai optinei ašiai, einančius per židinį ir per centrą). Jų tipas priklauso nuo objekto atstumo nuo veidrodžio. Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kaip sukurti vaizdus išgaubtuose ir įgaubtuose veidrodžiuose.
Lūžio reiškinys
Ją sudaro pluošto lūžis (lūžis), kai jis kerta dviejų skirtingų skaidrių terpių (pavyzdžiui, vandens ir oro) ribą kampu į paviršių, kuris nėra lygus 90 o.
Šiuolaikinį matematinį šio reiškinio apibūdinimą XVII amžiaus pradžioje pateikė olandas Snell ir prancūzas Dekartas. Žymėdami kampus θ1 ir θ3 kritimo ir lūžusių spindulių, palyginti su normaliu N plokštumai, parašome matematinę išraišką lūžio reiškinys:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 3).
Dydžiai n2ir n1yra 2 ir 1 terpės lūžio rodikliai. Jie parodo, koks šviesos greitis terpėje skiriasi nuo esančios beorėje erdvėje. Pavyzdžiui, vandens n=1,33, o oro - 1,00029. Turėtumėte žinoti, kad n reikšmė yra šviesos dažnio funkcija (n yra didesnis, kai dažnis yra aukštesnis nei mažesnis).
Lūžio reiškinio taikymas geometrinėje optikoje
Aprašytas reiškinys naudojamas vaizdams kurtiploni lęšiai. Lęšis – objektas, pagamintas iš skaidrios medžiagos (stiklo, plastiko ir kt.), kurį riboja du paviršiai, iš kurių bent vienas yra nulinio kreivumo. Yra dviejų tipų lęšiai:
- susirinkimas;
- išsibarstymas.
Konverguojančius lęšius sudaro išgaubtas sferinis (sferinis) paviršius. Šviesos spindulių lūžimas juose vyksta taip, kad jie surenka visus lygiagrečius spindulius viename taške – židinyje. Sklaidos paviršius formuoja įgaubti skaidrūs paviršiai, todėl pro juos prasisklaidžius lygiagretiems spinduliams, šviesa išsisklaido.
Atvaizdų konstravimas objektyvuose savo technika yra panašus į vaizdų konstravimą sferiniuose veidrodžiuose. Taip pat būtina naudoti kelis pluoštus (lygiagrečiai optinei ašiai, einančius per židinį ir per objektyvo optinį centrą). Gautų vaizdų pobūdį lemia objektyvo tipas ir objekto atstumas iki jo. Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta įvairiais atvejais objekto vaizdų su plonais lęšiais gavimo technika.
Įrenginiai, veikiantys pagal geometrinės optikos dėsnius
Paprasčiausias iš jų yra didinamasis stiklas. Tai vienas išgaubtas objektyvas, kuris padidina tikrus objektus iki 5 kartų.
Įmantresnis prietaisas, kuris taip pat naudojamas objektams didinti, yra mikroskopas. Jį jau sudaro lęšių sistema (bent 2 susiliejantys lęšiai) ir leidžia padidintikelis šimtus kartų.
Pagaliau trečias svarbus optinis instrumentas yra teleskopas, naudojamas dangaus kūnams stebėti. Jį gali sudaryti ir lęšių sistema, tada ji vadinama refrakciniu teleskopu, ir veidrodinė sistema – atspindintis teleskopas. Šie pavadinimai atspindi jo veikimo principą (lūžis arba atspindys).
