L'òptica geomètrica és una branca especial de l'òptica física, que no s'ocupa de la naturalesa de la llum, sinó que estudia les lleis del moviment dels raigs de llum en mitjans transparents. Fem una ullada més de prop a aquestes lleis a l'article i donem també exemples del seu ús a la pràctica.
Propagació de raigs en un espai homogeni: propietats importants
Tothom sap que la llum és una ona electromagnètica, que per a alguns fenòmens naturals pot comportar-se com un corrent de quants d'energia (fenòmens de l'efecte fotoelèctric i la pressió lumínica). L'òptica geomètrica, com s'indica a la introducció, tracta només de les lleis de propagació de la llum, sense aprofundir en la seva naturalesa.
Si el feix es mou en un medi transparent homogeni o al buit i no troba cap obstacle en el seu camí, el feix de llum es mourà en línia recta. Aquesta característica va portar a la formulació del principi del temps mínim (principi de Fermat) pel francès Pierre Fermat a mitjans del segle XVII.
Una altra característica important dels raigs de llum és la seva independència. Això vol dir que cada raig es propaga a l'espai sense "sentir"un altre feix sense interactuar amb ell.
Finalment, la tercera propietat de la llum és el canvi en la velocitat de la seva propagació quan es mou d'un material transparent a un altre.
Les 3 propietats marcades dels raigs de llum s'utilitzen en la derivació de les lleis de la reflexió i la refracció.
Fenomen reflex
Aquest fenomen físic es produeix quan un feix de llum colpeja un obstacle opac molt més gran que la longitud d'ona de la llum. El fet de la reflexió és un canvi brusc en la trajectòria del feix en el mateix medi.
Suposem que un feix de llum prim cau sobre un pla opac amb un angle θ1 amb la N normal dibuixada a aquest pla a través del punt on el feix l'impacta. Aleshores, el feix es reflecteix amb un angle determinat θ2 a la mateixa N normal. El fenomen de la reflexió obeeix a dues lleis principals:
- El feix de llum reflectit incident i la normal N es troben en el mateix pla.
- L'angle de reflexió i l'angle d'incidència d'un feix de llum són sempre iguals (θ1=θ2).
Aplicació del fenomen de la reflexió en òptica geomètrica
Les lleis de reflexió d'un feix de llum s'utilitzen quan es construeixen imatges d'objectes (reals o imaginaris) en miralls de diverses geometries. Les geometries de mirall més habituals són:
- mirall pla;
- còncava;
- convex.
És bastant fàcil crear una imatge en qualsevol d'ells. En un mirall pla, sempre resulta ser imaginari, té la mateixa mida que l'objecte en si, és directe, en ellels costats esquerre i dret estan invertits.
Les imatges en miralls còncaus i convexos es construeixen mitjançant diversos raigs (paral·lels a l'eix òptic, passant pel focus i pel centre). El seu tipus depèn de la distància de l'objecte al mirall. La figura següent mostra com crear imatges en miralls convexos i còncaus.
El fenomen de la refracció
Consisteix en una ruptura (refracció) del feix quan travessa el límit de dos mitjans transparents diferents (per exemple, aigua i aire) en un angle respecte a la superfície que no és igual a 90 o.
La descripció matemàtica moderna d'aquest fenomen la van fer l'holandès Snell i el francès Descartes a principis del segle XVII. Denotant els angles θ1 i θ3 per als raigs incident i refractat en relació amb la normal N al pla, escrivim una expressió matemàtica per a la fenomen de refracció:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Les quantitats n2 i n1 són els índexs de refracció dels mitjans 2 i 1. Mostren quanta velocitat de la llum en el medi difereix de l'espai sense aire. Per exemple, per a l'aigua n=1,33 i per a l'aire - 1,00029. Heu de saber que el valor de n és funció de la freqüència de la llum (n és més gran per a freqüències més altes que per a freqüències més baixes).
Aplicació del fenomen de la refracció en òptica geomètrica
El fenomen descrit s'utilitza per crear imatgeslents primes. Una lent és un objecte fet d'un material transparent (vidre, plàstic, etc.) que està limitat per dues superfícies, almenys una de les quals té una curvatura diferent de zero. Hi ha dos tipus de lents:
- reunió;
- dispersió.
Les lents convergents estan formades per una superfície esfèrica (esfèrica) convexa. La refracció dels raigs de llum en ells es produeix de tal manera que recullen tots els raigs paral·lels en un punt: el focus. Les superfícies de dispersió estan formades per superfícies còncaves transparents, de manera que després del pas de raigs paral·lels a través d'elles, la llum es dispersa.
La construcció d'imatges en lents en la seva tècnica és similar a la construcció d'imatges en miralls esfèrics. També cal utilitzar diversos feixos (paral·lels a l'eix òptic, passant pel focus i pel centre òptic de la lent). La naturalesa de les imatges obtingudes ve determinada pel tipus de lent i la distància de l'objecte a aquesta. La figura següent mostra la tècnica per obtenir imatges d'un objecte amb lents primes per a diversos casos.
Dispositius que funcionen segons les lleis de l'òptica geomètrica
El més senzill d'ells és una lupa. És una única lent convexa que augmenta els objectes reals fins a 5 vegades.
Un dispositiu més sofisticat, que també s'utilitza per ampliar objectes, és un microscopi. Ja consta d'un sistema de lents (almenys 2 lents convergents) i permet obtenir un augment dediversos centenars de vegades.
Finalment, el tercer instrument òptic important és un telescopi utilitzat per observar els cossos celestes. Pot consistir tant en un sistema de lents, llavors s'anomena telescopi refractiu, com en un sistema mirall: un telescopi reflectant. Aquests noms reflecteixen el principi del seu treball (refracció o reflexió).
