Geometrik optik temel formülleri. Fiziğin bir dalı olarak optik

MÖ 5. yüzyılda yaşayan eski bilim adamları, doğadaki ve bu dünyadaki her şeyin koşullu olduğunu, yalnızca atomların ve boşluğun gerçeklik olarak adlandırılabileceğini öne sürdüler. Bugüne kadar, ışığın yapısı kavramını, belirli özelliklere sahip parçacıkların sabit bir akışı olarak doğrulayan önemli tarihi belgeler korunmuştur. fiziki ozellikleri. Ancak “optik” teriminin kendisi çok daha sonra ortaya çıkacak. Yeryüzünde meydana gelen tüm süreçlerin yapısını kavrayarak atılan Demokritos ve Öklid gibi filozofların tohumları filizlendi. Klasik optik ancak 19. yüzyılın başında gerçek değerini elde edebildi. karakter özellikleri, modern bilim adamları tarafından tanınabilir ve tam teşekküllü bir bilim olarak ortaya çıktı.

Tanım 1

Optik, güçlü elektromanyetik dalgaların görünür spektrumdaki ve buna yakın aralıklardaki yayılımıyla doğrudan ilgili olayları inceleyen ve değerlendiren büyük bir fizik dalıdır.

Bu bölümün ana sınıflandırması, ışığın özel yapısı doktrininin tarihsel gelişimine karşılık gelir:

• geometrik – MÖ 3. yüzyıl (Öklid);
• fiziksel – 17. yüzyıl (Huygens);
• kuantum – 20. yüzyıl (Planck).

Optik, ışığın kırılmasının özelliklerini tam olarak karakterize eder ve bu konuyla doğrudan ilgili olayları açıklar. Optik sistemlerin yöntem ve ilkeleri fizik, elektrik mühendisliği ve tıp (özellikle oftalmoloji) dahil olmak üzere birçok uygulamalı disiplinde kullanılmaktadır. Disiplinlerarası alanların yanı sıra bu alanlarda da uygulamalı optiğin başarıları son derece popülerdir ve bu, hassas mekanikle birlikte optik-mekanik endüstrisi için sağlam bir temel oluşturur.

Işığın doğası

Optik, doğa hakkındaki eski fikirlerin sınırlarının sunulduğu fiziğin ilk ve ana dallarından biri olarak kabul edilir.

Sonuç olarak, bilim adamları dualiteyi kurmayı başardılar doğal olaylar ve ışık:

• Newton'dan kaynaklanan ışığın parçacık hipotezi, bu süreci, kesinlikle herhangi bir radyasyonun ayrı olarak gerçekleştirildiği ve belirli bir enerjinin gücünün minimum kısmının, karşılık gelen bir frekansa ve büyüklüğe sahip olduğu temel parçacıkların - fotonların akışı olarak inceler. yayılan ışığın yoğunluğu;
• Huygens'ten kaynaklanan ışığın dalga teorisi, ışık kavramını, optik olaylarda gözlemlenen ve bu dalgaların eylemlerinin bir sonucu olarak temsil edilen bir dizi paralel monokromatik elektromanyetik dalga olarak ifade eder.

Işığın bu özellikleriyle, radyasyon kuvvetinin ve enerjisinin diğer enerji türlerine geçişinin olmaması, tamamen normal bir süreç olarak kabul edilir, çünkü elektromanyetik dalgalar, girişim olgusunun uzaysal ortamında birbirleriyle etkileşime girmez, çünkü ışık etkileri devam eder. özgüllüklerini değiştirmeden yayılmak.

Elektrik ve manyetik radyasyonun dalga ve parçacık hipotezleri uygulamalarını buldu. bilimsel çalışmalar Maxwell denklemler şeklinde.

Sürekli hareket eden bir dalga olarak ışığın bu yeni kavramı, ışık alanının yapısı da dahil olmak üzere, kırınım ve girişimle ilişkili süreçlerin açıklanmasını mümkün kılar.

