Геометриялық оптика – физикалық оптиканың жарық табиғатын қарастырмайтын, мөлдір ортадағы жарық сәулелерінің қозғалыс заңдылықтарын зерттейтін ерекше бөлімі. Мақалада осы заңдарды егжей-тегжейлі қарастырайық, сонымен қатар олардың тәжірибеде қолданылуына мысалдар келтірейік.
Сәулелердің біртекті кеңістікте таралуы: маңызды қасиеттер
Жарықтың электромагниттік толқын екенін бәрі біледі, ол кейбір табиғат құбылыстары үшін энергия кванттар ағыны сияқты әрекет ете алады (фотоэффект және жарық қысымы құбылыстары). Геометриялық оптика, кіріспеде атап өтілгендей, олардың табиғатын тереңдемей, тек жарықтың таралу заңдарын қарастырады.
Егер сәуле біртекті мөлдір ортада немесе вакуумда қозғалса және жолында ешқандай кедергілерге тап болмаса, онда жарық сәулесі түзу сызықта қозғалады. Бұл ерекшелік 17 ғасырдың ортасында француз Пьер Ферманың ең аз уақыт принципін (Ферма принципі) тұжырымдауына әкелді.
Жарық сәулелерінің тағы бір маңызды қасиеті - олардың тәуелсіздігі. Бұл әрбір сәуленің кеңістікте «сезімсіз» таралатынын білдіреді.онымен әрекеттеспейтін басқа сәуле.
Соңында, жарықтың үшінші қасиеті – бір мөлдір материалдан екіншісіне өткенде оның таралу жылдамдығының өзгеруі.
Жарық сәулелерінің белгіленген 3 қасиеті шағылу және сыну заңдарын шығаруда қолданылады.
Рефлексия құбылысы
Бұл физикалық құбылыс жарық сәулесі жарық толқын ұзындығынан әлдеқайда үлкен мөлдір емес кедергіге соқтығысқанда пайда болады. Шағылысу фактісі – бір ортадағы сәуленің траекториясының күрт өзгеруі.
Жіңішке жарық шоғы мөлдір емес жазықтыққа сәуленің соғылған нүктесі арқылы осы жазықтыққа жүргізілген қалыпты N-ге θ1 бұрыш жасап түседі делік. Сонда сәуле белгілі бір нормаль N-ге θ2 белгілі бір бұрышпен шағылысады. Шағылу құбылысы екі негізгі заңға бағынады:
- Оқушы шағылысқан жарық шоғы мен N нормаль бір жазықтықта жатыр.
- Жарық сәулесінің шағылу бұрышы мен түсу бұрышы әрқашан тең (θ1=θ2).
Шағылу құбылысының геометриялық оптикада қолданылуы
Жарық сәулесінің шағылысу заңдары әртүрлі геометриялық айнадағы заттардың (нақты немесе елестетілген) кескіндерін салу кезінде қолданылады. Ең көп таралған айна геометриялары:
- жалпақ айна;
- ойыс;
- дөңес.
Олардың кез келгенінде сурет салу өте оңай. Тегіс айнада ол әрқашан қиял болып шығады, объектінің өзі сияқты өлшемі бар, тікелей, ондасол және оң жақтары керісінше.
Шұңқыр және дөңес айналардағы кескіндер бірнеше сәулелер (оптикалық оське параллель, фокустан және орталық арқылы өтетін) арқылы салынған. Олардың түрі заттың айнадан қашықтығына байланысты. Төмендегі суретте дөңес және ойыс айналардағы кескіндерді салу жолы көрсетілген.
Сыну құбылысы
Ол екі түрлі мөлдір ортаның (мысалы, су және ауа) шекарасын 90-ға тең емес бетке бұрышпен кесіп өткендегі сәуленің үзілуінен (сынуынан) тұрады o.
Бұл құбылыстың қазіргі математикалық сипаттамасын 17 ғасырдың басында голландиялық Снелл мен француз Декарт жасаған. Жазықтыққа қалыпты N-ге қатысты түскен және сынған сәулелер үшін θ1 және θ3 бұрыштарын белгілей отырып, үшін математикалық өрнек жазамыз. сыну құбылысы:
1sin(θ1)=n2sin(θ) 3).
n2және n1мөлшері 2 және 1 медианың сыну көрсеткіштері болып табылады. Олар жарық жылдамдығының қаншалықты екенін көрсетеді. ортадағы ауасыз кеңістіктегіден ерекшеленеді. Мысалы, су үшін n=1,33, ал ауа үшін - 1,00029. Сіз n мәні жарық жиілігінің функциясы екенін білуіңіз керек (n төменгі жиіліктерге қарағанда жоғары жиіліктер үшін үлкен).
Сыну құбылысының геометриялық оптикада қолданылуы
Сипатталған құбылыс кескіндерді салу үшін пайдаланыладыжұқа линзалар. Объектив - мөлдір материалдан (шыны, пластмасса және т.б.) жасалған, кем дегенде біреуінің нөлдік емес қисықтығы бар екі бетпен шектелген зат. Линзаның екі түрі бар:
- жиналу;
- шашырау.
Біріктіретін линзалар дөңес сфералық (сфералық) бет арқылы қалыптасады. Олардағы жарық сәулелерінің сынуы олар барлық параллель сәулелерді бір нүктеде – фокуста жинайтындай болады. Шашырау беттері ойыс мөлдір беттерден құралады, сондықтан олар арқылы параллель сәулелер өткеннен кейін жарық шашырап кетеді.
Объективтердегі кескіндерді салу техникасында сфералық айнадағы кескіндерді салуға ұқсас. Сондай-ақ бірнеше сәулелерді пайдалану қажет (оптикалық оське параллель, фокус арқылы өтетін және линзаның оптикалық орталығы арқылы). Алынған кескіндердің сипаты линзаның түрімен және объектінің оған дейінгі қашықтығымен анықталады. Төмендегі суретте әртүрлі жағдайлар үшін жұқа линзалардағы нысанның кескіндерін алу техникасы көрсетілген.
Геометриялық оптика заңдарына сәйкес жұмыс істейтін құрылғылар
Олардың ең қарапайымы – үлкейткіш әйнек. Бұл нақты нысандарды 5 есе үлкейтетін жалғыз дөңес линза.
Объектілерді үлкейту үшін де қолданылатын күрделірек құрылғы - микроскоп. Ол қазірдің өзінде линза жүйесінен тұрады (кемінде 2 конвергентті линзалар) және ұлғайтуға мүмкіндік бередібірнеше жүз рет.
Соңында, үшінші маңызды оптикалық құрал – аспан денелерін бақылауға арналған телескоп. Ол линза жүйесінен де тұруы мүмкін, содан кейін оны сыну телескоп, ал айна жүйесін - шағылыстырғыш телескоп деп атайды. Бұл атаулар оның жұмыс істеу принципін көрсетеді (сыну немесе шағылысу).
