Matériel de physique sur l'optique géométrique
Optik geometri adalah cabang fisika yang mempelajari perilaku cahaya dengan pendekatan “sinar” (ray). Dalam pendekatan ini, cahaya dianggap merambat sebagai garis lurus, memantul saat mengenai permukaan pemantul, dan dibiaskan ketika melewati dua medium berbeda. Meskipun cahaya pada hakikatnya adalah électromagnétisme, optik geometri sangat berguna untuk menjelaskan banyak fenomena sehari-hari dan menjadi dasar kerja berbagai alat optik seperti kaca pembesar, kamera, periskop, mikroskop, serta teleskop.
1. Konsep Dasar Optik Geometri
En optique géométrique, il existe plusieurs concepts importants :
1. Sinar cahaya : representasi arah rambat cahaya yang digambar sebagai garis lurus.
2. Berkas cahaya : kumpulan sinar cahaya. Berkas dapat sejajar , mengumpul (konvergen) , atau menyebar (divergen) .
3. Medium : zat perantara tempat cahaya merambat, misalnya udara, air, kaca, atau plastik.
L'hypothèse principale de l'optique géométrique est que la longueur d'onde de la lumière est beaucoup plus petite que la taille des objets avec lesquels elle interagit, de sorte que les propriétés ondulatoires telles que l'interférence et la diffraction peuvent être négligées dans la plupart des cas.
2. Réflexion de la lumière (Réflexion)
La réflexion de la lumière se produit lorsque la lumière frappe une surface et retourne dans son milieu d'origine. L'exemple le plus simple est celui de la lumière réfléchie par un miroir.
Loi de la réflexion
Il existe deux lois de la réflexion :
1. Sinar datang, sinar pantul, dan garis normal terletak pada satu bidang.
2. Sudut datang (i) sama dengan sudut pantul (r) , yaitu:
\[
i = r
\]
La normale est une ligne perpendiculaire à la surface au point d'incidence du rayon.
Types de réflexion
– Pemantulan teratur (specular) : terjadi pada permukaan halus seperti cermin. Sinar pantul teratur sehingga terbentuk bayangan jelas.
– Pemantulan baur (diffuse) : terjadi pada permukaan kasar seperti dinding. Sinar dipantulkan ke berbagai arah, menyebabkan tidak terbentuk bayangan yang jelas.
3. Miroirs plans et miroirs courbes
Miroir plat
Un miroir plan forme une image qui :
– maya (tidak dapat ditangkap layar),
– tegak ,
– sama besar ,
– et à la même distance du miroir que l'objet.
Si l'objet est à une distance \( s \) du miroir, alors l'image est à une distance \( s' = s \) derrière le miroir.
Miroirs concaves et miroirs convexes
Il existe deux types de miroirs incurvés :
1. Cermin cekung (konvergen) : permukaan pemantulnya melengkung ke dalam. Dapat mengumpulkan berkas sejajar ke satu titik fokus.
2. Cermin cembung (divergen) : permukaan pemantulnya melengkung ke luar. Menyebarkan berkas cahaya.
Point focal et rayon de courbure
Dans le cas des miroirs incurvés, les règles suivantes s'appliquent :
\[
f = \frac{R}{2}
\]
avec \( f \) le foyer et \( R \) le rayon de courbure.
Équation du miroir courbe
La relation entre la distance de l'objet (s), la distance de l'image (s') et la mise au point (f) est :
\[
\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}
\]
Grossissement de l'image :
\[
M = \frac{h'}{h} = -\frac{s'}{s}
\]
Le signe négatif indique une image inversée (pour une image réelle).
4. Réfraction de la lumière
La réfraction se produit lorsque la lumière traverse l'interface entre deux milieux d'indices de réfraction différents, changeant ainsi de direction. Par exemple, une paille semble se « casser » lorsqu'on la plonge dans un verre d'eau.
Indice de réfraction
L'indice de réfraction d'un milieu est défini comme suit :
\[
n = \frac{c}{v}
\]
où \( c \) est la vitesse de la lumière dans le vide et \( v \) est la vitesse de la lumière dans un milieu.
