გეომეტრიული ოპტიკა არის ფიზიკური ოპტიკის განსაკუთრებული ფილიალი, რომელიც არ ეხება სინათლის ბუნებას, მაგრამ სწავლობს გამჭვირვალე გარემოში სინათლის სხივების მოძრაობის კანონებს. მოდით, უფრო ახლოს მივხედოთ ამ კანონებს სტატიაში და ასევე მოვიყვანოთ მათი პრაქტიკაში გამოყენების მაგალითები.
სხივების გავრცელება ერთგვაროვან სივრცეში: მნიშვნელოვანი თვისებები
ყველამ იცის, რომ სინათლე არის ელექტრომაგნიტური ტალღა, რომელიც ზოგიერთი ბუნებრივი ფენომენისთვის შეიძლება მოიქცეს ენერგიის კვანტების ნაკადად (ფოტოელექტრული ეფექტისა და სინათლის წნევის ფენომენები). გეომეტრიული ოპტიკა, როგორც შესავალშია აღნიშნული, ეხება მხოლოდ სინათლის გავრცელების კანონებს, მათ ბუნებაში ჩაღრმავების გარეშე.
თუ სხივი მოძრაობს ერთგვაროვან გამჭვირვალე გარემოში ან ვაკუუმში და არ წააწყდება რაიმე დაბრკოლებას მის გზაზე, მაშინ სინათლის სხივი მოძრაობს სწორი ხაზით. ამ თვისებამ განაპირობა მე-17 საუკუნის შუა ხანებში ფრანგი პიერ ფერმას მიერ უმცირესი დროის პრინციპის (ფერმას პრინციპი) ჩამოყალიბება..
სინათლის სხივების კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი თვისება მათი დამოუკიდებლობაა. ეს ნიშნავს, რომ თითოეული სხივი ვრცელდება სივრცეში "გრძნობის" გარეშე.სხვა სხივი მასთან ურთიერთობის გარეშე.
და ბოლოს, სინათლის მესამე თვისება არის მისი გავრცელების სიჩქარის ცვლილება ერთი გამჭვირვალე მასალისგან მეორეზე გადასვლისას.
სინათლის სხივების მონიშნული 3 თვისება გამოიყენება არეკვლისა და გარდატეხის კანონების წარმოშობაში.
არეკვლის ფენომენი
ეს ფიზიკური ფენომენი ხდება მაშინ, როდესაც სინათლის სხივი ხვდება გაუმჭვირვალე დაბრკოლებას, რომელიც ბევრად აღემატება სინათლის ტალღის სიგრძეს. არეკვლის ფაქტი არის სხივის ტრაექტორიის მკვეთრი ცვლილება იმავე გარემოში.
ვუშვათ, რომ სინათლის წვრილი სხივი ეცემა გაუმჭვირვალე სიბრტყეზე θ1 კუთხით ამ სიბრტყისკენ მიზიდულ ნორმალურ N-თან იმ წერტილის გავლით, სადაც სხივი მას ეცემა. შემდეგ სხივი აირეკლება გარკვეული კუთხით θ2 იმავე ნორმალურ N-თან. არეკვლის ფენომენი ემორჩილება ორ ძირითად კანონს:.
- შემთხვევა ასახული სინათლის სხივი და N ნორმალური დევს ერთ სიბრტყეში.
- არეკვლის კუთხე და სინათლის სხივის დაცემის კუთხე ყოველთვის ტოლია (θ1=θ2).
არეკვლის ფენომენის გამოყენება გეომეტრიულ ოპტიკაში
სინათლის სხივის ასახვის კანონები გამოიყენება სხვადასხვა გეომეტრიის სარკეებში ობიექტების (რეალური თუ წარმოსახვითი) გამოსახულების აგებისას. ყველაზე გავრცელებული სარკის გეომეტრიებია:
- ბრტყელი სარკე;
- ჩაზნექილი;
- ამოზნექილი.
ძალიან მარტივია რომელიმე მათგანში გამოსახულების აგება. ბრტყელ სარკეში ის ყოველთვის წარმოსახვითია, აქვს იგივე ზომა, როგორც თავად საგანი, არის პირდაპირი, მასშიმარცხენა და მარჯვენა მხარეები შებრუნებულია.
გამოსახულებები ჩაზნექილ და ამოზნექილ სარკეებში აგებულია რამდენიმე სხივის გამოყენებით (ოპტიკური ღერძის პარალელურად, გადის ფოკუსში და ცენტრში). მათი ტიპი დამოკიდებულია ობიექტის დაშორებაზე სარკიდან. ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს, თუ როგორ უნდა ავაშენოთ გამოსახულება ამოზნექილ და ჩაზნექილ სარკეებში.