Işığın özellikleri

Işık dalgasının $\lambda$ uzunluğu doğrudan bu olgunun uzaysal ortamdaki $v$ genel yayılma hızına bağlıdır ve aşağıdaki ilişkiyle $\nu$ frekansıyla ilişkilidir:

$\lambda = \frac(v)(\nu)=\frac (c)(n\nu)$

burada $n$ ortamın kırılma parametresidir. Genel olarak bu gösterge elektromanyetik dalga boyunun temel bir fonksiyonudur: $n=n(\lambda)$.

Kırılma indisinin dalga boyuna bağımlılığı, ışığın sistematik dağılımı olgusu şeklinde kendini gösterir. Fizikte evrensel ve hala çok az çalışılan bir kavram, ışık hızı $c$'dır. O özel anlam mutlak boşlukta sadece temsil edilmez azami hız güçlü elektromanyetik frekansların yayılmasının yanı sıra bilgi yayılımının veya diğerlerinin maksimum yoğunluğu fiziksel etki maddi nesnelere. Işık akışının farklı alanlardaki hareketi arttıkça, ışığın başlangıç ​​hızı $v$ sıklıkla azalır: $v = \frac (c)(n)$.

Işığın ana özellikleri şunlardır:

• ışık dalga boylarının ölçeğiyle belirlenen spektral ve karmaşık bileşim;
• genel değişim tarafından belirlenen kutuplaşma mekansal ortam dalga yayılımına göre elektrik vektörü;
• çift ​​kırılma olmadığında dalga cephesiyle çakışması gereken bir ışık ışınının yayılma yönü.

Kuantum ve fizyolojik optik

Fikir Detaylı Açıklama Kuantumların yardımıyla elektromanyetik alan 20. yüzyılın başında ortaya çıktı ve Max Planck tarafından seslendirildi. Bilim adamları, ışığın sürekli emisyonunun belirli parçacıklar - kuantum aracılığıyla gerçekleştirildiğini öne sürdüler. 30 yıl sonra ışığın yalnızca kısmen ve paralel olarak yayılmadığı, aynı zamanda emildiği de kanıtlandı.

Bu, Albert Einstein'a ışığın ayrık yapısını belirleme fırsatı sağladı. Günümüzde bilim insanları ışık kuantum fotonları adını veriyor ve akışın kendisi de elementlerin ayrılmaz bir grubu olarak kabul ediliyor. Dolayısıyla kuantum optiğinde ışık, aynı anda hem parçacık akışı hem de dalga olarak kabul edilir, çünkü girişim ve kırınım gibi süreçler tek bir foton akışıyla açıklanamaz.

20. yüzyılın ortalarında Brown-Twiss'in araştırma faaliyetleri, kuantum optiğinin kullanım alanının daha doğru bir şekilde belirlenmesini mümkün kıldı. Bilim insanının çalışması, iki fotodetektöre foton yayan ve elemanların kaydı hakkında sabit bir ses sinyali veren belirli sayıda ışık kaynağının, cihazların aynı anda çalışmasını sağlayabildiğini kanıtladı.

Uygulama pratik kullanım Klasik olmayan ışık, araştırmacıları inanılmaz sonuçlara götürdü. Bu bakımdan kuantum optiği benzersiz bir olguyu temsil eder. modern yön araştırma ve uygulama açısından muazzam bir potansiyele sahiptir.

Not 1

Modern optik uzun zamandır birçok alanı kapsıyor bilim dünyası ve talep gören ve popüler olan gelişmeler.

Optik biliminin bu alanları, diğer alanlar da dahil olmak üzere, ışığın elektromanyetik veya kuantum özellikleriyle doğrudan ilişkilidir.

Tanım 2

Fizyolojik optik, ışığın görsel algısını inceleyen ve biyokimya, biyofizik ve psikolojiden gelen bilgileri birleştiren yeni bir disiplinlerarası bilimdir.

Tüm optik yasalarını dikkate alarak bilimin bu bölümü bu bilimlere dayanmaktadır ve özel bir pratik yöne sahiptir. Görsel aparatın elemanları incelenir ve ayrıca şunlara da dikkat edilir: Özel dikkat benzersiz fenomen, örneğin, Optik yanılsama ve halüsinasyonlar. Bu alandaki çalışmaların sonuçları fizyoloji, tıp, optik mühendisliği ve film endüstrisinde kullanılmaktadır.