Plus \( n \) est grand, plus la lumière se propage lentement dans le milieu.
Loi de Snell
Pembiasan dijelaskan oleh hukum Snellius:
\[
n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2
\]
où \( \theta_1 \) est l'angle d'incidence et \( \theta_2 \) est l'angle de réfraction.
Si un rayon lumineux passe d'un milieu optiquement moins dense (par exemple, l'air) à un milieu optiquement plus dense (par exemple, le verre), il est réfracté vers la normale. Inversement, lorsqu'il passe d'un milieu plus dense à un milieu moins dense, il est réfracté en s'éloignant de la normale.
5. Réflexion interne totale
La réflexion totale interne se produit lorsque la lumière passe d'un milieu plus dense à un milieu moins dense et que l'angle d'incidence est supérieur à l'angle critique. Dans ce cas, la lumière n'est pas réfractée vers l'extérieur, mais entièrement réfléchie.
L'angle critique (\( \theta_c \)) satisfait :
\[
\sin \theta_c = \frac{n_2}{n_1}
\]
avec \( n_1 > n_2 \).
Aplikasi penting pemantulan total internal adalah pada serat optik (fiber optic) , yang digunakan untuk komunikasi data berkecepatan tinggi dan endoskopi medis.
6. Lentilles minces : lentilles convexes et lentilles concaves
Une lentille est un objet transparent qui réfracte la lumière. Selon sa forme :
1. Lensa cembung (konvergen) : menebal di tengah, mengumpulkan sinar sejajar ke fokus.
2. Lensa cekung (divergen) : menipis di tengah, menyebarkan sinar.
Équation des lentilles minces
Pour les lentilles compatibles :
\[
\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}
\]
Similaire à l'équation des miroirs, mais l'interprétation des marques et l'emplacement de l'image dépendent du type de lentille.
Grossissement:
\[
M = \frac{h'}{h} = \frac{s'}{s}
\]
Le signe de grossissement peut afficher une image droite (positive) ou inversée (négative) selon la concordance du signe utilisé.
Puissance de la lentille (Puissance de la lentille)
La puissance de la lentille est exprimée en dioptries (D) :
\[
P = \frac{1}{f}
\]
avec \( f \) en mètres. Une lentille avec une distance focale plus courte a une puissance plus élevée.
7. Formation d'ombres dans divers instruments optiques
L'optique géométrique est la base de la compréhension des instruments optiques :
– Kaca pembesar (lup) : menggunakan lensa cembung untuk menghasilkan bayangan maya, tegak, dan diperbesar.
– Kamera : memanfaatkan lensa cembung untuk membentuk bayangan nyata terbalik pada sensor atau film.
– Mata manusia : sistem optik biologis yang membentuk bayangan pada retina. Lensa mata dapat berakomodasi (mengubah fokus) untuk melihat jauh dan dekat.
– Kacamata : lensa digunakan untuk mengoreksi cacat mata. Miopi (rabun jauh) dikoreksi lensa cekung, sedangkan hipermetropi (rabun dekat) dikoreksi lensa cembung.
– Mikroskop dan teleskop : memanfaatkan kombinasi lensa untuk memperbesar objek kecil atau jauh.
Clôture
Optik geometri memberikan kerangka yang sederhana namun kuat untuk mempelajari fenomena cahaya, terutama pemantulan dan pembiasan. Dengan memahami hukum pemantulan, hukum Snellius, sifat cermin dan lensa, serta konsep fokus dan perbesaran, kita dapat menjelaskan cara kerja berbagai alat optik yang sangat penting bagi kehidupan modern. Walaupun optik geometri tidak membahas sifat gelombang cahaya secara mendalam, cabang ini tetap menjadi dasar fundamental dalam pembelajaran fisika dan teknologi berbasis cahaya. Jika dikuasai dengan baik, optik geometri akan mempermudah pemahaman topik lanjut seperti optik fisis, interferensi, difraksi, dan polarisasi.
