Geometric optics: mga light ray

2024 May -akda: Angel Austin | [email protected]. Huling binago: 2024-01-02 17:57

Ang Geometric optics ay isang espesyal na sangay ng pisikal na optika, na hindi tumatalakay sa likas na katangian ng liwanag, ngunit pinag-aaralan ang mga batas ng paggalaw ng mga sinag ng liwanag sa transparent na media. Tingnan natin ang mga batas na ito sa artikulo, at magbigay din ng mga halimbawa ng paggamit ng mga ito sa pagsasanay.

Paglaganap ng sinag sa homogenous na espasyo: mahahalagang katangian

Alam ng lahat na ang liwanag ay isang electromagnetic wave, na para sa ilang natural na phenomena ay maaaring kumilos tulad ng isang stream ng energy quanta (phenomena ng photoelectric effect at light pressure). Ang geometric optics, gaya ng nabanggit sa panimula, ay tumatalakay lamang sa mga batas ng pagpapalaganap ng liwanag, nang hindi pinag-aaralan ang kanilang kalikasan.

Kung ang sinag ay gumagalaw sa isang homogenous na transparent na medium o sa isang vacuum at hindi makatagpo ng anumang mga hadlang sa daan nito, kung gayon ang light beam ay kikilos sa isang tuwid na linya. Ang tampok na ito ay humantong sa pagbabalangkas ng prinsipyo ng hindi bababa sa oras (prinsipyo ng Fermat) ng Pranses na si Pierre Fermat sa kalagitnaan ng ika-17 siglo.

Ang isa pang mahalagang katangian ng light rays ay ang kanilang pagsasarili. Nangangahulugan ito na ang bawat sinag ay kumakalat sa kalawakan nang walang "pakiramdam"isa pang sinag nang hindi nakikipag-ugnayan dito.

Sa wakas, ang ikatlong katangian ng liwanag ay ang pagbabago sa bilis ng pagpapalaganap nito kapag lumilipat mula sa isang transparent na materyal patungo sa isa pa.

Ang may markang 3 katangian ng light rays ay ginagamit sa derivation ng mga batas ng reflection at refraction.

Reflection phenomenon

Nangyayari ang pisikal na phenomenon na ito kapag tumama ang isang light beam sa isang opaque obstacle na mas malaki kaysa sa wavelength ng liwanag. Ang katotohanan ng pagmuni-muni ay isang matinding pagbabago sa trajectory ng beam sa parehong medium.

Ipagpalagay na ang isang manipis na sinag ng liwanag ay bumagsak sa isang opaque na eroplano sa isang anggulo θ₁ sa normal na N na iginuhit sa eroplanong ito sa pamamagitan ng punto kung saan ang sinag ay tumama dito. Pagkatapos ang sinag ay makikita sa isang tiyak na anggulo θ_{2 sa parehong normal na N. Ang phenomenon ng reflection ay sumusunod sa dalawang pangunahing batas:}

1. Ang insidente ay sumasalamin sa sinag ng liwanag at ang N normal ay nasa parehong eroplano.
2. Ang anggulo ng pagmuni-muni at anggulo ng saklaw ng isang sinag ng liwanag ay palaging pantay (θ₁=θ_2).

Aplikasyon ng phenomenon ng reflection sa geometric optics

Ang mga batas ng pagmuni-muni ng isang light beam ay ginagamit kapag gumagawa ng mga larawan ng mga bagay (totoo o haka-haka) sa mga salamin ng iba't ibang geometries. Ang pinakakaraniwang mirror geometries ay:

• flat mirror;
• malukong;
• matambok.

Medyo madaling bumuo ng imahe sa alinman sa mga ito. Sa isang patag na salamin, ito ay palaging lumiliko na haka-haka, may parehong laki ng bagay mismo, ay direkta, sa loob nitoang kaliwa at kanang bahagi ay baligtad.