Günümüzde optik kelimesi daha çok mağaza adı olarak kullanılmaktadır. Doğal olarak, bu tür özel noktalardan çeşitli cihazları satın almak mümkündür. teknik optik- lensler, gözlükler, görmeyi koruyucu mekanizmalar. Bu aşamada mağazalar, görme keskinliğini yerinde doğru bir şekilde belirlemenin yanı sıra mevcut sorunları ve bunları gidermenin yollarını tespit etmelerini sağlayan modern ekipmanlara sahiptir.

Işık- Bunlar, ortalama insan gözü için dalga boyları 400 ila 760 nm arasında değişen elektromanyetik dalgalardır. Bu sınırlar dahilinde ışığa denir görünür. En uzun dalga boyuna sahip ışık bize kırmızı, en kısa dalga boyuna sahip ışık ise mor görünür. Şu deyimi kullanarak spektrumdaki renklerin değişimini hatırlamak kolaydır: İLE Her HAKKINDA avcı VE istiyor Z Hayır, G de İLE gitmek F ezan." Söylenen kelimelerin ilk harfleri, dalga boyunun azalan sırasına göre (ve buna bağlı olarak artan frekansta) spektrumun ana renklerinin ilk harflerine karşılık gelir: “ İLE kırmızı - HAKKINDA menzil - VE sarı - Z yeşil - G mavi - İLE mavi - F mor." Dalga boyu kırmızıdan daha uzun olan ışığa denir kızılötesi. Gözlerimiz bunu fark etmez ama cildimiz bu tür dalgaları termal radyasyon şeklinde kaydeder. Dalga boyu mordan kısa olan ışığa denir ultraviyole.

Elektromanyetik dalgalar(ve özellikle, ışık dalgaları, ya da sadece ışık) uzayda ve zamanda yayılan bir elektromanyetik alandır. Elektromanyetik dalgalar eninedir - elektriksel yoğunluk ve manyetik indüksiyon vektörleri birbirine diktir ve dalganın yayılma yönüne dik bir düzlemde uzanır. Işık dalgaları, diğer elektromanyetik dalgalar gibi, madde içinde sonlu bir hızla yayılır ve bu hız aşağıdaki formülle hesaplanabilir:

Nerede: ε Ve μ – maddenin dielektrik ve manyetik geçirgenliği, ε 0 ve μ 0 – elektrik ve manyetik sabitler: ε 0 = 8,85419 10 –12 F/m, μ 0 = 1,25664·10 –6 H/m. Işığın boşluktaki hızı(Nerede ε = μ = 1) sabit ve eşittir İle= 3∙10 8 m/s, aşağıdaki formül kullanılarak da hesaplanabilir:

Işığın boşluktaki hızı temel fiziksel sabitlerden biridir. Işık herhangi bir ortamda yayılıyorsa yayılma hızı da aşağıdaki ilişkiyle ifade edilir:

Nerede: N– maddenin kırılma indisi – fiziksel miktar, ışığın bir ortamdaki hızının boşluktakinden kaç kat daha az olduğunu gösterir. Kırılma indisi, önceki formüllerden de görülebileceği gibi aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

• Işık enerji taşır. Işık dalgaları yayıldığında, bir elektromanyetik enerji akışı ortaya çıkar.
• Işık dalgaları bireysel kuantumlar halinde yayılır Elektromanyetik radyasyon(fotonlar) atomlar veya moleküller.

Işığın yanı sıra başka tür elektromanyetik dalgalar da vardır. Aşağıda azalan dalga boyuna (ve buna bağlı olarak artan frekansa) göre listelenmiştir:

• Radyo dalgaları;
• Kızılötesi radyasyon;
• Görülebilir ışık;
• Morötesi radyasyon;
• X-ışını radyasyonu;
• Gama radyasyonu.

Parazit yapmak

Parazit yapmak– Işığın dalga doğasının en parlak tezahürlerinden biri. Sözde uygulanırken ışık enerjisinin uzayda yeniden dağıtılmasıyla ilişkilidir. tutarlı dalgalar, yani aynı frekanslara ve sabit faz farkına sahip dalgalar. Işın örtüşme bölgesindeki ışık yoğunluğu, maksimumda daha büyük yoğunluk ve minimumda daha büyük yoğunlukla değişen açık ve koyu şeritler karakterine sahiptir. miktardan daha azışın yoğunlukları. Beyaz ışık kullanıldığında girişim saçakları spektrumun farklı renklerinde görünür.

