Երկրաչափական օպտիկան ֆիզիկական օպտիկայի հատուկ ճյուղ է, որը չի զբաղվում լույսի բնույթով, այլ ուսումնասիրում է լույսի ճառագայթների շարժման օրենքները թափանցիկ միջավայրերում։ Եկեք մանրամասնորեն նայենք այս օրենքներին հոդվածում, ինչպես նաև բերենք դրանց գործնական կիրառման օրինակներ։
Ճառագայթների տարածում միատարր տարածության մեջ. կարևոր հատկություններ
Բոլորը գիտեն, որ լույսը էլեկտրամագնիսական ալիք է, որը բնական որոշ երևույթների համար կարող է իրեն պահել էներգիայի քվանտների հոսքի պես (ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի և լույսի ճնշման երևույթներ): Երկրաչափական օպտիկան, ինչպես նշվեց ներածության մեջ, վերաբերում է միայն լույսի տարածման օրենքներին, առանց խորանալու դրանց բնույթի մեջ։
Եթե ճառագայթը շարժվում է միատարր թափանցիկ միջավայրում կամ վակուումում և իր ճանապարհին չի հանդիպում որևէ խոչընդոտի, ապա լույսի ճառագայթը կշարժվի ուղիղ գծով: Այս հատկանիշը հանգեցրեց 17-րդ դարի կեսերին ֆրանսիացի Պիեռ Ֆերմայի կողմից նվազագույն ժամանակի սկզբունքի (Ֆերմայի սկզբունքի) ձևակերպմանը։։
Լույսի ճառագայթների մեկ այլ կարևոր հատկանիշ նրանց անկախությունն է: Սա նշանակում է, որ յուրաքանչյուր ճառագայթ տարածվում է տարածության մեջ՝ առանց «զգալու».ևս մեկ ճառագայթ առանց դրա հետ փոխազդելու։
Վերջապես, լույսի երրորդ հատկությունը նրա տարածման արագության փոփոխությունն է մի թափանցիկ նյութից մյուսը տեղափոխելիս:
Լույսի ճառագայթների նշված 3 հատկությունները օգտագործվում են անդրադարձման և բեկման օրենքների ածանցման մեջ։
արտացոլման երևույթ
Այս ֆիզիկական երևույթը տեղի է ունենում, երբ լույսի ճառագայթը հարվածում է լույսի ալիքի երկարությունից շատ ավելի մեծ անթափանց խոչընդոտի: Արտացոլման փաստը նույն միջավայրում ճառագայթի հետագծի կտրուկ փոփոխությունն է։
Ենթադրենք, որ լույսի բարակ ճառագայթը ընկնում է անթափանց հարթության վրա θ1 անկյան տակ դեպի այս հարթությունը դեպի այն կետը, որտեղ ճառագայթը դիպչում է դրան: Այնուհետև ճառագայթը արտացոլվում է որոշակի անկյան տակ θ2 նույն նորմալ N-ի նկատմամբ: Անդրադարձի երևույթը ենթարկվում է երկու հիմնական օրենքի.
- Արտադարձված լույսի ճառագայթը և N նորմալը գտնվում են նույն հարթության վրա:
- Արտացոլման անկյունը և լույսի ճառագայթի անկման անկյունը միշտ հավասար են (θ1=θ2).
արտացոլման ֆենոմենի կիրառումը երկրաչափական օպտիկայի մեջ
Լույսի ճառագայթի արտացոլման օրենքներն օգտագործվում են տարբեր երկրաչափությունների հայելիներում առարկաների (իրական կամ երևակայական) պատկերներ կառուցելիս: Ամենատարածված հայելային երկրաչափություններն են՝
- հարթ հայելի;
- գոգավոր;
- ուռուցիկ.
Դրանցից որևէ մեկում պատկեր ստեղծելը բավականին հեշտ է: Հարթ հայելու մեջ այն միշտ երևակայական է ստացվում, ունի նույն չափը, ինչ առարկան ինքնին, ուղիղ է նրա մեջ։ձախ և աջ կողմերը հակադարձված են։
Գոգավոր և ուռուցիկ հայելիներում պատկերները կառուցված են մի քանի ճառագայթների միջոցով (օպտիկական առանցքին զուգահեռ, կիզակետով և կենտրոնով անցնելով): Նրանց տեսակը կախված է առարկայի հեռավորությունից հայելուց։ Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս, թե ինչպես կարելի է պատկերներ կառուցել ուռուցիկ և գոգավոր հայելիներում:
բեկման երևույթ
Այն բաղկացած է ճառագայթի բեկումից (բեկումից), երբ այն հատում է երկու տարբեր թափանցիկ միջավայրերի (օրինակ՝ ջրի և օդի) սահմանը մակերեսի նկատմամբ անկյան տակ, որը հավասար չէ 90: o.
