Геометрийн оптик: гэрлийн туяа

2024 Зохиолч: Angel Austin | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-02 17:52

Геометрийн оптик нь гэрлийн мөн чанарыг судалдаг физикийн оптикийн тусгай салбар бөгөөд тунгалаг орчинд гэрлийн цацрагийн хөдөлгөөний хуулийг судалдаг. Өгүүлэлд эдгээр хуулиудыг нарийвчлан авч үзье, мөн тэдгээрийг практикт ашиглах жишээг өгье.

Нэг төрлийн орон зайд цацрагийн тархалт: чухал шинж чанарууд

Гэрэл бол цахилгаан соронзон долгион гэдгийг хүн бүр мэддэг бөгөөд энэ нь байгалийн зарим үзэгдлийн хувьд энергийн квантуудын урсгал (фотоэлектрик эффект ба гэрлийн даралтын үзэгдэл) мэт ажилладаг. Оршил хэсэгт дурьдсанчлан геометрийн оптик нь мөн чанарыг нь судлахгүйгээр зөвхөн гэрлийн тархалтын хуулиудыг авч үздэг.

Хэрэв цацраг нэгэн төрлийн тунгалаг орчинд эсвэл вакуум орчинд хөдөлж, замдаа ямар нэгэн саад тотгор учруулахгүй бол гэрлийн туяа шулуун шугамаар хөдөлнө. Энэ онцлог нь 17-р зууны дундуур Францын иргэн Пьер Ферма хамгийн бага цаг хугацааны зарчмыг (Фермагийн зарчим) боловсруулахад хүргэсэн.

Гэрлийн цацрагийн өөр нэг чухал шинж чанар нь бие даасан байдал юм. Энэ нь цацраг бүр огторгуйд "мэдрэхгүйгээр" тархдаг гэсэн үг юм.түүнтэй харьцахгүйгээр өөр цацраг.

Эцэст нь гэрлийн гуравдахь шинж чанар нь нэг тунгалаг материалаас нөгөөд шилжих үед түүний тархалтын хурд өөрчлөгдөх явдал юм.

Гэрлийн цацрагийн тэмдэглэсэн 3 шинж чанарыг тусгал ба хугарлын хуулиудыг гаргахад ашигладаг.

Тусгалын үзэгдэл

Энэ физик үзэгдэл нь гэрлийн туяа гэрлийн долгионы уртаас хамаагүй том тунгалаг саадыг мөргөх үед үүсдэг. Ойлголтын баримт нь ижил орчинд цацрагийн чиглэлийн огцом өөрчлөлт юм.

Тунгалаг хавтгай дээр нимгэн гэрлийн туяа тусах цэгээр дамжин энэ хавтгайд татсан хэвийн N-тэй θ₁ өнцгөөр унана гэж бодъё. Дараа нь цацраг тодорхой өнцгөөр θ_{2 ижил хэвийн N-д тусна. Тусгалын үзэгдэл нь хоёр үндсэн хуульд захирагдана:.}

1. Тусгал нь гэрлийн цацраг болон N хэвийн нэг хавтгайд туссан.
2. Гэрлийн цацрагийн тусгалын өнцөг ба тусах өнцөг нь үргэлж тэнцүү байна (θ₁=θ_2).

Тусгалын үзэгдлийг геометрийн оптикт хэрэглэх

Гэрлийн цацрагийн тусгалын хуулийг янз бүрийн геометрийн толинд объектын (бодит эсвэл төсөөлөл) дүрсийг бүтээхэд ашигладаг. Хамгийн түгээмэл толины геометрүүд нь:

• хавтгай толь;
• хогор;
• гүдгэр.

Тэдгээрийн аль нэгэнд нь зураг бүтээхэд маш амархан. Хавтгай толинд энэ нь үргэлж төсөөлөлтэй, объекттой ижил хэмжээтэй, шууд байдаг.зүүн болон баруун талууд урвуу байна.

Хүнх ба гүдгэр толин тусгал дахь зургийг хэд хэдэн цацраг (оптик тэнхлэгтэй параллель, фокус болон төвөөр дамжин) ашиглан бүтээдэг. Тэдний төрөл нь объектын толин тусгалаас хол зайд хамаарна. Доорх зураг нь гүдгэр болон хотгор толинд хэрхэн дүрс бүтээхийг харуулж байна.