Paraziti hesaplamak için kavram kullanılır optik yol uzunluğu. Işığın mesafeyi kat etmesine izin verin L kırılma indeksi olan bir ortamda N. Daha sonra optik yol uzunluğu aşağıdaki formülle hesaplanır:

Girişimin oluşması için en az iki ışının üst üste gelmesi gerekir. Onlar için hesaplanır optik yol farkı(optik uzunluk farkı) aşağıdaki formüle göre:

Parazit sırasında ne olacağını belirleyen bu değerdir: minimum veya maksimum. Aşağıdakileri unutmayın: maksimum girişim(açık şerit), uzayda aşağıdaki koşulun sağlandığı noktalarda gözlenir:

Şu tarihte: M= 0, maksimum sıfır derece gözlenir, M= Birinci dereceden maksimum ±1 vb. Minimum parazit(koyu bant) aşağıdaki koşul karşılandığında gözlenir:

Salınım faz farkı:

İlk başta tek sayı(bir) minimum birinci dereceden, ikinci (üç) minimum ikinci dereceden olacaktır, vb. Minimum sıfır sipariş yoktur.

Kırınım. Kırınım ızgarası

Kırınımışık, boyutları ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilen engellerin yanından geçerken ışığın doğrusal yayılma yönünden sapması olgusudur (ışığın engellerin etrafında bükülmesi). Deneyimler, ışığın belirli koşullar altında geometrik gölge bölgesine girebileceğini (yani olmaması gereken yerde olabileceğini) göstermektedir. Paralel bir ışık ışınının yolunda yuvarlak bir engel varsa (yuvarlak bir disk, bir top veya opak bir ekranda yuvarlak bir delik), o zaman engelden yeterince büyük bir mesafede bulunan ekranda, kırınım deseni– değişen açık ve koyu halkalardan oluşan bir sistem. Engel doğrusalsa (yarık, iplik, ekranın kenarı), ekranda paralel kırınım saçakları sistemi belirir.

Kırınım ızgaraları temsil etmek periyodik yapılarözel bir bölme makinesiyle bir cam veya metal plakanın yüzeyine kazınır. İyi ızgaralarda birbirine paralel çizgiler yaklaşık 10 cm uzunluğundadır ve milimetrede 2000'e kadar çizgi bulunur. Bu durumda ızgaranın toplam uzunluğu 10-15 cm'ye ulaşır, bu tür ızgaraların üretimi en yüksek teknolojilerin kullanılmasını gerektirir. Uygulamada, şeffaf bir filmin yüzeyine milimetre başına 50-100 çizgi uygulanan daha kaba ızgaralar da kullanılır.

Işık normalde bir kırınım ızgarasına düştüğünde, bazı yönlerde maksimumlar gözlenir (ışığın başlangıçta geldiği yön dışında). Gözlemlenebilmek için maksimum girişim, aşağıdaki koşulun karşılanması gerekir:

Nerede: D– ızgaranın periyodu (veya sabiti) (bitişik çizgiler arasındaki mesafe), M kırınım maksimumunun sırası adı verilen bir tamsayıdır. Ekranın bu koşulun karşılandığı noktalarında, kırınım modelinin ana maksimumları olarak adlandırılan noktalar bulunur.

Geometrik optik yasaları

Geometrik optikışığın dalga özelliklerini dikkate almayan bir fizik dalıdır. Geometrik optiğin temel yasaları, ışığın fiziksel doğası belirlenmeden çok önce biliniyordu.

Optik olarak homojen ortam- bu, tüm hacminde kırılma indisinin değişmeden kaldığı bir ortamdır.

Işığın doğrusal yayılım yasası: Optik olarak homojen bir ortamda ışık doğrusal olarak yayılır. Bu yasa, ışığın yayıldığı geometrik bir çizgi olarak ışık ışınının fikrine yol açar. Işığın doğrusal yayılma yasasının ihlal edildiğine ve ışık, boyutları dalga boyuyla karşılaştırılabilir küçük deliklerden geçerse (bu durumda kırınım gözlenir) ışık ışını kavramının anlamını yitirdiğine dikkat edilmelidir.

