اپتیک هندسی شاخه خاصی از اپتیک فیزیکی است که به ماهیت نور نمی پردازد، بلکه به مطالعه قوانین حرکت پرتوهای نور در محیط های شفاف می پردازد. بیایید در مقاله نگاهی دقیق تر به این قوانین بیندازیم و همچنین مثال هایی از کاربرد آنها در عمل ارائه دهیم.
انتشار پرتو در فضای همگن: خواص مهم
همه می‌دانند که نور یک موج الکترومغناطیسی است که برای برخی از پدیده‌های طبیعی می‌تواند مانند جریانی از کوانتوم‌های انرژی (پدیده‌های اثر فوتوالکتریک و فشار نور) رفتار کند. اپتیک هندسی، همانطور که در مقدمه ذکر شد، تنها به قوانین انتشار نور می پردازد، بدون اینکه در ماهیت آنها تحقیق کند.
اگر پرتو در یک محیط شفاف همگن یا در خلاء حرکت کند و در مسیر خود با هیچ مانعی برخورد نکند، پرتو نور در یک خط مستقیم حرکت می کند. این ویژگی منجر به تدوین اصل حداقل زمان (اصل فرمات) توسط پیر فرما فرانسوی در اواسط قرن هفدهم شد.
یکی دیگر از ویژگی های مهم پرتوهای نور استقلال آنهاست. این بدان معنی است که هر پرتو بدون "احساس" در فضا منتشر می شود.یک پرتو دیگر بدون تعامل با آن.
در نهایت، سومین خاصیت نور تغییر در سرعت انتشار آن هنگام حرکت از یک ماده شفاف به ماده دیگر است.
3 خاصیت مشخص شده پرتوهای نور در اشتقاق قوانین بازتاب و شکست استفاده می شود.
پدیده بازتاب
این پدیده فیزیکی زمانی رخ می دهد که یک پرتو نور به مانعی کدر بسیار بزرگتر از طول موج نور برخورد کند. واقعیت بازتاب یک تغییر شدید در مسیر پرتو در همان محیط است.
فرض کنید که یک پرتو نازک نور بر روی صفحه ای مات با زاویه θ1 به N معمولی کشیده شده به این صفحه از نقطه ای که پرتو با آن برخورد می کند می افتد. سپس پرتو در یک زاویه معین θ2 به همان N معمولی منعکس می شود. پدیده بازتاب از دو قانون اصلی تبعیت می کند:
- پرتو منعکس شده تابشی و N نرمال در یک صفحه قرار دارند.
- زاویه بازتاب و زاویه تابش پرتو نور همیشه برابر است (θ1=θ2).
کاربرد پدیده بازتاب در اپتیک هندسی
قوانین انعکاس یک پرتو نور هنگام ساختن تصاویر اجسام (واقعی یا خیالی) در آینه هایی با هندسه های مختلف استفاده می شود. رایج ترین هندسه های آینه ای عبارتند از:
- آینه تخت؛
- مقعر;
- محدب.
ساختن یک تصویر در هر یک از آنها بسیار آسان است. در یک آینه تخت، همیشه به نظر می رسد که خیالی است، به اندازه خود جسم است، مستقیم است، در آن است.سمت چپ و راست معکوس هستند.
تصاویر در آینه های مقعر و محدب با استفاده از چندین پرتو (موازی با محور نوری، عبور از کانون و از مرکز) ساخته می شوند. نوع آنها بستگی به فاصله جسم از آینه دارد. شکل زیر نحوه ساخت تصاویر در آینه های محدب و مقعر را نشان می دهد.
پدیده انکسار
شامل شکست (انکسار) پرتو است که از مرز دو محیط شفاف مختلف (مثلاً آب و هوا) با زاویه ای نسبت به سطح عبور می کند که برابر با 90 نیست. o.
توصیف ریاضی مدرن این پدیده توسط اسنل هلندی و دکارت فرانسوی در آغاز قرن هفدهم انجام شد. با نشان دادن زوایای θ1 و θ3 برای پرتوهای فرود و شکست نسبت به N نرمال به صفحه، یک عبارت ریاضی برای پدیده شکست:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
کمیت های n2و n1 ضرایب شکست محیط 2 و 1 هستند. آنها نشان می دهند که سرعت نور چقدر است. در محیط با فضای بدون هوا متفاوت است. به عنوان مثال، برای آب n=1.33 و برای هوا - 1.00029. باید بدانید که مقدار n تابعی از فرکانس نور است (n برای فرکانس های بالاتر بیشتر از فرکانس های پایین تر است).
کاربرد پدیده شکست در اپتیک هندسی
پدیده توصیف شده برای ساخت تصاویر درلنزهای نازک عدسی جسمی ساخته شده از یک ماده شفاف (شیشه، پلاستیک و غیره) است که توسط دو سطح که حداقل یکی از آنها دارای انحنای غیر صفر است محدود شده است. دو نوع لنز وجود دارد:
- گردهمایی;
- پراکندگی.
عدسی های همگرا توسط یک سطح کروی محدب (کروی) تشکیل می شوند. شکست پرتوهای نور در آنها به گونه ای اتفاق می افتد که تمام پرتوهای موازی را در یک نقطه - کانون - جمع می کنند. سطوح پراکنده توسط سطوح شفاف مقعر تشکیل می شوند، بنابراین پس از عبور پرتوهای موازی از آنها، نور پراکنده می شود.
ساخت تصاویر در لنزها در تکنیک خود مشابه ساخت تصاویر در آینه های کروی است. همچنین لازم است از چندین پرتو (موازی با محور نوری، عبور از کانون و از مرکز نوری لنز) استفاده شود. ماهیت تصاویر به دست آمده با توجه به نوع لنز و فاصله جسم تا آن مشخص می شود. شکل زیر تکنیک به دست آوردن تصاویر یک جسم در لنزهای نازک را برای موارد مختلف نشان می دهد.
دستگاه هایی که طبق قوانین اپتیک هندسی کار می کنند
ساده ترین آنها یک ذره بین است. این یک عدسی محدب است که اجسام واقعی را تا 5 برابر بزرگنمایی می‌کند.
دستگاه پیچیده‌تر که برای بزرگنمایی اجسام نیز استفاده می‌شود، میکروسکوپ است. در حال حاضر از یک سیستم لنز (حداقل 2 لنز همگرا) تشکیل شده است و به شما امکان می دهد افزایش درچندین صد بار.
در نهایت، سومین ابزار نوری مهم تلسکوپی است که برای رصد اجرام آسمانی استفاده می شود. این می تواند از هر دو سیستم عدسی تشکیل شده باشد، سپس آن را تلسکوپ انکساری و سیستم آینه ای - تلسکوپ بازتابی می نامند. این نام ها منعکس کننده اصل کار آن (شکست یا بازتاب) هستند.
