Geometrisk optikk hva den studerer, lover, applikasjoner, øvelser

De geometrisk optikk er den grenen av fysikk som fokuserer på å studere måten lys sprer seg på og reflekteres når det går fra ett medium til et annet, uten å ta i betraktning effekten av diffraksjon.

På denne måten representeres lys geometrisk av stråler, imaginære linjer vinkelrett på lysbølgefronter..

Lysstråler kommer fra lyskilder som solen, en flamme eller en lyspære som sprer seg i alle retninger. Overflater reflekterer delvis disse lysstrålene, og det er derfor vi kan se dem takket være at øynene inneholder lysfølsomme elementer.

Takket være strålebehandlingen tar ikke geometrisk optikk så mye hensyn til lysets bølgeaspekter, men forklarer snarere hvordan bilder dannes i øyet, speilene og projektorene, hvor de gjør det og hvordan de vises.

De grunnleggende prinsippene for geometrisk optikk er refleksjon og refraksjon av lys. Lysstråler slår i visse vinkler på overflatene de møter, og takket være dette hjelper en enkel geometri å holde rede på banen i hvert medium.

Dette forklarer hverdagslige ting som å se på bildet vårt i badespeilet, se en teskje som ser ut til å bøye seg inne i et glass fullt av vann, eller forbedre synet med riktige briller..

Vi trenger lys for å forholde oss til miljøet, det er grunnen til at oppførselen alltid har overrasket observatører som lurte på dens natur..

Artikkelindeks

• 1 Hva studerer geometrisk optikk? (Studieobjekt)
• 2 Grunnleggende konsepter i geometrisk optikk
  • 2.1 Brytningsindeks
  • 2.2 Optisk sti
• 3 Loven om geometrisk optikk
  • 3.1 Fermats prinsipp
  • 3.2 Refleksjonsloven
  • 3.3 Snells lov
• 4 Søknader
  • 4.1 Speil og linser
  • 4.2 Optiske instrumenter
  • 4.3 Optisk fiber
• 5 Øvelse løst
  • 5.1 Løsning
• 6 Referanser

Hva studerer geometrisk optikk? (Studieobjekt)

Geometrisk optikk studerer forplantning av lys i vakuum og i forskjellige medier, uten å forklare hva dens sanne natur består av. For dette benytter den seg av strålemodellen og enkel geometri.

En stråle er banen som lyset følger i et bestemt gjennomsiktig medium, noe som er en utmerket tilnærming så lenge bølgelengden er liten sammenlignet med størrelsen på objekter..

Dette er sant i mange daglige tilfeller, som de som ble nevnt i begynnelsen..

Det er to grunnleggende premisser for geometrisk optikk:

-Lyset forplanter seg på en rettlinjet måte.

-Mens den formerer seg gjennom forskjellige medier, gjør lys det etter empiriske lover, det vil si oppnådd fra eksperimentering.

Grunnleggende konsepter i geometrisk optikk

Brytningsindeks

Lysets hastighet i et materialmedium er forskjellig fra et vakuum. Der vet vi at det er 300.000 km / s, men i lufta er det bare litt lavere, og enda mer i vann eller glass..

Brytningsindeksen er en dimensjonsløs størrelse, som er definert som kvotienten mellom hastigheten lyset beveger seg i vakuum c_eller og fart c  i nevnte medium:

n = c_eller / c

Optisk sti

Det er produktet mellom avstanden som lyset har gått for å passere fra et punkt til et annet, og mediumets brytningsindeks:

L = s. n

Der L er den optiske banen, er s avstanden mellom de to punktene og n representerer brytningsindeksen, antatt konstant.

Ved hjelp av den optiske banen sammenlignes lysstråler som beveger seg i forskjellige medier.

Innfallsvinkel

Det er vinkelen som lysstrålen danner med normallinjen til en overflate som skiller to medier.

Lov om geometrisk optikk

Fermats prinsipp

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

Når en lysstråle beveger seg mellom to punkter, følger den stien det tar minimum tid.

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

Fermats prinsipp sier med andre ord at lysstrålens bane er slik at den optiske banen mellom to punkter er minimal..

Lov om refleksjon

Når du treffer overflaten som skiller mellom to forskjellige medier, reflekteres en del av den innfallende strålen - eller hele den - tilbake og gjør det med samme målte vinkel i forhold til det normale mot overflaten som den slo med..