İki şeffaf ortam arasındaki arayüzde ışık kısmen yansıtılabilir, böylece ışık enerjisinin bir kısmı yansımadan sonra yeni bir yönde yayılır ve kısmen sınırdan geçerek ikinci ortamda yayılır.

Işığın yansıması kanunu: gelen ve yansıyan ışınların yanı sıra, ışının geliş noktasında yeniden oluşturulan iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde (geliş düzlemi) bulunur. Yansıma açısı γ açıya eşit düşme α . Optikteki tüm açıların iki ortam arasındaki arayüze dik olarak ölçüldüğünü unutmayın.

Işığın kırılma yasası (Snell yasası): gelen ve kırılan ışınların yanı sıra, ışının geliş noktasında yeniden oluşturulan iki ortam arasındaki arayüze dik olan aynı düzlemde bulunur. Geliş açısı sinüs oranı α kırılma açısının sinüsüne β verilen iki ortam için sabit bir değerdir ve şu ifadeyle belirlenir:

Kırılma yasası, 1621'de Hollandalı bilim adamı W. Snellius tarafından deneysel olarak oluşturuldu. Sabit değer N 21 çağrıldı bağıl gösterge refraksiyon birinciye göre ikinci ortam. Bir ortamın boşluğa göre kırılma indisine denir. mutlak kırılma indisi.

Çarşamba büyük bir değer mutlak göstergeye optik olarak daha yoğun ve daha düşük olana daha az yoğun denir. Daha az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken, ışın dikey çizgiye "baskı yapar" ve daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçerken dikeyden "uzaklaşır". Işının kırılmadığı tek durum, geliş açısının 0 olması (yani ışınların arayüze dik olması) durumudur.

Işık optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçtiğinde N 2 < N 1 (örneğin camdan havaya) gözlemlenebilir toplam iç yansıma olgusu yani kırılan ışının ortadan kaybolması. Bu olay belirli bir kritik açıyı aşan geliş açılarında gözlenir. α pr denir toplam iç yansımanın sınır açısı. Geliş açısı için α = α pr, günah β = 1, çünkü β = 90°, bu kırılan ışının arayüzey boyunca ilerlediği anlamına gelir ve Snell yasasına göre aşağıdaki koşul sağlanır:

Geliş açısı sınırlayıcıdan büyük olduğunda, kırılan ışın artık sınır boyunca ilerlemez, ancak sinüsünün birden büyük olması gerektiğinden hiç görünmez, ancak bu olamaz.

Lensler

Lens iki küresel yüzeyle sınırlanmış şeffaf bir gövdedir. Merceğin kalınlığı, küresel yüzeylerin eğrilik yarıçaplarına kıyasla küçükse, o zaman mercek denir. ince.

Lensler var toplama Ve saçılma. Merceğin kırılma indisi aşağıdakilerden büyükse çevre, ortadaki yakınsak mercek kenarlardan daha kalındır, ıraksak mercek ise tam tersine orta kısımda daha incedir. Merceğin kırılma indisi çevredeki ortamın kırılma indisinden küçükse bu durumun tersi doğrudur.

Küresel yüzeylerin eğrilik merkezlerinden geçen düz çizgiye denir merceğin ana optik ekseni. İnce mercekler söz konusu olduğunda, yaklaşık olarak ana optik eksenin mercekle bir noktada kesiştiğini varsayabiliriz; buna genellikle denir. merceğin optik merkezi. Işık huzmesi, orijinal yönünden sapmadan merceğin optik merkezinden geçer. Optik merkezden geçen tüm doğrulara denir ikincil optik eksenler.

Ana optik eksene paralel bir ışın demeti merceğe yönlendirilirse, mercekten geçtikten sonra ışınlar (veya bunların devamı) bir noktada birleşecektir. F, buna denir merceğin ana odağı. İnce bir merceğin, ana optik eksen üzerindeki merceğe göre simetrik olarak yerleştirilmiş iki ana odağı vardır. Yakınsak merceklerin gerçek odakları varken, ıraksak merceklerin sanal odakları vardır. Lensin optik merkezi arasındaki mesafe Ö ve ana odak F isminde odak uzaklığı. Aynı harfle gösterilir F.

