Geometrinen optiikka Mitä tutkimuksia, lakeja, sovelluksia, harjoituksia

Se Geometrinen optiikka Fysiikan haara keskittyy tutkimaan, kuinka valo leviää ja heijastaa, kun se kulkee väliaineesta toiseen ottamatta huomioon diffraktion vaikutuksia.

Tällä tavoin valoa edustaa geometrisesti säteet, kuvitteelliset viivat kohtisuorassa kirkkaisiin aaltoihin nähden.

Valosäteet ilmenevät valoisilta lähteistä, kuten aurinko, liekki tai polttimo, leviäen kaikkiin suuntiin. Pinnat heijastavat osittain niitä valonsäteitä, ja siksi voimme nähdä ne, koska silmät sisältävät valolle herkkiä elementtejä.

Ray -hoidon ansiosta geometrinen optiikka ei ota huomioon valon aaltoilevia näkökohtia, vaan selittää, kuinka kuvat muodostetaan silmään, peiliin ja projektoriin, missä ne tekevät ja miten ne ilmestyvät.

Geometrisen optiikan perusperiaatteet ovat heijastus ja valon taite. Valosäteet vaikuttavat tiettyihin kulmiin pinnoilla, joiden kanssa se sijaitsee, ja tämän ansiosta yksinkertainen geometria auttaa seuraamaan sen etenemissuunnan rataa jokaisessa väliaineessa.

Tämä selittää päivittäiset asiat, kuten kuvamme havaitseminen kylpyhuoneen peilissä, nähdä teelusikallinen, joka näyttää taipuvan lasin sisälle vettä täynnä tai parantaa näköä riittävillä laseilla.

Tarvitsemme valoa vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa, joten heidän käyttäytymisensä on aina hämmästynyt tarkkailijat, jotka kysyivät heidän luonteestaan.

[TOC]

Mitä tutkimuksia geometrinen optiikka? (Tutkimuksen kohde)

Geometrinen optiikka tutkii valon etenemistä tyhjössä ja erilaisissa mediassa selittämättä, mistä sen todellinen luonne koostuu. Tätä varten se käyttää yksinkertaista säde- ja geometriamallia.

Ray on suuntaus, että valo jatkuu tietyssä läpinäkyvässä väliaineessa, mikä on erinomainen lähestymistapa niin kauan kuin aallonpituus on pieni verrattuna esineiden kokoon.

Voi palvella sinua: Barrada Spiral Galaxy: muodostuminen, kehitys, ominaisuudet

Tämä täyttyy hyvässä osassa arjen tapauksia, kuten alussa mainitut.

Geometrisen optiikan perustilaa on kaksi:

-Valo leviää suoraviivaisella tavalla.

-Levittäessään eri keinoja, valo tekee niin empiiristen lakien mukaisesti, ts. Saatu kokeilusta.

Peruskonseptit geometrisessa optiikassa

Taitekerroin

Valon nopeus materiaaliväliaineessa on erilainen kuin tyhjiö. Siellä tiedämme, että se on 300.000 km/s, mutta ilmassa se on vain vähän alempi ja vielä enemmän vedessä tai lasissa.

TAUSKIRJOITUS on ylimääräinen määrä, joka määritellään suhteeksi nopeuden välillä, jolla valo liikkuu tyhjössä c_jompikumpi Ja nopeus c  Siinä väliaineessa:

n = c_jompikumpi / c

Optinen polku

Lähde: Slideshare.netto

Se on tuote valon kulkeman etäisyyden välillä, joka kulkee pisteestä toiseen, ja väliaineen taitekerroin:

L = s. n

Jos L on optinen polku, S on kahden pisteen välinen etäisyys ja n edustaa taitekerrointa, vakio oletus.

Optisen polun kautta verrataan valonsäteitä, jotka liikkuvat eri väliaineissa.

Esiintymiskulma

Tässä esiintyvyyskulma kutsutaan θ_{1 .} Lähde: Josell7/cc by-Sa (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/4.0)

Se on kulma, joka muodostaa kirkkaan säteen normaalilla viivalla pintaan, joka erottaa kaksi väliainetta.

Geometriset optiikan lakit

Fermat -periaate

Fermat -periaate kevyen taittumisen tapauksessa tasaisella pinnalla ilman ja veden välillä. Kohdepiste A ilmassa ja havaintopisteessä B vedessä. Taita -tekijöiden p on se, joka minimoi APB -polun kulkemiseen kuluu ajan kulumiselle. Lähde: Klaus-Dieter Keller / CC0

Ranskan matemaatikko Pierre de Fermat (1601-1665) sanoi:

Kun valonsäde kulkee kahden pisteen välillä, seuraa sitä suuntausta, jolla vähimmäisaika vie.

Ja koska valo liikkuu vakiona nopeudella, sen etenemissuunta on oltava suoraviivainen.

Toisin sanoen Fermat -periaate osoittaa, että salamavalon etenemissuunta on sellainen, että kahden pisteen välinen optinen polku on minimaalinen.

Heijastuslaki

Vaikuttamalla kaksi erilaista keinoa erottavan pinnan, osa tapahtuvan säteen - tai kaiken - heijastuu takaisin ja tekee niin samalla kulmalla mitattuna normaalin suhteen pintaan, johon hän vaikutti.

