Геометриялық оптика бойынша физика материалы
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 электромагниттік толқындар, 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. Негізгі ұғымдар Optik Geometri
Геометриялық оптикада бірнеше маңызды ұғымдар бар:
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.
Геометриялық оптиканың негізгі болжамы - жарықтың толқын ұзындығы ол әрекеттесетін нысандардың өлшемінен әлдеқайда кіші, сондықтан интерференция және дифракция сияқты толқындық қасиеттерді көп жағдайда ескермеуге болады.
2. Жарықтың шағылуы (шағылысу)
Жарықтың шағылуы жарық бетке тиіп, бастапқы ортасына оралғанда пайда болады. Ең қарапайым мысал - айнамен шағылысқан жарық.
Шағылысу заңы
Рефлексияның екі заңы бар:
1. Sinar datang, sinar pantul, dan garis normal terletak pada satu bidang.
2. Sudut datang (i) sama dengan sudut pantul (r) , yaitu:
\[
i = r
\]
Нормаль сызық - сәуле түсетін нүктеде бетке перпендикуляр сызық.
Рефлексия түрлері
– 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. Жалпақ және қисық айналар
Жалпақ айна
Жазық айна келесі кескінді құрайды:
– maya (tidak dapat ditangkap layar),
– tegak ,
– sama besar ,
– және айнадан затпен бірдей қашықтықта.
Егер зат айнадан белгілі бір қашықтықта болса, онда кескін айнаның артында белгілі бір қашықтықта болады.
Ойыс және дөңес айналар
Иілген айнаның екі түрі бар:
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.
Фокустық нүкте және қисықтық радиусы
Иілген айнада келесілер қолданылады:
\[
f = \frac{R}{2}
\]
фокусы \( f \) және қисықтық радиусы \( R \) болғанда.
Қисық айна теңдеуі
Нысанның қашықтығы (s), кескіннің қашықтығы (s') және фокус (f) арасындағы байланыс:
\[
\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}
\]
Суретті үлкейту:
\[
M = \frac{h'}{h} = -\frac{s'}{s}
\]
Теріс белгі төңкерілген кескінді білдіреді (нақты кескін үшін).
4. Жарықтың сынуы
Жарық сыну көрсеткіштері әртүрлі екі ортаның шекарасынан өтіп, оның таралу бағытын өзгерткенде сыну пайда болады. Мысалы, сабан стақан суға салынғанда «сынғандай» көрінеді.
Сыну көрсеткіші
Ортаның сыну көрсеткіші былай анықталады:
\[
n = \frac{c}{v}
\]
мұндағы \(c\) - вакуумдағы жарық жылдамдығы, ал \(v\) - ортадағы жарық жылдамдығы.
Жарық ортада неғұрлым үлкен болса, соғұрлым баяу таралады (n).
Снелл заңы
Pembiasan dijelaskan oleh hukum Snellius:
\[
n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2
\]
мұндағы \( \theta_1 \) түсу бұрышы және \( \theta_2 \) сыну бұрышы.
Егер жарық оптикалық тығыздығы төмен ортадан (мысалы, ауадан) оптикалық тығыздығы жоғары ортаға (мысалы, шыныға) енсе, сәуле нормальға қарай сынады. Керісінше, тығыздығы жоғары ортадан тығыздығы төмен ортаға қарай сәуле нормальдан алыстап сынады.
5. Толық ішкі шағылысу
Толық ішкі шағылысу жарық тығызырақ ортадан тығыздығы аз ортаға өткенде және түсу бұрышы критикалық бұрыштан үлкен болғанда пайда болады. Бұл жағдайда жарық сыртқа сынбайды, бірақ толығымен шағылысады.
Критикалық бұрыш (\( \theta_c \)) мынаны қанағаттандырады:
\[
\sin \theta_c = \frac{n_2}{n_1}
\]
\(n_1 > n_2 \) көмегімен.
Aplikasi penting pemantulan total internal adalah pada serat optik (fiber optic) , yang digunakan untuk komunikasi data berkecepatan tinggi dan endoskopi medis.
6. Жұқа линзалар: дөңес линзалар және ойыс линзалар
Линза - жарықты сындыратын мөлдір зат. Пішініне байланысты:
1. Lensa cembung (konvergen) : menebal di tengah, mengumpulkan sinar sejajar ke fokus.
2. Lensa cekung (divergen) : menipis di tengah, menyebarkan sinar.
Жұқа линза теңдеуі
Қолданылатын линзалар үшін:
\[
\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}
\]
Айна теңдеуіне ұқсас, бірақ белгілердің түсіндірмесі мен кескіннің орналасуы линзаның түріне байланысты.
Үлкейту:
\[
M = \frac{h'}{h} = \frac{s'}{s}
\]
Үлкейту белгісі қолданылған белгінің сәйкестігіне байланысты тік (оң) немесе төңкерілген (теріс) кескінді көрсете алады.
Линза қуаты (Линза қуаты)
Линзаның қуаты диоптрлармен (D) өрнектеледі:
\[
P = \frac{1}{f}
\]
метрмен \( f \) мәнімен. Фокустық қашықтығы қысқа линзаның қуаты үлкенірек.
7. Әртүрлі оптикалық құралдардағы көлеңкенің пайда болуы
Геометриялық оптика оптикалық құралдарды түсінудің негізі болып табылады:
– 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.
Жабу
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.