Mercek formülü

Merceklerin temel özelliği nesnelerin görüntülerini üretebilme yeteneğidir. Resim- bu, mercekteki kırılmadan sonra kaynak tarafından yayılan ışınların (veya uzantılarının) uzayda kesiştiği noktadır. Görüntüler geliyor dümdüz Ve Tepe taklak, geçerli(ışınların kendileri kesişir) ve hayali(ışınların devamları kesişir), büyütülmüş Ve azaltılmış.

Görüntünün konumu ve karakteri geometrik yapılar kullanılarak belirlenebilir. Bunu yapmak için, seyri bilinen bazı standart ışınların özelliklerini kullanın. Bunlar, merceğin optik merkezinden veya odak noktalarından birinden geçen ışınların yanı sıra ana veya ikincil optik eksenlerden birine paralel olan ışınlardır.

Basit olması açısından, bir noktanın görüntüsünün bir nokta olacağını hatırlayabilirsiniz. Ana optik eksen üzerinde bulunan bir noktanın görüntüsü, ana optik eksen üzerinde yer alır. Bir segmentin görüntüsü bir segmenttir. Bir segment ana optik eksene dikse, görüntüsü ana optik eksene dik olur. Ancak segment ana optik eksene belirli bir açıyla eğimliyse, görüntüsü başka bir açıyla eğimli olacaktır.

Görüntüler ayrıca kullanılarak hesaplanabilir. ince lens formülleri. Bir nesneden merceğe olan en kısa mesafe şu şekilde gösteriliyorsa: D ve mercek ile görüntü arasındaki en kısa mesafe F ise ince mercek formülü şu şekilde yazılabilir:

Boyut D, odak uzunluğunun tersi. isminde merceğin optik gücü. Optik gücün birimi 1 diyoptridir (dopter). Diyoptri, odak uzaklığı 1 m olan bir merceğin optik gücüdür.

Merceklerin odak uzunluklarına belirli işaretler atamak gelenekseldir: yakınsak bir mercek için F> 0, saçılma için F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.

Miktarları D Ve F ayrıca belirli bir işaret kuralına da uyun: F> 0 – gerçek görüntüler için; F < 0 – для мнимых изображений. Перед D“-” işareti yalnızca yakınsak bir ışın demeti merceğe düştüğünde yerleştirilir. Daha sonra zihinsel olarak merceğin arkasındaki kesişme noktasına kadar uzatılırlar, oraya hayali bir ışık kaynağı yerleştirilir ve bunun için mesafe belirlenir. D.

Nesnenin merceğe göre konumuna bağlı olarak görüntünün doğrusal boyutları değişir. Doğrusal artış lensler Γ görüntünün doğrusal boyutlarının nesneye oranı denir. Bir merceğin doğrusal büyütülmesi için bir formül vardır:

O web sitesinde. Bunu yapmak için hiçbir şeye ihtiyacınız yok: her gün üç ila dört saatinizi fizik ve matematikte CT'ye hazırlanmaya, teori çalışmaya ve problem çözmeye ayırın. Gerçek şu ki CT, sadece fizik veya matematik bilmenin yeterli olmadığı, aynı zamanda hızlı ve hatasız çözebilmeniz gereken bir sınavdır. çok sayıda için görevler farklı konular ve değişen karmaşıklığa sahiptir. İkincisi ancak binlerce problemi çözerek öğrenilebilir.

Bu üç noktanın başarılı, özenli ve sorumlu bir şekilde uygulanması, CT'de yapabildiğiniz maksimum düzeyde mükemmel bir sonuç göstermenize olanak sağlayacaktır.

Bir hata mı buldunuz?