Այս երեւույթի ժամանակակից մաթեմատիկական նկարագրությունը կատարել են հոլանդացի Սնելը և ֆրանսիացի Դեկարտը 17-րդ դարի սկզբին։ Նշելով θ1 և θ3 անկյունները հարթության նորմալ N-ի նկատմամբ անկման և բեկված ճառագայթների համար, մենք գրում ենք մաթեմատիկական արտահայտություն. բեկման երևույթ՝
1sin(θ1)=n2 sin(θ 3).
n2 և n1 մեծությունները 2 և 1 միջավայրերի բեկման ինդեքսներն են: Նրանք ցույց են տալիս, թե որքան է լույսի արագությունը միջինում տարբերվում է անօդ տարածությունից: Օրինակ՝ ջրի համար n=1,33, իսկ օդի համար՝ 1,00029: Դուք պետք է իմանաք, որ n-ի արժեքը լույսի հաճախականության ֆունկցիան է (n-ն ավելի մեծ է ավելի բարձր հաճախականությունների համար, քան ցածրերի դեպքում):
Բրակցման երևույթի կիրառումը երկրաչափական օպտիկայի մեջ
Նկարագրված երևույթն օգտագործվում է պատկերներ կառուցելու համարբարակ ոսպնյակներ. Ոսպնյակը թափանցիկ նյութից (ապակուց, պլաստմասսա և այլն) պատրաստված առարկա է, որը սահմանափակված է երկու մակերեսով, որոնցից առնվազն մեկն ունի ոչ զրոյական կորություն։ Գոյություն ունեն ոսպնյակների երկու տեսակ՝
- հավաք;
- ցրում.
Միացվող ոսպնյակները ձևավորվում են ուռուցիկ գնդաձև (գնդաձև) մակերեսով: Լույսի ճառագայթների բեկումը նրանց մեջ տեղի է ունենում այնպես, որ նրանք հավաքում են բոլոր զուգահեռ ճառագայթները մեկ կետում՝ կիզակետում։ Ցրման մակերեսները ձևավորվում են գոգավոր թափանցիկ մակերեսներով, ուստի դրանց միջով զուգահեռ ճառագայթների անցնելուց հետո լույսը ցրվում է։
Պատկերների կառուցումը ոսպնյակների մեջ իր տեխնիկայով նման է գնդաձեւ հայելիների պատկերների կառուցմանը: Անհրաժեշտ է նաև օգտագործել մի քանի ճառագայթներ (օպտիկական առանցքին զուգահեռ՝ անցնելով կիզակետով և ոսպնյակի օպտիկական կենտրոնով): Ստացված պատկերների բնույթը որոշվում է ոսպնյակի տեսակից և օբյեկտի հեռավորությունից: Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս տարբեր դեպքերի համար բարակ ոսպնյակներով առարկայի պատկերներ ստանալու տեխնիկան:
Սարքեր, որոնք գործում են ըստ երկրաչափական օպտիկայի օրենքների
Դրանցից ամենապարզը խոշորացույցն է։ Սա մեկ ուռուցիկ ոսպնյակ է, որը մեծացնում է իրական առարկաները մինչև 5 անգամ։
Ավելի բարդ սարք, որն օգտագործվում է նաև առարկաները մեծացնելու համար, մանրադիտակն է: Այն արդեն բաղկացած է ոսպնյակների համակարգից (առնվազն 2 համընկնող ոսպնյակներ) և թույլ է տալիս բարձրացնելմի քանի հարյուր անգամ։
Վերջապես, երրորդ կարևոր օպտիկական գործիքը աստղադիտակն է, որն օգտագործվում է երկնային մարմինները դիտարկելու համար: Այն կարող է բաղկացած լինել և՛ ոսպնյակային համակարգից, այնուհետև այն կոչվում է բեկող աստղադիտակ, և հայելային համակարգ՝ ռեֆլեկտիվ աստղադիտակ։ Այս անունները արտացոլում են նրա աշխատանքի սկզբունքը (բեկում կամ արտացոլում):
