Ģeometriskā optika ir īpaša fizikālās optikas nozare, kas nenodarbojas ar gaismas dabu, bet gan pēta gaismas staru kustības likumus caurspīdīgos medijos. Sīkāk aplūkosim šos likumus rakstā, kā arī sniegsim piemērus to izmantošanai praksē.
Staru izplatīšanās viendabīgā telpā: svarīgas īpašības
Ikviens zina, ka gaisma ir elektromagnētisks vilnis, kas dažām dabas parādībām var uzvesties kā enerģijas kvantu straume (fotoelektriskā efekta un gaismas spiediena parādības). Ģeometriskā optika, kā minēts ievadā, attiecas tikai uz gaismas izplatīšanās likumiem, neiedziļinoties to būtībā.
Ja stars pārvietojas viendabīgā caurspīdīgā vidē vai vakuumā un nesastopas ar šķēršļiem savā ceļā, tad gaismas stars virzīsies taisnā līnijā. Šīs iezīmes dēļ francūzis Pjērs Fermā 17. gadsimta vidū formulēja mazākā laika principu (Fermā principu).
Vēl viena svarīga gaismas staru iezīme ir to neatkarība. Tas nozīmē, ka katrs stars izplatās telpā bez "jūtas"cits stars, ar to nedarbojoties.
Visbeidzot, trešā gaismas īpašība ir tās izplatīšanās ātruma izmaiņas, pārejot no viena caurspīdīga materiāla uz citu.
Atzīmētās 3 gaismas staru īpašības tiek izmantotas atstarošanas un laušanas likumu atvasināšanā.
Atspoguļošanas fenomens
Šī fiziska parādība rodas, kad gaismas stars ietriecas necaurspīdīgā šķērslī, kas ir daudz lielāks par gaismas viļņa garumu. Atspoguļošanas fakts ir krasas izmaiņas stara trajektorijā tajā pašā vidē.
Pieņemsim, ka plāns gaismas stars krīt uz necaurspīdīgas plaknes leņķī θ1 pret parasto N, kas novilkta uz šo plakni caur punktu, kur stars tai trāpa. Tad stars tiek atstarots noteiktā leņķī θ2 pret to pašu normālo N. Atstarošanas fenomenam ir divi galvenie likumi:
- Krītošais atstarotais gaismas stars un N normāls atrodas vienā plaknē.
- Gaismas stara atstarošanas leņķis un krišanas leņķis vienmēr ir vienādi (θ1=θ2).
Atstarošanas fenomena pielietojums ģeometriskajā optikā
Gaismas stara atstarošanas likumi tiek izmantoti, veidojot objektu attēlus (reālus vai iedomātus) dažādu ģeometriju spoguļos. Visizplatītākās spoguļu ģeometrijas ir:
- plakans spogulis;
- ieliekts;
- izliekta.
Ikvienā no tiem ir diezgan viegli izveidot attēlu. Plakanā spogulī tas vienmēr izrādās iedomāts, tam ir tāds pats izmērs kā pašam priekšmetam, ir tiešs, tajākreisā un labā puse ir apgrieztas otrādi.
Attēli ieliektos un izliektos spoguļos tiek veidoti, izmantojot vairākus starus (paralēli optiskajai asij, kas iet cauri fokusam un centram). To veids ir atkarīgs no objekta attāluma no spoguļa. Tālāk esošajā attēlā parādīts, kā veidot attēlus izliektos un ieliektos spoguļos.
Refrakcijas fenomens
Tas sastāv no stara pārtraukuma (refrakcijas), kad tas šķērso divu dažādu caurspīdīgu vielu (piemēram, ūdens un gaisa) robežu leņķī pret virsmu, kas nav vienāds ar 90 o.
Šīs parādības mūsdienu matemātisko aprakstu 17. gadsimta sākumā veica holandietis Snels un francūzis Dekarts. Apzīmējot leņķus θ1 un θ3 krītošajiem un lauztajiem stariem attiecībā pret plaknes normālo N, mēs uzrakstām matemātisko izteiksmi refrakcijas parādība:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Diverumi n2un n1ir 2. un 1. nesēju laušanas koeficienti. Tie parāda, cik liels ir gaismas ātrums. vidē atšķiras no tā, kas atrodas bezgaisa telpā. Piemēram, ūdenim n=1,33 un gaisam - 1,00029. Jums jāzina, ka n vērtība ir gaismas frekvences funkcija (n ir lielāka augstākām frekvencēm nekā zemākām).
Laušanas fenomena pielietojums ģeometriskajā optikā
Aprakstītā parādība tiek izmantota attēlu iestrādāšanaiplānās lēcas. Lēca ir no caurspīdīga materiāla (stikla, plastmasas u.c.) izgatavots priekšmets, kuru ierobežo divas virsmas, no kurām vismaz viena ir ar nulles izliekumu. Ir divu veidu objektīvi:
- pulcēšanās;
- izkliedēšana.
Konverģējošās lēcas veido izliekta sfēriska (sfēriska) virsma. Gaismas staru laušana tajos notiek tā, ka tie savāc visus paralēlos starus vienā punktā – fokusā. Izkliedējošās virsmas veido ieliektas caurspīdīgas virsmas, tāpēc pēc paralēlo staru iziešanas caur tām gaisma tiek izkliedēta.
Attēlu konstruēšana objektīvos savā tehnikā ir līdzīga attēlu konstruēšanai sfēriskos spoguļos. Ir arī nepieciešams izmantot vairākus starus (paralēli optiskajai asij, kas iet cauri fokusam un caur objektīva optisko centru). Iegūto attēlu raksturu nosaka objektīva veids un objekta attālums līdz tam. Zemāk esošajā attēlā parādīts paņēmiens objektu attēlu iegūšanai plānās lēcās dažādiem gadījumiem.
Ierīces, kas darbojas saskaņā ar ģeometriskās optikas likumiem
Vienkāršākais no tiem ir palielināmais stikls. Tas ir viens izliekts objektīvs, kas palielina reālus objektus līdz 5 reizēm.
Sarežģītāka ierīce, ko izmanto arī objektu palielināšanai, ir mikroskops. Tas jau sastāv no lēcu sistēmas (vismaz 2 saplūstošām lēcām) un ļauj palielinātvairākus simtus reižu.
Visbeidzot, trešais svarīgais optiskais instruments ir teleskops, ko izmanto debess ķermeņu novērošanai. Tas var sastāvēt gan no lēcu sistēmas, tad to sauc par refrakcijas teleskopu, gan no spoguļsistēmas - atstarojošā teleskopa. Šie nosaukumi atspoguļo tā darbības principu (refrakcija vai atstarošana).