Хугарлын үзэгдэл

Энэ нь 90-тэй тэнцэхгүй өнцгөөр хоёр өөр тунгалаг орчны (жишээлбэл, ус ба агаар) хилийг давах үед цацрагийн хугарал (хугаралт) -аас бүрдэнэ. o.

Энэ үзэгдлийн орчин үеийн математик тайлбарыг 17-р зууны эхээр Голландын Снелл, Францын Декарт нар хийсэн. Хавтгайд хэвийн N-тэй харьцуулахад хугарсан цацрагийн θ₁ ба θ_{3 өнцгүүдийг тэмдэглэж, бид математикийн илэрхийлэл бичнэ. хугарлын үзэгдэл:}

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ) _3).

n₂болон n_{1 хэмжигдэхүүнүүд нь 2 ба 1-р зөөвөрлөгчийн хугарлын индекс юм. Тэд гэрлийн хурдыг хэр их байгааг харуулдаг. орчинд агааргүй орон зайгаас ялгаатай. Жишээлбэл, усны хувьд n=1.33, агаарын хувьд - 1.00029. Та n-ийн утга нь гэрлийн давтамжийн функц гэдгийг мэдэж байх ёстой (n нь доод давтамжаас илүү өндөр давтамжтай байдаг).}

Хугарлын үзэгдлийг геометрийн оптикт хэрэглэх

Тайлбарласан үзэгдлийг зураг бүтээхэд ашигладагнимгэн линз. Линз нь тунгалаг материалаар (шил, хуванцар гэх мэт) хийсэн объект бөгөөд хоёр гадаргуугаар хязгаарлагддаг бөгөөд тэдгээрийн нэг нь тэгээс ялгаатай муруйлттай байдаг. Хоёр төрлийн линз байдаг:

• цуглуулах;
• тарсан.

Нэгдэгч линз нь гүдгэр бөмбөрцөг (бөмбөрцөг) гадаргуугаас үүсдэг. Тэдний доторх гэрлийн цацрагийн хугарал нь бүх параллель туяаг нэг цэг дээр - фокус дээр цуглуулдаг байдлаар явагддаг. Тарсан гадаргуу нь хонхор тунгалаг гадаргуугаас үүсдэг тул тэдгээрийн дундуур параллель туяа дамжсаны дараа гэрэл тархдаг.

Техникийн хувьд линзээр зураг бүтээх нь бөмбөрцөг толинд дүрс бүтээхтэй төстэй. Түүнчлэн хэд хэдэн цацрагийг ашиглах шаардлагатай (оптик тэнхлэгтэй параллель, фокусын дундуур ба линзний оптик төвөөр дамжин өнгөрдөг). Хүлээн авсан зургийн мөн чанарыг линзний төрөл ба объектын зайнаас тодорхойлно. Доорх зураг нь янз бүрийн тохиолдлуудад объектын дүрсийг нимгэн линзээр авах аргыг харуулж байна.

Геометрийн оптикийн хуулийн дагуу ажилладаг төхөөрөмжүүд

Тэдгээрийн хамгийн энгийн нь томруулдаг шил юм. Энэ нь бодит объектыг 5 дахин томруулдаг нэг гүдгэр линз юм.

Объектуудыг томруулахад ашигладаг илүү боловсронгуй төхөөрөмж бол микроскоп юм. Энэ нь аль хэдийн линзний системээс бүрддэг (хамгийн багадаа 2 нийлдэг линз) бөгөөд та үүнийг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодогхэдэн зуун удаа.

Эцэст нь гурав дахь чухал оптик хэрэгсэл бол селестиел биетүүдийг ажиглахад ашигладаг дуран юм. Энэ нь линзний системээс бүрдэх боломжтой бөгөөд үүнийг хугарлын дуран, тольны систем - тусгал дуран гэж нэрлэдэг. Эдгээр нэрс нь түүний ажиллах зарчмыг (хугарал эсвэл тусгал) тусгадаг.