Ang mga larawan sa concave at convex na salamin ay binuo gamit ang ilang ray (parallel sa optical axis, na dumadaan sa focus at sa gitna). Ang kanilang uri ay depende sa distansya ng bagay mula sa salamin. Ipinapakita ng figure sa ibaba kung paano bumuo ng mga imahe sa convex at concave na salamin.

Ang phenomenon ng repraksyon

Ito ay binubuo ng isang break (refraction) ng beam kapag ito ay tumatawid sa hangganan ng dalawang magkaibang transparent na media (halimbawa, tubig at hangin) sa isang anggulo sa ibabaw na hindi katumbas ng 90 o.

Ang modernong matematikal na paglalarawan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ginawa ng Dutchman na si Snell at ng French na si Descartes sa simula ng ika-17 siglo. Tinutukoy ang mga anggulo θ₁ at θ_{3 para sa insidente at mga refracted ray na nauugnay sa normal na N sa eroplano, sumusulat kami ng isang mathematical expression para sa phenomenon ng repraksyon:}

₁kasalanan(θ₁)=n₂kasalanan(θ _3).

Ang mga dami n₂at n_{1ay ang mga refractive index ng media 2 at 1. Ipinapakita nila kung gaano kabilis ang liwanag sa daluyan ay naiiba sa na sa walang hangin na espasyo. Halimbawa, para sa tubig n=1.33, at para sa hangin - 1.00029. Dapat mong malaman na ang halaga ng n ay isang function ng frequency ng liwanag (n ay mas malaki para sa mas mataas na frequency kaysa sa mas mababa).}

Aplikasyon ng phenomenon ng repraksyon sa geometric optics

Ang inilarawang phenomenon ay ginagamit upang bumuo ng mga larawan samanipis na mga lente. Ang lens ay isang bagay na gawa sa isang transparent na materyal (salamin, plastik, atbp.) na nakatali ng dalawang ibabaw, kahit isa sa mga ito ay may non-zero curvature. May dalawang uri ng lens:

• pagtitipon;
• scattering.

Ang mga converging lens ay nabuo sa pamamagitan ng convex spherical (spherical) surface. Ang repraksyon ng mga ilaw na sinag sa kanila ay nangyayari sa paraang kinokolekta nila ang lahat ng magkatulad na sinag sa isang punto - ang pokus. Ang mga nakakalat na ibabaw ay nabuo sa pamamagitan ng malukong na transparent na mga ibabaw, kaya pagkatapos ng pagdaan ng mga parallel ray sa kanila, ang liwanag ay nakakalat.

Ang pagbuo ng mga larawan sa mga lente sa pamamaraan nito ay katulad ng pagbuo ng mga larawan sa mga spherical na salamin. Kinakailangan din na gumamit ng ilang mga beam (parallel sa optical axis, na dumadaan sa focus at sa pamamagitan ng optical center ng lens). Ang likas na katangian ng nakuha na mga imahe ay tinutukoy ng uri ng lens at ang distansya ng bagay dito. Ipinapakita ng figure sa ibaba ang pamamaraan para sa pagkuha ng mga larawan ng isang bagay sa manipis na lente para sa iba't ibang kaso.

Mga device na gumagana ayon sa mga batas ng geometric optics

Ang pinakasimple sa mga ito ay isang magnifying glass. Ito ay isang convex lens na nagpapalaki ng mga totoong bagay nang hanggang 5 beses.

Ang isang mas sopistikadong aparato, na ginagamit din upang palakihin ang mga bagay, ay isang mikroskopyo. Binubuo na ito ng isang lens system (hindi bababa sa 2 converging lens) at nagbibigay-daan sa iyong makakuha ng pagtaas sailang daang beses.

Sa wakas, ang pangatlong mahalagang optical instrument ay isang teleskopyo na ginagamit upang pagmasdan ang mga celestial body. Maaari itong binubuo ng parehong sistema ng lens, pagkatapos ito ay tinatawag na isang repraktibo na teleskopyo, at isang sistema ng salamin - isang mapanimdim na teleskopyo. Ang mga pangalang ito ay sumasalamin sa prinsipyo ng gawain nito (refraction o reflection).