Ֆիզիկայի նյութեր երկրաչափական օպտիկայի վերաբերյալ

Ֆիզիկայի նյութեր երկրաչափական օպտիկայի վերաբերյալ

Երկրաչափական օպտիկան ֆիզիկայի մի ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է լույսի վարքը՝ օգտագործելով «ճառագայթային» մոտեցում: Այս մոտեցման մեջ ենթադրվում է, որ լույսը տարածվում է ուղիղ գծերով՝ անդրադարձնելով անդրադարձնող մակերեսին հարվածելիս և բեկվելով երկու տարբեր միջավայրերով անցնելիս: Չնայած լույսը, ըստ էության, էլեկտրամագնիսական ալիք է, երկրաչափական օպտիկան չափազանց օգտակար է բազմաթիվ առօրյա երևույթներ բացատրելու համար և հիմք է հանդիսանում տարբեր օպտիկական գործիքների, ինչպիսիք են խոշորացույցները, տեսախցիկները, պերիսկոպները, մանրադիտակները և աստղադիտակները, աշխատանքի համար:

1. Երկրաչափական օպտիկայի հիմնական հասկացությունները

Երկրաչափական օպտիկայի մեջ կան մի քանի կարևոր հասկացություններ.

1. Լույսի ճառագայթներ. լույսի տարածման ուղղության ներկայացում՝ գծված ուղիղ գծով։
2. Լույսի փունջ. լույսի ճառագայթների հավաքածու։ Փունջը կարող է լինել զուգահեռ, զուգամիտ կամ դիվերգենտ։
3. Միջավայր. միջանկյալ նյութ, որի միջով տարածվում է լույսը, օրինակ՝ օդը, ջուրը, ապակին կամ պլաստմասը։

Երկրաչափական օպտիկայի հիմնական ենթադրությունն այն է, որ լույսի ալիքի երկարությունը շատ ավելի փոքր է այն մարմինների չափսերից, որոնց հետ այն փոխազդում է, ուստի ալիքային հատկությունները, ինչպիսիք են ինտերֆերենցիան և դիֆրակցիան, կարող են անտեսվել դեպքերի մեծ մասում։

2. Լույսի արտացոլում (Reflection)

Լույսի անդրադարձումը տեղի է ունենում, երբ լույսը հարվածում է մակերեսին և վերադառնում իր սկզբնական միջավայր: Ամենապարզ օրինակը հայելու կողմից լույսի անդրադարձումն է:

Արտացոլման օրենքը
Արտացոլման երկու օրենք կա.
1. Ընկնող ճառագայթը, անդրադարձած ճառագայթը և նորմալը գտնվում են մեկ հարթության մեջ։
2. Անդրադարձման անկյունը (i) նույնն է, ինչ անդրադարձման անկյունը (r), այսինքն՝
\[
ի = ր
\]

Նորմալ գիծը այն գիծն է, որը ուղղահայաց է ճառագայթի ընկնելու կետում գտնվող մակերեսին։

Արտացոլման տեսակները
– Կանոնավոր (հայելային) անդրադարձում. տեղի է ունենում հարթ մակերեսների վրա, ինչպիսիք են հայելիները: Անդրադարձվող լույսը կանոնավոր է, ձևավորելով հստակ պատկեր:
– Դիֆուզային անդրադարձում. տեղի է ունենում կոպիտ մակերեսների վրա, ինչպիսիք են պատերը: Լույսը անդրադարձվում է տարբեր ուղղություններով, ինչի արդյունքում ձևավորվում է պարզ պատկեր:

3. Հարթ և կոր հայելիներ

Հարթ հայելի
Հարթ հայելին ստեղծում է հետևյալ պատկերը.
– վիրտուալ (չի կարող նկարահանվել էկրանին),
- ուղղահայաց,
- նույն չափսը,
– և հայելուց նույն հեռավորության վրա, ինչ առարկան։