რეფრაქციის ფენომენი
იგი შედგება სხივის რღვევაში (გატეხვაში), როდესაც ის კვეთს ორი განსხვავებული გამჭვირვალე გარემოს (მაგალითად, წყლისა და ჰაერის) საზღვარს ზედაპირის მიმართ კუთხით, რომელიც არ არის 90. o.
ამ ფენომენის თანამედროვე მათემატიკური აღწერა გააკეთეს ჰოლანდიელმა სნელმა და ფრანგმა დეკარტმა მე-17 საუკუნის დასაწყისში. კუთხების θ1 და θ3 კუთხეების აღნიშვნა სიბრტყის ნორმალურ N-თან შედარებით დამთხვევისა და რეფრაქციული სხივებისთვის, ჩვენ ვწერთ მათემატიკურ გამოსახულებას რეფრაქციის ფენომენი:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
რაოდენობები n2და n1 არის მე-2 და 1 მედიის გარდატეხის მაჩვენებლები. ისინი აჩვენებენ რამხელა სინათლის სიჩქარეს საშუალოში განსხვავდება უჰაერო სივრცისგან. მაგალითად, წყლისთვის n=1,33, ხოლო ჰაერისთვის - 1,00029. თქვენ უნდა იცოდეთ, რომ n-ის მნიშვნელობა სინათლის სიხშირის ფუნქციაა (n უფრო მაღალია უფრო მაღალი სიხშირეებისთვის, ვიდრე ქვედასთვის).
რეფრაქციის ფენომენის გამოყენება გეომეტრიულ ოპტიკაში
აღწერილი ფენომენი გამოიყენება სურათების შესაქმნელადთხელი ლინზები. ლინზა არის გამჭვირვალე მასალისგან (მინა, პლასტმასი და ა.შ.) დამზადებული საგანი, რომელიც შემოსაზღვრულია ორი ზედაპირით, რომელთაგან ერთს მაინც აქვს ნულოვანი გამრუდება. არსებობს ორი სახის ლინზები:
- შეკრება;
- გაფანტვა.
კონვერგირებადი ლინზები წარმოიქმნება ამოზნექილი სფერული (სფერული) ზედაპირით. სინათლის სხივების გარდატეხა მათში ხდება ისე, რომ ისინი აგროვებენ ყველა პარალელურ სხივს ერთ წერტილში - ფოკუსში. გაფანტული ზედაპირები წარმოიქმნება ჩაზნექილი გამჭვირვალე ზედაპირებით, ამიტომ მათში პარალელური სხივების გავლის შემდეგ სინათლე იფანტება.
გამოსახულებების აგება ლინზებში თავისი ტექნიკით ჰგავს გამოსახულების აგებას სფერულ სარკეებში. ასევე აუცილებელია რამდენიმე სხივის გამოყენება (ოპტიკური ღერძის პარალელურად, ფოკუსის გავლით და ლინზის ოპტიკური ცენტრის გავლით). მიღებული სურათების ბუნება განისაზღვრება ლინზის ტიპისა და ობიექტის მანძილის მიხედვით. ქვემოთ მოყვანილი სურათი გვიჩვენებს წვრილ ლინზებში საგნის გამოსახულების მიღების ტექნიკას სხვადასხვა შემთხვევისთვის.
მოწყობილობები, რომლებიც მუშაობენ გეომეტრიული ოპტიკის კანონების მიხედვით
მათგან ყველაზე მარტივი გამადიდებელი შუშაა. ეს არის ერთი ამოზნექილი ლინზა, რომელიც ადიდებს რეალურ ობიექტებს 5-ჯერ.
უფრო დახვეწილი მოწყობილობა, რომელიც ასევე გამოიყენება ობიექტების გასადიდებლად, არის მიკროსკოპი. ის უკვე შედგება ლინზების სისტემისგან (მინიმუმ 2 კონვერტაციული ლინზა) და საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ზრდარამდენიმე ასეულჯერ.
დაბოლოს, მესამე მნიშვნელოვანი ოპტიკური ინსტრუმენტი არის ტელესკოპი, რომელიც გამოიყენება ციურ სხეულებზე დასაკვირვებლად. ის შეიძლება შედგებოდეს როგორც ლინზების სისტემისგან, შემდეგ მას ეძახიან რეფრაქციული ტელესკოპს და სარკის სისტემას - ამრეკლავ ტელესკოპს. ეს სახელები ასახავს მისი მუშაობის პრინციპს (რეფრაქცია ან ასახვა).
