Geometrisk optikk hvilke studier, lover, applikasjoner, øvelser

De Geometrisk optikk Det er grenen av fysikk som konsentrerer seg om å studere hvordan lys sprer seg og reflekterer når det går fra et medium til et annet, uten å ta hensyn til effekten av diffraksjon.

På denne måten er lyset representert geometrisk av stråler, imaginære linjer vinkelrett på de lyse bølgefrontene.

Lysstråler dukker opp fra lysende kilder som solen, en flamme eller en pære, sprer seg i alle retninger. Overflatene gjenspeiler delvis lysstrålene, og det er grunnen til at vi kan se dem, takket være det faktum at øynene inneholder elementer som er følsomme for lys.

Takket være strålebehandling tar geometrisk optikk ikke hensyn til de bølgende aspektene ved lys, men forklarer heller hvordan bilder dannes i øyet, speil og projektorer, der de gjør og hvordan de vises.

De grunnleggende prinsippene for geometrisk optikk er refleksjon og brytning av lys. Lysstrålene påvirker visse vinkler på overflatene som den ligger, og takket være dette hjelper en enkel geometri til å følge sporet av banen i hvert medium.

Dette forklarer hverdagslige ting som å observere bildet vårt i baderomsspeilet, se en teskje som ser ut til å bøye seg inne i glasset fullt av vann eller forbedre synet med tilstrekkelige briller.

Vi trenger lys for å samhandle med miljøet, så alltid har deres oppførsel overrasket observatørene, som spurte om deres natur.

[TOC]

Hva studerer geometrisk optikk? (Studieobjekt)

Geometrisk optikk studerer utbredelse av lys i et vakuum og i forskjellige medier, uten å forklare hva dens sanne natur består av. For dette benytter det seg av den enkle strålen og geometri -modellen.

Ray er banen som lyset fortsetter i et visst gjennomsiktig medium, noe som er en utmerket tilnærming så lenge bølgelengden er liten sammenlignet med størrelsen på objektene.

Kan tjene deg: Barrada Spiral Galaxy: Formasjon, evolusjon, egenskaper

Dette er oppfylt i en god del av hverdagssaker, for eksempel de som er nevnt i begynnelsen.

Det er to grunnleggende premisser med geometrisk optikk:

-Lyset forplanter seg på en rettlinjig måte.

-Mens det sprer seg gjennom forskjellige måter, gjør lyset det etter empiriske lover, det vil si hentet fra eksperimentering.

Grunnleggende konsepter i geometrisk optikk

Brytningsindeks

Lysets hastighet i et materielt medium er annerledes enn vakuum. Der vet vi at det er 300.000 km/s, men i luften er den bare litt lavere, og enda mer i vann eller glass.

Brytningsindeksen er en ekstra mengde, som er definert som forholdet mellom hastigheten som lyset beveger seg i et vakuum c_enten Og hastigheten c  I det mediet:

n = c_enten / c

Optisk bane

Kilde: Slideshare.nett

Det er produktet mellom avstanden som ble reist av lyset for å passere fra et punkt til et annet, og brytningsindeksen til mediet:

L = s. n

Der L er den optiske banen, er S avstanden mellom de to punktene og N representerer brytningsindeksen, konstant antagelse.

Gjennom den optiske banen blir lysstråler sammenlignet som beveger seg i forskjellige medier.

Innfallsvinkel

Her kalles forekomstvinkelen θ_{1 .} Kilde: Josell7/CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/lisenser/by-SA/4.0)

Det er vinkelen som danner den lyse bjelken med den normale linjen til en overflate som skiller to medier.

Geometriske optikklover

Fermat -prinsippet

Fermat -prinsippet i tilfelle av lysfraksjon på en flat overflate mellom luft og vann. Objektpunkt A i luften og observasjonspunktet B i vannet. Poenget med brytning P er det som minimerer tiden det tar for lyset å reise APB -banen. Kilde: Klaus-Dieter Keller / CC0

Den franske matematikeren Pierre de Fermat (1601-1665) sa:

Når en lysstråle reiser mellom to punkter, følg den banen der minimumstiden tar.

Og siden lyset beveger seg med konstant hastighet, må banen være rettlinjet.

Med andre ord, Fermat -prinsippet fastslår at banen til lynlyset er slik at den optiske banen mellom to punkter er minimal.

Refleksjonslov

Ved å påvirke overflaten som skiller to forskjellige midler, reflekteres en del av hendelsesstrålen - eller alt - tilbake og gjør det med samme vinkel målt med hensyn til det normale til overflaten han påvirket.