Եթե ​​առարկան հայելուց որոշակի հեռավորության վրա է (s), ապա պատկերը հայելուց որոշակի հեռավորության վրա է (s' = s)։

Գոգավոր և ուռուցիկ հայելիներ
Կան կոր հայելիների երկու տեսակ՝

1. Գոգավոր (կոնվերգենտ) հայելի. անդրադարձնող մակերեսը կորանում է դեպի ներս։ Կարող է զուգահեռ ճառագայթները հավաքել մեկ կիզակետում։
2. Ուռուցիկ (տարբերվող) հայելի. անդրադարձնող մակերեսը կորանում է դեպի դուրս։ Տարածում է լույսի ճառագայթը։

Կիզակետ և կորության շառավիղ
Կոր հայելիների դեպքում կիրառվում է հետևյալը.
\[
f = \frac{R}{2}
\]
որտեղ \(f\) կիզակետը և \(R\) կորության շառավիղը։

Կոր հայելու հավասարում
Առարկայի հեռավորության (s), պատկերի հեռավորության (s') և ֆոկուսի (f) միջև եղած կապը հետևյալն է՝
\[
\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}
\]

Պատկերի մեծացում՝
\[
M = \frac{h'}{h} = -\frac{s'}{s}
\]
Բացասական նշանը ցույց է տալիս շրջված պատկեր (իրական պատկերի համար):

4. Լույսի բեկում

Բեկումը տեղի է ունենում, երբ լույսը անցնում է տարբեր բեկման ցուցիչներ ունեցող երկու միջավայրերի սահմանով՝ փոխելով իր շարժման ուղղությունը: Օրինակ՝ ծղոտը թվում է «կոտրված», երբ այն դնում ենք ջրի բաժակի մեջ:

Բեկման ինդեքս
Միջավայրի բեկման ցուցիչը սահմանվում է.
\[
n = \frac{c}{v}
\]
որտեղ (c)-ն լույսի արագությունն է վակուումում, իսկ (v)-ն՝ լույսի արագությունը միջավայրում։

Որքան մեծ է \(n\), այնքան դանդաղ է լույսը տարածվում միջավայրում։

Սնելի օրենքը
Բեկումը բացատրվում է Սնելի օրենքով՝
\[
n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2
\]
որտեղ \( \theta_1 \)-ը անկման անկյունն է, իսկ \( \theta_2 \)-ը՝ բեկման անկյունը։

Եթե ​​լույսը ավելի քիչ օպտիկապես խիտ միջավայրից (օրինակ՝ օդ) մտնում է ավելի շատ օպտիկապես խիտ միջավայր (օրինակ՝ ապակի), ճառագայթը բեկվում է դեպի նորմալը։ Եվ հակառակը, ավելի խիտ միջավայրից դեպի ավելի քիչ խիտ միջավայր, ճառագայթը բեկվում է նորմալից հեռու։

5. Ամբողջական ներքին արտացոլում

Լրիվ ներքին անդրադարձում տեղի է ունենում, երբ լույսը անցնում է ավելի խիտ միջավայրից դեպի ավելի քիչ խիտ միջավայր, և անկման անկյունը մեծ է կրիտիկական անկյունից։ Այս պայմաններում լույսը չի բեկվում դեպի դուրս, այլ ամբողջությամբ անդրադարձվում է։

Կրիտիկական անկյունը (\( \theta_c \)) բավարարում է հետևյալին՝
\[
\sin \theta_c = \frac{n_2}{n_1}
\]
\(n_1 > n_2 \)-ով։

Լրիվ ներքին անդրադարձման կարևոր կիրառություն է օպտիկական մանրաթելերը, որոնք օգտագործվում են բարձր արագությամբ տվյալների փոխանցման և բժշկական էնդոսկոպիայի համար։

