L'ottica geometrica è una branca speciale dell'ottica fisica, che non si occupa della natura della luce, ma studia le leggi del moto dei raggi luminosi nei mezzi trasparenti. Diamo un'occhiata più da vicino a queste leggi nell'articolo e forniamo anche esempi del loro utilizzo nella pratica.
Propagazione dei raggi nello spazio omogeneo: proprietà importanti
Tutti sanno che la luce è un'onda elettromagnetica, che per alcuni fenomeni naturali può comportarsi come un flusso di quanti di energia (fenomeni dell'effetto fotoelettrico e della pressione della luce). L'ottica geometrica, come notato nell'introduzione, si occupa solo delle leggi della propagazione della luce, senza approfondire la loro natura.
Se il raggio si muove in un mezzo trasparente omogeneo o nel vuoto e non incontra ostacoli lungo il suo percorso, il raggio di luce si muoverà in linea retta. Questa caratteristica portò alla formulazione del principio del minor tempo (principio di Fermat) da parte del francese Pierre Fermat a metà del XVII secolo.
Un' altra importante caratteristica dei raggi di luce è la loro indipendenza. Ciò significa che ogni raggio si propaga nello spazio senza "sentire"un altro raggio senza interagire con esso.
Infine, la terza proprietà della luce è il cambiamento nella velocità di propagazione quando ci si sposta da un materiale trasparente all' altro.
Le 3 proprietà marcate dei raggi luminosi sono utilizzate nella derivazione delle leggi di riflessione e rifrazione.
Fenomeno di riflessione
Questo fenomeno fisico si verifica quando un raggio di luce colpisce un ostacolo opaco molto più grande della lunghezza d'onda della luce. Il fatto della riflessione è un brusco cambiamento nella traiettoria del raggio nello stesso mezzo.
Supponiamo che un sottile raggio di luce cada su un piano opaco con un angolo θ1 rispetto alla normale N trascinata su questo piano attraverso il punto in cui il raggio lo colpisce. Quindi il raggio viene riflesso ad un certo angolo θ2 alla stessa N normale. Il fenomeno della riflessione obbedisce a due leggi principali:
- Il raggio di luce riflesso incidente e la normale N giacciono sullo stesso piano.
- L'angolo di riflessione e l'angolo di incidenza di un raggio luminoso sono sempre uguali (θ1=θ2).
Applicazione del fenomeno della riflessione in ottica geometrica
Le leggi di riflessione di un raggio di luce vengono utilizzate quando si costruiscono immagini di oggetti (reali o immaginari) in specchi di varie geometrie. Le geometrie speculari più comuni sono:
- specchio piatto;
- concavo;
- convesso.
È abbastanza facile creare un'immagine in ognuno di essi. In uno specchio piatto risulta sempre immaginario, ha le stesse dimensioni dell'oggetto stesso, è diretto, in essoi lati sinistro e destro sono invertiti.
Le immagini negli specchi concavi e convessi sono costruite utilizzando più raggi (paralleli all'asse ottico, passanti per il fuoco e per il centro). Il loro tipo dipende dalla distanza dell'oggetto dallo specchio. La figura seguente mostra come costruire immagini in specchi convessi e concavi.
Il fenomeno della rifrazione
Consiste in una rottura (rifrazione) del raggio quando attraversa il confine di due diversi mezzi trasparenti (ad esempio acqua e aria) con un angolo rispetto alla superficie non uguale a 90 o.
La moderna descrizione matematica di questo fenomeno è stata fatta dall'olandese Snell e dal francese Descartes all'inizio del XVII secolo. Indicando gli angoli θ1 e θ3 per i raggi incidenti e rifratti relativi alla normale N al piano, scriviamo un'espressione matematica per il fenomeno di rifrazione:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Le quantità n2e n1sono gli indici di rifrazione dei mezzi 2 e 1. Mostrano quanto è la velocità della luce nel mezzo è diverso da quello nello spazio senz'aria. Ad esempio, per l'acqua n=1,33 e per l'aria - 1,00029 Dovresti sapere che il valore di n è una funzione della frequenza della luce (n è maggiore per le frequenze più alte che per quelle inferiori).
Applicazione del fenomeno della rifrazione in ottica geometrica
Il fenomeno descritto viene utilizzato per creare immaginilenti sottili. Una lente è un oggetto costituito da un materiale trasparente (vetro, plastica, ecc.) che è delimitato da due superfici, almeno una delle quali ha una curvatura diversa da zero. Esistono due tipi di lenti:
- raduno;
- scattering.
Le lenti convergenti sono formate da una superficie sferica (sferica) convessa. La rifrazione dei raggi luminosi al loro interno avviene in modo tale da raccogliere tutti i raggi paralleli in un punto: il fuoco. Le superfici di diffusione sono formate da superfici trasparenti concave, quindi dopo il passaggio di raggi paralleli attraverso di esse, la luce viene dispersa.
La costruzione di immagini in lenti nella sua tecnica è simile alla costruzione di immagini in specchi sferici. È inoltre necessario utilizzare più raggi (paralleli all'asse ottico, passanti per il fuoco e per il centro ottico dell'obiettivo). La natura delle immagini ottenute è determinata dal tipo di obiettivo e dalla distanza dell'oggetto da esso. La figura seguente mostra la tecnica per ottenere immagini di un oggetto con lenti sottili per vari casi.
Dispositivi che funzionano secondo le leggi dell'ottica geometrica
La più semplice è una lente d'ingrandimento. È una singola lente convessa che ingrandisce oggetti reali fino a 5 volte.
Un dispositivo più sofisticato, utilizzato anche per ingrandire gli oggetti, è un microscopio. È già costituito da un sistema di lenti (almeno 2 lenti convergenti) e consente di ottenere un aumentodiverse centinaia di volte.
Infine, il terzo importante strumento ottico è un telescopio utilizzato per osservare i corpi celesti. Può consistere sia in un sistema di lenti, quindi è chiamato telescopio rifrattivo, sia in un sistema di specchi, un telescopio riflettente. Questi nomi riflettono il principio del suo lavoro (rifrazione o riflessione).
