אופטיקה גיאומטרית היא ענף מיוחד באופטיקה פיזיקלית, שאינו עוסק בטבעו של האור, אלא חוקר את חוקי התנועה של קרני האור במדיה שקופה. בואו נסתכל מקרוב על חוקים אלו במאמר, ונתן גם דוגמאות לשימוש בהם בפועל.
התפשטות הקרניים במרחב הומוגני: מאפיינים חשובים
כולם יודעים שאור הוא גל אלקטרומגנטי, אשר עבור תופעות טבע מסוימות יכול להתנהג כמו זרם של קוונטות אנרגיה (תופעות של האפקט הפוטואלקטרי ולחץ האור). אופטיקה גיאומטרית, כפי שצוין בהקדמה, עוסקת רק בחוקי התפשטות האור, מבלי להתעמק בטבעם.
אם האלומה נעה במדיום שקוף הומוגני או בוואקום ולא נתקלת במכשולים בדרכה, אזי אלומת האור תנוע בקו ישר. תכונה זו הובילה לגיבוש עקרון הזמן הקטן ביותר (עקרון פרמה) על ידי הצרפתי פייר פרמה באמצע המאה ה-17.
תכונה חשובה נוספת של קרני האור היא עצמאותן. זה אומר שכל קרן מתפשטת בחלל בלי "להרגיש"קרן אחרת מבלי ליצור איתה אינטראקציה.
לבסוף, התכונה השלישית של האור היא השינוי במהירות ההתפשטות שלו במעבר מחומר שקוף אחד למשנהו.
3 המאפיינים המסומנים של קרני האור משמשים בגזירת חוקי ההשתקפות והשבירה.
תופעת השתקפות
תופעה פיזיקלית זו מתרחשת כאשר אלומת אור פוגעת במכשול אטום הגדול בהרבה מאורך הגל של האור. עובדת ההשתקפות היא שינוי חד במסלול האלומה באותו מדיום.
נניח שקרן אור דקה נופלת על מישור אטום בזווית θ1 ל-N הרגיל הנמשך למישור זה דרך הנקודה שבה הקרן פוגעת בה. אז הקרן מוחזרת בזווית מסוימת θ2 לאותו N נורמלי. תופעת ההשתקפות מצייתת לשני חוקים עיקריים:
- האירוע המוחזר קרן האור והנורמלי N שוכנים באותו מישור.
- זווית ההשתקפות וזווית הפגיעה של אלומת אור שוות תמיד (θ1=θ2).
יישום תופעת ההשתקפות באופטיקה גיאומטרית
חוקי ההחזר של קרן אור משמשים בעת בניית תמונות של עצמים (אמיתיים או דמיוניים) במראות בגיאומטריות שונות. גיאומטריות המראה הנפוצות ביותר הן:
- מראה שטוחה;
- concave;
- קמור.
די קל לבנות תמונה בכל אחת מהן. במראה שטוחה היא תמיד מתבררת כדמיונית, בעלת גודל זהה לעצם עצמו, ישירה, בתוכההצד השמאלי והימני הפוכים.
תמונות במראות קעורות וקמורות בנויות באמצעות מספר קרניים (מקבילות לציר האופטי, עוברות דרך המוקד ודרך המרכז). הסוג שלהם תלוי במרחק של האובייקט מהמראה. האיור שלהלן מראה כיצד לבנות תמונות במראות קמורות וקעורות.
תופעת השבירה
היא מורכבת משבירה (שבירה) של האלומה כשהיא חוצה את הגבול של שני אמצעים שקופים שונים (לדוגמה, מים ואוויר) בזווית אל פני השטח שאינה שווה ל-90 o.
התיאור המתמטי המודרני של תופעה זו נעשה על ידי סנל ההולנדי והצרפתי דקארט בתחילת המאה ה-17. מציינים את הזוויות θ1 ו-θ3 עבור האירוע והקרניים השבורות ביחס ל-N הנורמלי למישור, נכתוב ביטוי מתמטי עבור תופעת השבירה:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 3).
הכמויות n2ו-n1הם מדדי השבירה של מדיה 2 ו-1. הם מראים כמה מהירות האור במדיום שונה מזה בחלל חסר אוויר. לדוגמה, עבור מים n=1.33, ועבור אוויר - 1.00029. עליך לדעת שהערך של n הוא פונקציה של תדר האור (n גדול עבור תדרים גבוהים יותר מאשר עבור נמוכים יותר).
יישום תופעת השבירה באופטיקה גיאומטרית
התופעה המתוארת משמשת לבניית תמונותעדשות דקות. עדשה היא חפץ העשוי מחומר שקוף (זכוכית, פלסטיק וכו') התחום על ידי שני משטחים, שלפחות אחד מהם בעל עקמומיות שאינה אפס. ישנם שני סוגים של עדשות:
- איסוף;
- פיזור.
עדשות מתכנסות נוצרות על ידי משטח כדורי (כדורי) קמור. שבירה של קרני האור בהן מתרחשת באופן שהן אוספות את כל הקרניים המקבילות בנקודה אחת - המוקד. משטחי פיזור נוצרים על ידי משטחים שקופים קעורים, ולכן לאחר מעבר של קרניים מקבילות דרכם, אור מתפזר.
בניית תמונות בעדשות בטכניקה שלה דומה לבניית תמונות במראות כדוריות. כמו כן, יש צורך להשתמש במספר אלומות (מקביל לציר האופטי, העובר דרך המוקד ודרך המרכז האופטי של העדשה). אופי התמונות המתקבלות נקבע לפי סוג העדשה והמרחק של האובייקט אליה. האיור שלהלן מציג את הטכניקה לקבלת תמונות של אובייקט בעדשות דקות עבור מקרים שונים.
התקנים הפועלים לפי חוקי האופטיקה הגיאומטרית
הפשוטה שבהם היא זכוכית מגדלת. זוהי עדשה קמורה אחת שמגדילה עצמים אמיתיים עד פי 5.
מכשיר מתוחכם יותר, המשמש גם להגדלת עצמים, הוא מיקרוסקופ. זה כבר מורכב ממערכת עדשות (לפחות 2 עדשות מתכנסות) ומאפשר לך לקבל עלייה בכמה מאות פעמים.
לבסוף, המכשיר האופטי החשוב השלישי הוא טלסקופ המשמש לתצפית על גרמי שמיים. זה יכול להיות מורכב גם ממערכת עדשות, ואז זה נקרא טלסקופ שבירה, וגם ממערכת מראה - טלסקופ רפלקטיבי. שמות אלו משקפים את העיקרון של עבודתו (שבירה או השתקפות).