Voi palvella sinua: Strektiliininen liike: Ominaisuudet, tyypit ja esimerkitEsimerkki heijastuslaista. Lähde: Zátonyi Sandor (IFJ.)/CC BY-SA (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0)

Toisin sanoen esiintymiskulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma:

 θ_Yllyttää = θ_{Yo '}

Snell -laki

Snellin laki. Lähde: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/4.0)]

Hollantilainen matemaattinen.

Hän näki, että kun valonsäde vaikuttaa pintaan, joka erottaa kaksi väliainetta, muodostaen tietyn kulman sen kanssa, osa salamasta heijastuu takaisin kohti ensimmäistä väliainetta ja toinen seuraa sen polkua toisen läpi.

Siten hän päätteli seuraavan suhteen molempien median välillä:

n_{1 ⋅} synti θ₁ = n_{2 ⋅} synti θ₂

Missä₁ ja n₂ Ne ovat vastaavia Taitekerroin, sillä aikaa θ₁ ja  θ₂  Ne ovat esiintymis- ja taittumiskulut, mitattuna normaaliin pintaan, yllä olevan kuvan mukaan.

Sovellukset

Peilit ja linssit

Linssit ovat laitteita, jotka perustuvat geometriseen optiikkaan, jota käytetään muun muassa vision parantamiseksi. Lähde: Pixabay.

Peilit ovat erittäin kiillotettuja pintoja, jotka heijastavat esineiden valoa, sallien kuvanmuodostuksen. Litteät peilit, kuten kylpyhuone tai lompakossa kuljetetut, ovat yleisiä.

Objektiivi koostuu optisesta laitteesta, jolla on kaksi hyvin läheistä taitekerrointa. Kun yhdensuuntainen säteen säde ylittää lähentävän linssin, ne lähentyvät kuvassa muodostaen kuvan. Kun kyse on erilaisesta linssistä, tapahtuu päinvastoin: säteen sukelluksen säteet.

Linssejä käytetään usein silmän taitekerroksen korjaamiseen, samoin kuin erilaisissa optisissa suurennusvälineissä.

Optiset instrumentit

On optisia instrumentteja, jotka sallivat kuvien suurentamisen, esimerkkejä mikroskoopista, suurennus- ja kaukoputkista. Silmätason yläpuolella on myös katsottava, kuten periskoopiot.

Voi palvella sinua: paramagnetismi

Kuvien kaappaamiseksi ja säilyttämiseksi sinulla on kameroita, jotka sisältävät linssijärjestelmän ja rekisteröintielementin muodostuneen kuvan tallentamiseksi.

Optinen kuitu

Se on pitkä, ohut ja läpinäkyvä materiaali, joka perustuu piidioksidiin tai muoviin, jota käytetään tiedonsiirtoon. Siinä hyödynnetään kokonaisen heijastuksen ominaisuutta: Kun valo saavuttaa väliaineen tietyllä kulmalla, ei ole taittumista, joten salama voi kulkea pitkiä matkoja, pomppimalla filamentin sisällä.

Liikuntaa

Taustalla olevat esineet uima -allas tai lampi näyttää siltä, ​​että ne ovat lähempänä kuin he todella löytävät, mikä johtuu taittumisesta. Kuinka ilmeinen syvyys tarkkailija näkee kolikon, joka on 4 m syvän uima -altaan pohjassa?

Oletetaan, että valuutasta ilmestyvä säde saavuttaa tarkkailijan silmän 40º kulmalla normaaliin nähden.

Uima -altaan pohjassa oleva kolikko näyttää lähempänä, kun etsitään ylhäältä. Lähde: f. Zapata.

Tiedot: Veden taitekerroin on 1.33, ilma on 1.

Ratkaisu

Valuutan ilmeinen syvyys on S 'ja uima -altaan syvyys on s = 4 m. Valuutta on kohdassa Q ja tarkkailija näkee sen kohdassa Q '. Tämän pisteen syvyys on:

s '= s - q'q

Snellin laista:

n_{b -} ⋅ Sen 40º = n_-lla ⋅ syn θ_{r -}

synti θ_{r -} = (n_{b -} ⋅ Sen 40º) ÷ n_-lla = SEN 40º /1.33 = 0.4833

θ_{r -} = Arcsen (0.4833) = 28.9º

Tietäen tämän kulman, lasketaan etäisyys d = OV oikeasta kolmiosta, jonka akuutti kulma on θ_{r -}-

Niin 28.9º = ov/4 m

Ov = 4m × tan 28.9º = 2.154 m

Sitä paitsi:

Tan 50º = OQ '/OV

Siksi:

Oq '= ov × tan 50º = 2.154 m × tan 50º = 2.57 m.

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikkaan ja tieteisiin. Nide 2. MC Graw Hill.
2. Figueras, m. Geometrinen optiikka: Optiikka ilman aaltoja. Katalonian avoin yliopisto.
3. Giancoli, D.  2006. Fysiikka: sovellusten periaatteet. Kuudes. Ed Prentice Hall.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysiikka tieteen ja tekniikan fysiikka. Nide 2. Seitsemäs. Ed. Cengage -oppiminen.
5. Tippens, P. 2011. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset. 7. painos. McGraw Hill.