Geometrik optik, ışığın doğasıyla ilgilenmeyen, ancak ışık ışınlarının şeffaf ortamdaki hareket yasalarını inceleyen fiziksel optiğin özel bir dalıdır. Yazıda bu kanunlara daha yakından bakalım ve ayrıca pratikte kullanımlarından örnekler verelim.
Homojen uzayda ışın yayılımı: önemli özellikler
Herkes ışığın elektromanyetik bir dalga olduğunu bilir, bu dalga bazı doğal fenomenler için bir enerji kuantası akışı (fotoelektrik etki ve ışık basıncı fenomenleri) gibi davranabilir. Giriş bölümünde belirtildiği gibi geometrik optik, doğasına girmeden yalnızca ışığın yayılım yasalarıyla ilgilenir.
Işın homojen şeffaf bir ortamda veya boşlukta hareket ediyorsa ve yolunda herhangi bir engelle karşılaşmıyorsa, ışık huzmesi düz bir çizgide hareket edecektir. Bu özellik, 17. yüzyılın ortalarında Fransız Pierre Fermat tarafından en az zaman ilkesinin (Fermat ilkesi) formüle edilmesine yol açtı.
Işık ışınlarının bir diğer önemli özelliği de bağımsız olmalarıdır. Bu, her ışının uzayda "hissetmeden" yayıldığı anlamına gelir.onunla etkileşime girmeden başka bir ışın.
Son olarak, ışığın üçüncü özelliği, bir saydam malzemeden diğerine geçerken yayılma hızındaki değişimdir.
Işık ışınlarının işaretli 3 özelliği, yansıma ve kırılma yasalarının türetilmesinde kullanılır.
Yansıma fenomeni
Bu fiziksel olay, bir ışık huzmesi ışığın dalga boyundan çok daha büyük olan opak bir engele çarptığında meydana gelir. Yansıma gerçeği, aynı ortamdaki ışının yörüngesindeki keskin bir değişikliktir.
İnce bir ışık huzmesinin opak bir düzleme, bu düzleme çizilen normal N'ye θ1 açısıyla düştüğünü varsayalım. Daha sonra ışın belirli bir açıyla θ2 aynı normal N'ye yansıtılır. Yansıma fenomeni iki ana yasaya uyar:
- Olaydan yansıyan ışık demeti ve N normali aynı düzlemdedir.
- Bir ışık huzmesinin yansıma açısı ve gelme açısı her zaman eşittir (θ1=θ2).
Geometrik optikte yansıma olgusunun uygulanması
Bir ışık huzmesinin yansıma yasaları, çeşitli geometrilerdeki aynalarda nesnelerin (gerçek veya hayali) görüntülerini oluştururken kullanılır. En yaygın ayna geometrileri şunlardır:
- düz ayna;
- içbükey;
- dışbükey.
Herhangi birinde bir görüntü oluşturmak oldukça kolaydır. Düz bir aynada, her zaman hayali olduğu ortaya çıkar, nesnenin kendisiyle aynı boyuta sahiptir, doğrudandır, içindesol ve sağ taraflar ters çevrilir.
İçbükey ve dışbükey aynalardaki görüntüler birkaç ışın kullanılarak oluşturulur (optik eksene paralel, odaktan ve merkezden geçen). Tipleri, nesnenin aynadan uzaklığına bağlıdır. Aşağıdaki şekil dışbükey ve içbükey aynalarda görüntülerin nasıl oluşturulacağını gösterir.
Kırılma olgusu
Işının iki farklı saydam ortamın (örneğin su ve hava) sınırını yüzeye 90'a eşit olmayan bir açıyla geçtiğinde kırılmasından (kırılmasından) oluşur o.
Bu fenomenin modern matematiksel tanımı, 17. yüzyılın başında Hollandalı Snell ve Fransız Descartes tarafından yapılmıştır. Düzlemdeki normal N'ye göre gelen ve kırılan ışınlar için θ1 ve θ3 açılarını belirterek, aşağıdakiler için matematiksel bir ifade yazıyoruz. kırılma fenomeni:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
n2ve n1ortam 2 ve 1'in kırılma indisleridir. Işığın hızının ne kadar olduğunu gösterirler. ortamdaki havasız uzaydakinden farklıdır. Örneğin, su için n=1.33 ve hava için - 1.00029. n değerinin ışık frekansının bir fonksiyonu olduğunu bilmelisiniz (n, yüksek frekanslar için düşük olanlardan daha büyüktür).
Kırılma olgusunun geometrik optikte uygulanması
Açıklanan fenomen, görüntüler oluşturmak için kullanılır.ince lensler. Mercek, en az biri sıfır olmayan eğriliğe sahip iki yüzeyle sınırlanan saydam bir malzemeden (cam, plastik vb.) yapılmış bir nesnedir. İki tür lens vardır:
- toplama;
- saçılma.
Yakınlaşan mercekler, dışbükey küresel (küresel) bir yüzeyden oluşur. İçlerindeki ışık ışınlarının kırılması, tüm paralel ışınları bir noktada toplayacak şekilde gerçekleşir - odak. Saçılma yüzeyleri içbükey şeffaf yüzeyler tarafından oluşturulur, bu nedenle paralel ışınların içinden geçtikten sonra ışık saçılır.
Tekniğinde merceklerdeki görüntülerin oluşturulması, küresel aynalardaki görüntülerin oluşturulmasına benzer. Ayrıca birkaç ışın kullanmak da gereklidir (optik eksene paralel, odaktan ve merceğin optik merkezinden geçen). Elde edilen görüntülerin doğası, lens tipine ve nesnenin ona olan mesafesine göre belirlenir. Aşağıdaki şekil, çeşitli durumlar için ince lenslerde bir nesnenin görüntülerini elde etme tekniğini göstermektedir.
Geometrik optik yasalarına göre çalışan cihazlar
Onların en basiti bir büyüteçtir. Gerçek nesneleri 5 kata kadar büyüten tek bir dışbükey mercektir.
Nesneleri büyütmek için de kullanılan daha gelişmiş bir cihaz mikroskoptur. Halihazırda bir mercek sisteminden (en az 2 yakınsak mercek) oluşur vebirkaç yüz kez.
Son olarak, üçüncü önemli optik alet, gök cisimlerini gözlemlemek için kullanılan bir teleskoptur. Hem bir mercek sisteminden oluşabilir, daha sonra buna kırıcı teleskop ve ayna sistemi - yansıtıcı teleskop denir. Bu adlar, çalışmalarının ilkesini yansıtır (kırılma veya yansıma).