Med andre ord er innfallsvinkelen lik refleksjonsvinkelen:

 θ_Jeg = θ_{Jeg '}

Snells lov

Den nederlandske matematikeren Willebrord Snell (1580-1626) observerte nøye lysets oppførsel når den passerer fra luft til vann og glass.

Han så at når en lysstråle faller på overflaten som skiller to medier og danner en viss vinkel med den, reflekteres den ene delen av strålen tilbake mot det første mediet, og den andre fortsetter sin vei gjennom det andre..

Dermed utledet han følgende forhold mellom begge medier:

n_{1 ⋅} sen θ₁ = n_{2 ⋅} sen θ_to

Hvor₁ og n_to er de respektive brytningsindekser, samtidig som θ₁ Y  θ_to  er innfallsvinklene og brytningen, målt i forhold til det normale mot overflaten, i henhold til figuren ovenfor.

applikasjoner

Speil og linser

Speil er høypolerte overflater som reflekterer lys fra gjenstander, slik at bilder kan dannes. Flate speil, som de på badet eller de som bæres i vesken, er vanlige.

En linse består av en optisk enhet med to meget tette brytningsflater. Når en stråle av parallelle stråler passerer gjennom en konvergerende linse, konvergerer de på et punkt og danner et bilde. Når det gjelder en divergerende linse, skjer det motsatte: strålestrålene divergerer på et punkt.

Linser brukes ofte til å korrigere brytningsfeil i øyet, så vel som i forskjellige optiske forstørrelsesinstrumenter..

Optiske instrumenter

Det er optiske instrumenter som gjør det mulig å forstørre bilder, for eksempel mikroskoper, forstørrelsesglass og teleskoper. Det er også de som ser over øynivå, som periskoper.

Fotokameraer brukes til å ta og bevare bilder, som inneholder et linsesystem og et opptakselement for å lagre det dannede bildet..

Fiberoptisk

Det er et langt, tynt og gjennomsiktig materiale basert på silika eller plast, som brukes til dataoverføring. Det utnytter egenskapen til total refleksjon: når lyset når mediet i en viss vinkel, oppstår ingen refraksjon, derfor kan strålen bevege seg lange avstander og hoppe inn i filamentet.

Treningen løst

Objekter i bunnen av et basseng eller en dam ser ut til å være nærmere enn de faktisk er, noe som skyldes refraksjon. På hvilken tilsynelatende dybde ser en observatør en mynt som er i bunnen av et 4 m dypt basseng??

Anta at strålen som kommer ut av mynten når observatørens øye i en vinkel på 40 ° i forhold til det normale..

Fakta: Brytningsindeksen for vann er 1,33, luftens er 1.

Løsning

Myntenes tilsynelatende dybde er s 'og dybden på bassenget er s = 4 m. Mynten er på punkt Q og observatøren ser den på punkt Q '. Dybden av dette punktet er:

s '= s - Q'Q

Fra Snells lov:

n_b ⋅ sin 40º = n_til ⋅ sen θ_r

sen θ_r = (n_b ⋅ sin 40º) ÷ n_til = sin 40º /1,33 = 0,4833

θ_r = arcsen (0,4833) = 28,9º

Når vi kjenner denne vinkelen, beregner vi avstanden d = OV fra høyre trekant, hvis spisse vinkel er θ_r:

brunbrun 28,9º = OV / 4 m

OV = 4m × tan 28,9º = 2,154 m

På den andre siden:

tan 50º = OQ '/ OV

Derfor:

OQ '= OV × tan 50º = 2,154 m × tan 50º = 2,57 m.

Referanser

1. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørfag og vitenskap. Volum 2. Mc Graw Hill.
2. Figueras, M. Geometrisk optikk: bølgeløs optikk. Åpne universitetet i Catalonia.
3. Giancoli, D. 2006. Fysikk: prinsipper med applikasjoner. Sjette. Ed prentice hall.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysikk for naturvitenskap og ingeniørfag. Volum 2. 7.. Ed. Cengage Learning.
5. Tippens, P. 2011. Fysikk: Konsepter og applikasjoner. 7. utgave. Mcgraw hill.