6. Բարակ ոսպնյակներ. Ուռուցիկ ոսպնյակներ և գոգավոր ոսպնյակներ

Լինզաքը թափանցիկ մարմին է, որը բեկում է լույսը։ Իր ձևի հիման վրա՝

1. Ուռուցիկ (կոնվերգենտ) ոսպնյակ. խտանում է մեջտեղում, հավաքում է զուգահեռ ճառագայթները դեպի կիզակետը։
2. Գոգավոր (տարբերվող) ոսպնյակ. մեջտեղում նոսրանում է, տարածում է լույսը։

Բարակ ոսպնյակի հավասարում
Համապատասխան ոսպնյակների համար՝
\[
\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}
\]
Նման է հայելու հավասարմանը, սակայն նշագրումների և պատկերի դիրքի մեկնաբանությունը կախված է ոսպնյակի տեսակից։

Մեծացում՝
\[
M = \frac{h'}{h} = \frac{s'}{s}
\]
Խոշորացման նշանը կարող է ցույց տալ ուղղահայաց (դրական) կամ շրջված (բացասական) պատկեր՝ կախված օգտագործված նշանի համաձայնությունից։

Լինզայի հզորություն (Լինզայի հզորություն)
Լինզայի հզորությունը արտահայտվում է դիոպտրիաներով (D):
\[
P = \frac{1}{f}
\]
\(f \)-ն մետրերով։ Կարճ ֆոկուսային հեռավորություն ունեցող օբյեկտիվն ունի ավելի մեծ հզորություն։

7. Ստվերի առաջացումը տարբեր օպտիկական սարքերում

Երկրաչափական օպտիկան հիմք է հանդիսանում օպտիկական գործիքների հասկացման համար.

– Խոշորացույց (լուպ). օգտագործում է ուռուցիկ ոսպնյակ՝ վիրտուալ, ուղղահայաց և մեծացված պատկեր ստանալու համար։
– Տեսախցիկ. օգտագործում է ուռուցիկ ոսպնյակ՝ սենսորի կամ ժապավենի վրա իրական, շրջված պատկեր ստեղծելու համար։
– Մարդու աչք. կենսաբանական օպտիկական համակարգ, որը պատկերներ է ձևավորում ցանցաթաղանթի վրա: Աչքի ոսպնյակը կարող է հարմարվել (փոխել ֆոկուսը) հեռավորության և մոտիկ տեսողության համար:
– Ակնոցներ. աչքի թերությունները շտկելու համար օգտագործվող ոսպնյակներ: Կարճատեսությունը (մոտատեսությունը) շտկվում է գոգավոր ոսպնյակներով, իսկ հիպերմետրոպիան (հեռատեսությունը)՝ ուռուցիկ ոսպնյակներով:
– Մանրադիտակներ և հեռադիտակներ. օգտագործում են ոսպնյակների համադրություն՝ փոքր կամ հեռավոր առարկաները մեծացնելու համար։

Penutup

Երկրաչափական օպտիկան պարզ, բայց հզոր հիմք է լույսի երևույթների, մասնավորապես՝ անդրադարձման և բեկման ուսումնասիրության համար: Անդրադարձման օրենքները, Սնելի օրենքը, հայելիների և ոսպնյակների հատկությունները, ինչպես նաև ֆոկուսի և մեծացման հասկացությունները հասկանալով՝ մենք կարող ենք բացատրել բազմաթիվ օպտիկական սարքերի աշխատանքը, որոնք կարևոր են ժամանակակից կյանքի համար: Չնայած երկրաչափական օպտիկան խորը չի ուսումնասիրում լույսի ալիքային բնույթը, այն մնում է ֆիզիկայի և լույսի վրա հիմնված տեխնոլոգիաների ուսումնասիրության հիմնարար հիմք: Երկրաչափական օպտիկայի լավ իմացությունը հեշտացնում է այնպիսի առաջադեմ թեմաների ըմբռնումը, ինչպիսիք են ֆիզիկական օպտիկան, ինտերֆերենցիան, դիֆրակցիան և բևեռացումը: