Geometrijska optika je posebna veja fizikalne optike, ki se ne ukvarja z naravo svetlobe, ampak proučuje zakonitosti gibanja svetlobnih žarkov v prozornih medijih. Oglejmo si te zakone podrobneje v članku in navedimo tudi primere njihove uporabe v praksi.
Razširjanje žarka v homogenem prostoru: pomembne lastnosti
Vsi vedo, da je svetloba elektromagnetno valovanje, ki se lahko pri nekaterih naravnih pojavih obnaša kot tok energijskih kvantov (pojava fotoelektričnega učinka in svetlobnega tlaka). Geometrijska optika, kot je navedeno v uvodu, obravnava le zakone širjenja svetlobe, ne da bi se poglobili v njihovo naravo.
Če se žarek premika v homogenem prosojnem mediju ali v vakuumu in na svoji poti ne naleti na ovire, se bo svetlobni žarek premikal v ravni črti. Ta lastnost je pripeljala do oblikovanja načela najmanjšega časa (Fermatov princip) s strani Francoza Pierra Fermata sredi 17. stoletja.
Druga pomembna značilnost svetlobnih žarkov je njihova neodvisnost. To pomeni, da se vsak žarek širi v prostoru brez "občutka"še en žarek brez interakcije z njim.
Nazadnje, tretja lastnost svetlobe je sprememba hitrosti njenega širjenja pri premikanju iz enega prozornega materiala v drugega.
Označene 3 lastnosti svetlobnih žarkov se uporabljajo pri izpeljavi zakonov odboja in loma.
Fenomen refleksije
Ta fizični pojav se pojavi, ko svetlobni žarek zadene neprozorno oviro, veliko večjo od valovne dolžine svetlobe. Dejstvo odboja je ostra sprememba poti žarka v istem mediju.
Predpostavimo, da tanek svetlobni žarek pade na neprozorno ravnino pod kotom θ1 na normalno N, potegnjeno na to ravnino skozi točko, kjer jo žarek zadene. Nato se žarek odbije pod določenim kotom θ2 na isto normalno N. Fenomen odboja je podrejen dvema glavnima zakonoma:
- Vpadni odbojni žarek svetlobe in normala N ležita v isti ravnini.
- Odbojni kot in vpadni kot svetlobnega snopa sta vedno enaka (θ1=θ2).
Uporaba fenomena refleksije v geometrijski optiki
Zakoni odboja svetlobnega snopa se uporabljajo pri konstruiranju podob predmetov (resničnih ali namišljenih) v zrcalih različnih geometrij. Najpogostejše geometrije zrcala so:
- plosko ogledalo;
- konkavno;
- konveksno.
V katerem koli od njih je zelo enostavno zgraditi sliko. V ravnem ogledalu se vedno izkaže za namišljeno, ima enako velikost kot sam predmet, je neposreden, v njemleva in desna stran sta obrnjeni.
Slike v konkavnih in konveksnih zrcalih so zgrajene z uporabo več žarkov (vzporedno z optično osjo, ki poteka skozi fokus in skozi središče). Njihova vrsta je odvisna od oddaljenosti predmeta od ogledala. Spodnja slika prikazuje, kako sestaviti slike v konveksnih in konkavnih ogledalih.
Fenomen loma
Sestoji iz preloma (loma) žarka, ko ta prečka mejo dveh različnih prozornih medijev (na primer vode in zraka) pod kotom na površino, ki ni enak 90 o.
Sodoben matematični opis tega pojava sta naredila Nizozemec Snell in Francoz Descartes v začetku 17. stoletja. Če označimo kota θ1 in θ3 za vpadne in lomljene žarke glede na normalno N na ravnino, zapišemo matematični izraz za fenomen loma:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Količine n2in n1so lomni indeksi medijev 2 in 1. Kažejo, kolikšna je hitrost svetlobe v mediju se razlikuje od tiste v brezzračnem prostoru. Na primer, za vodo n=1,33, za zrak pa 1,00029. Vedeti morate, da je vrednost n funkcija frekvence svetlobe (n je večji za višje frekvence kot za nižje).
Uporaba fenomena loma v geometrijski optiki
Opisani fenomen se uporablja za vgradnjo sliktanke leče. Leča je predmet iz prosojnega materiala (steklo, plastika itd.), ki ga omejujeta dve površini, od katerih ima vsaj ena ukrivljenost, ki ni nič. Obstajata dve vrsti leč:
- zbiranje;
- razprševanje.
Konvergentne leče tvori konveksna sferična (sferična) površina. Lom svetlobnih žarkov v njih poteka tako, da zberejo vse vzporedne žarke v eni točki – žarišču. Razpršene površine tvorijo konkavne prosojne površine, zato se po prehodu vzporednih žarkov skozi njih svetloba razprši.
Konstrukcija slik v lečah je po svoji tehniki podobna konstrukciji slik v sferičnih ogledalih. Prav tako je treba uporabiti več žarkov (vzporedno z optično osjo, ki poteka skozi žarišče in skozi optično središče leče). Narava dobljenih slik je določena z vrsto leče in razdaljo predmeta do nje. Spodnja slika prikazuje tehniko pridobivanja slike predmeta v tankih lečah za različne primere.
Naprave, ki delujejo po zakonih geometrijske optike
Najenostavnejša med njimi je povečevalno steklo. To je ena sama konveksna leča, ki poveča resnične predmete do 5-krat.
Bolj sofisticirana naprava, ki se uporablja tudi za povečevanje predmetov, je mikroskop. Sestavljen je že iz sistema leč (vsaj 2 konvergentni leči) in omogoča povečanjenekaj stokrat.
Nazadnje, tretji pomemben optični instrument je teleskop, ki se uporablja za opazovanje nebesnih teles. Lahko je sestavljen iz sistema leč, potem se imenuje refrakcijski teleskop in zrcalni sistem - odsevni teleskop. Ta imena odražajo princip njegovega delovanja (lom ali odboj).