Kan tjene deg: rettlinjet bevegelse: egenskaper, typer og eksemplerEt eksempel på refleksjonsloven. Kilde: Zátonyi Sandor (IFJ.)/CC By-SA (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)

Med andre ord, forekomstvinkelen er lik refleksjonsvinkelen:

 θ_Yo = θ_{Yo '}

Snell Law

Snells lov. Kilde: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/4.0)]

Nederlandsk matematisk.

Han så at når en lysstråle påvirker overflaten som skiller to medier, og danner en vis.

Dermed utledet han følgende forhold mellom begge medier:

n_{1 ⋅} sin θ₁ = n_{2 ⋅} sin θ₂

Hvor₁ og n₂ De er de respektive Brytningsindekser, samtidig som θ₁ og  θ₂  De er forekomstvinklene og refraksjonen, målt med hensyn til det normale til overflaten, i henhold til figuren over.

applikasjoner

Speil og linser

Linser er enheter basert på geometrisk optikk som blant annet brukes til å forbedre synet. Kilde: Pixabay.

Speil er veldig polerte overflater som gjenspeiler lysets lys, noe som tillater bildedannelse. De flate speilene, for eksempel på badet eller de som er båret i lommeboken, er vanlige.

Et objektiv består av en optisk enhet med to veldig tette brytningsflater. Når en parallell strålebjelke krysser en konvergent linse, konvergerer de på et punkt som danner et bilde. Når det gjelder en divergent objektiv, oppstår det motsatte: stråledykkets stråler.

Linsene brukes ofte til å korrigere brytningsdefektene i øyet, så vel som i forskjellige optiske forstørrelsesinstrumenter.

Optiske instrumenter

Det er optiske instrumenter som tillater forstørrelse av bildene, for eksempler mikroskop, forstørrelses- og teleskoper. Det er også å se over øyehøyde, for eksempel Periscopios.

Kan tjene deg: paramagnetisme

For å fange og bevare bilder har du kameraene, som inneholder et linsesystem og et registreringselement for å lagre det dannede bildet.

Den optiske fiberen

Det er et langt, tynt og gjennomsiktig materiale basert på silika eller plast, som brukes til dataoverføring. Det drar nytte av egenskapen til total refleksjon: Når lyset når mediet med en viss vinkel, er det ingen brytning, derfor kan lynet reise lange avstander og sprett inne.

Trening løst

Gjenstandene i bakgrunnen et basseng eller et tjern ser det ut til at de er nærmere enn de virkelig finner, noe som skyldes brytningen. Hvor tilsynelatende dybde en observatør ser en mynt som er i bunnen av et 4 m dypt basseng?

Anta at strålen som kommer fra valutaen når observatørens øye med en vinkel på 40º med hensyn til det normale.

En mynt i bunnen av bassenget ser nærmere ut når du ser ovenfra. Kilde: f. Zapata.

Data: Vannbrytningsindeksen er 1.33, luften er 1.

Løsning

Den tilsynelatende dybden på valutaen er s 'og bassengets dybde er s = 4 m. Valutaen er på punkt Q og observatøren ser det på punktet Q '. Dybden på dette punktet er:

S '= S - Q'Q

Av Snells lov:

n_b ⋅ sen 40º = n_til ⋅ sin θ_r

sin θ_r = (n_b ⋅ sen 40º) ÷ n_til = Sen 40º /1.33 = 0.4833

θ_r = Arcsen (0.4833) = 28.9º

Når vi vet denne vinkelen, beregner vi avstanden d = ov fra høyre trekant, hvis akutte vinkel er θ_r:

Så 28.9º = OV/4 m

OV = 4M × TAN 28.9º = 2.154 m

I tillegg:

Tan 50º = oq '/ov

Derfor:

OQ '= OV × TAN 50º = 2.154 m × solbrun 50º = 2.57 m.

Referanser

1. Bauer, w. 2011. Fysikk for ingeniørfag og vitenskap. Volum 2. Mc Graw Hill.
2. Figueras, m. Geometrisk optikk: optikk uten bølger. Åpent University of Catalonia.
3. Giancoli, d.  2006. Fysikk: Prinsipper med applikasjoner. 6. Ed Prentice Hall.
4. Serway, r., Jewett, J. (2008). Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 2. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Tippens, p. 2011. Fysikk: konsepter og applikasjoner. 7. utgave. McGraw Hill.