Bir hata bulduğunuzu düşünüyorsanız eğitim materyalleri, ardından lütfen e-postayla bu konu hakkında yazın. Ayrıca bir hatayı şu adrese bildirebilirsiniz: sosyal ağ(). Mektupta konuyu (fizik veya matematik), konunun veya testin adını veya numarasını, problemin numarasını veya metinde (sayfada) sizce hatanın olduğu yeri belirtin. Ayrıca şüphelenilen hatanın ne olduğunu da açıklayın. Mektubunuz gözden kaçmayacak, hata ya düzeltilecek ya da neden hata olmadığı size açıklanacak.

Işığın kırılma ve yansıma özelliğine sahip olduğunu herkes bilir veya en azından duymuştur. Ancak bunun nasıl veya daha doğrusu hangi spesifik kriterlere göre gerçekleştiğini yalnızca geometrik ve dalga optiğinin formülleri açıklayabilir. Ve tüm bu öğreti, MÖ 3. yüzyılda Öklid tarafından ortaya atılan “ışın” kavramına dayanmaktadır. Peki bilimsel olarak ışın nedir?

Işın, ışık dalgalarının hareket ettiği düz bir çizgidir. Nasıl, neden - bu sorular dalga optiğinin bir parçası olan geometrik optik formülleriyle cevaplanıyor. İkincisi, tahmin edilebileceği gibi, ışınları dalga olarak ele alır.

Geometrik optik formülleri

Doğrusal Yayılma Yasası: Aynı türden bir ortamdaki ışın, doğrusal olarak yayılma eğilimindedir. Yani ışık iki nokta arasındaki en kısa yol boyunca hareket eder. Hatta ışık ışınının kendine zaman kazandırmaya çalıştığını bile söyleyebilirsiniz. Bu yasa gölge ve yarı gölge olaylarını açıklar.

Örneğin, ışık kaynağının kendisi küçükse veya boyutu göz ardı edilebilecek kadar büyük bir mesafeye yerleştirilmişse, ışık huzmesi net gölgeler oluşturur. Ama eğer ışık kaynağı büyük beden veya çok yakın mesafedeyse, ışık huzmesi bulanık gölgeler ve kısmi gölge oluşturur.

Bağımsız Yayılım Yasası

Işık ışınları birbirinden bağımsız olarak yayılma eğilimindedir. Yani homojen bir ortamda kesişmeleri veya birbirlerinin içinden geçmeleri durumunda birbirlerini hiçbir şekilde etkilemezler. Işınlar diğer ışınların varlığından habersiz gibi görünüyor.

Yansıma Yasası

Bir kişinin lazer işaretleyiciyi aynaya doğrulttuğunu hayal edelim. Elbette ışın aynadan yansıyacak ve başka bir ortamda yayılacaktır. Aynaya dik gelen ışın ile ilk ışın arasındaki açıya yansıma açısı denir. Bu açılar eşittir.

Geometrik optiğin formülleri kimsenin aklına bile gelmeyen pek çok durumu ortaya koymaktadır. Örneğin “düz” bir aynada kendimizi neden tam olarak olduğumuz gibi görebildiğimizi, kavisli yüzeyinin neden farklı bir görüntü oluşturduğunu açıklıyor.

a geliş açısı, b yansıma açısıdır.

kırılma kanunu

Gelen ışın, kırılma ışını ve aynaya dik olan ışın aynı düzlemde bulunur. Gelme açısının sinüsü sinüse bölünürse her iki ortam için de sabit olan n değerini elde ederiz.

n, ışının birinci ortamdan ikinciye hangi açıyla geçtiğini ve bu ortamların bileşimlerinin nasıl ilişkili olduğunu gösterir.

i - olay açısı. r kırılma açısıdır. n 21 - kırılma indisi.

sin i/sin r = n 2/ n 1 = n 21

Işığın Tersinirliği Yasası

Işığın tersinirliği kanunu ne diyor? Bir ışın belirli bir yol boyunca bir yönde yayılırsa, ters yönde aynı yolu tekrarlayacaktır.

Sonuçlar

Geometrik optik formülleri, bir ışık ışınının nasıl çalıştığını biraz basitleştirilmiş bir biçimde açıklar. Bunda karmaşık bir şey yok. Evet, geometrik optiğin formülleri ve yasaları evrenin bazı özelliklerini ihmal ediyor, ancak bunların bilim açısından önemi de göz ardı edilemez.