Geometrische optica welke studies, wetten, toepassingen, oefeningen

De Geometrische optiek Het is de tak van de fysica die zich concentreert op het bestuderen van hoe licht zich verspreidt en reflecteert wanneer het van het ene medium naar het andere gaat, zonder rekening te houden met de effecten van diffractie.

Op deze manier wordt het licht geometrisch weergegeven door stralen, denkbeeldige lijnen loodrecht op de fronten van de heldere golf.

Lichtstralen komen voort uit lichtgevende bronnen zoals de zon, een vlam of een lamp, die zich in alle richtingen verspreiden. De oppervlakken weerspiegelen gedeeltelijk die lichtstralen en daarom kunnen we ze zien, dankzij het feit dat de ogen elementen bevatten die gevoelig zijn voor licht.

Dankzij straalbehandeling houdt geometrische optica geen rekening met de golvende aspecten van licht, maar legt eerder uit hoe beelden worden gevormd in het oog, spiegels en projectoren, waar ze doen en hoe ze verschijnen.

De fundamentele principes van geometrische optica zijn reflectie en breking van het licht. De lichtstralen beïnvloeden bepaalde hoeken op de oppervlakken waarmee deze zich bevindt, en dankzij dit helpt een eenvoudige geometrie om het spoor van het traject in elk medium te volgen.

Dit verklaart alledaagse dingen zoals het observeren van ons beeld in de badkamerspiegel, het zien van een theelepel die lijkt te buigen in het glas vol water of het zicht te verbeteren met voldoende bril.

We hebben licht nodig om te communiceren met de omgeving, dus altijd heeft hun gedrag de waarnemers verbaasd, die naar hun aard hebben gevraagd.

[TOC]

Welke studies geometrische optiek? (Studieobject)

Geometrische optica bestudeert de verspreiding van licht in een vacuüm en in verschillende media, zonder uit te leggen waar de ware aard uit bestaat. Hiervoor maakt het gebruik van het eenvoudige straal- en geometriemodel.

Ray is het traject dat het licht doorgaat in een bepaald transparant medium, wat een uitstekende aanpak is zolang de golflengte klein is in vergelijking met de grootte van de objecten.

Kan u dienen: Barrada -spiraalvormige sterrenstelsel: vorming, evolutie, kenmerken

Dit wordt vervuld in een groot deel van de dagelijkse gevallen, zoals die in het begin genoemd.

Er zijn twee fundamentele gebouwen van geometrische optica:

-Het licht verspreidt zich op een rechtlijnige manier.

-Terwijl hij zich door verschillende middelen verspreidt, doet het licht dit na empirische wetten, dat wil zeggen verkregen uit experimenten.

Basisconcepten in geometrische optica

Brekingsindex

De snelheid van het licht in een materiaalmedium is anders dan die van vacuüm. Daar weten we dat het 300 is.000 km/s, maar in de lucht is het net iets lager en nog meer in water of glas.

De brekingsindex is een extra hoeveelheid, die wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de snelheid waarmee het licht in een vacuüm beweegt C_of En de snelheid C  In dat medium:

n = c_of / C

Optisch pad

Bron: Slideshare.netto

Het is het product tussen de afstand die door het licht wordt afgelegd om van het ene punt naar het andere te gaan, en de brekingsindex van het medium:

L = S. N

Waar L het optische pad is, is S de afstand tussen de twee punten en N vertegenwoordigt de brekingsindex, constante veronderstelling.

Door het optische pad worden lichtstralen vergeleken die in verschillende media bewegen.

Invalshoek

Hier wordt de invalshoek θ genoemd_{1 .} Bron: josell7/cc by-sa (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/4.0)

Het is de hoek die de heldere balk vormt met de normale lijn naar een oppervlak dat twee media scheidt.

Geometrische optiekwetten

Fermat -principe

Fermat -principe in het geval van lichtbreking op een plat oppervlak tussen lucht en water. Objectpunt A in de lucht- en observatiepunt B in het water. Het punt van breking P is degene die de tijd minimaliseert die het licht kost om het APB -pad te reizen. Bron: Klaus-Dieter Keller / CC0

De Franse wiskundige Pierre de Fermat (1601-1665) zei:

Wanneer een lichtstraal tussen twee punten reist, volg dan dat traject waarin de minimale tijd duurt.

En omdat het licht met constante snelheid beweegt, moet het traject zijn rechtlijnig zijn.

Met andere woorden, het Fermat -principe stelt vast dat het traject van het bliksemlicht zodanig is dat het optische pad tussen twee punten minimaal is.

Weerspiegeling

Door het oppervlak te beïnvloeden dat twee verschillende middelen scheidt, wordt een deel van de invallende straal - of alles - terug gereflecteerd en doet dit met dezelfde hoek gemeten ten opzichte van het normaal voor het oppervlak waarmee hij heeft beïnvloed.

Kan u van dienst zijn: rechtlijnige beweging: kenmerken, typen en voorbeeldenEen voorbeeld van de wet van reflectie. Bron: Zátonyi Sandor (IFJ.)/Cc by-sa (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)

Met andere woorden, de incidentiehoek is gelijk aan de reflectiehoek:

 θ_Je = θ_{Yo '}

Snell Law

Snell's wet. Bron: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/4.0)]

Nederlands wiskundig.

Hij zag dat wanneer een lichtstraal het oppervlak beïnvloedt dat twee media scheidt, een bepaalde hoek ermee vormt, een deel van de bliksem wordt gereflecteerd naar het eerste medium en de andere zijn pad door de tweede volgt.

Zo leidde hij de volgende relatie tussen beide media af:

N_{1 ⋅} Sin θ₁ = n_{2 ⋅} Sin θ₂

Waar₁ en N₂ Ze zijn de respectieve Brekingsindices, terwijl θ₁ En  θ₂  Ze zijn de hoeken van incidentie en breking, gemeten ten opzichte van het normale naar het oppervlak, volgens de bovenstaande figuur.

Toepassingen

Spiegels en lenzen

Lenzen zijn apparaten op basis van geometrische optica die onder andere worden gebruikt om het zicht te verbeteren. Bron: Pixabay.

Spiegels zijn zeer gepolijste oppervlakken die het licht van objecten weerspiegelen, waardoor beeldvorming mogelijk is. De platte spiegels, zoals die van de badkamer of die in de portemonnee zijn gebruikelijk.

Een lens bestaat uit een optisch apparaat met twee zeer nauwe brekingsoppervlakken. Wanneer een parallelle straalstraal een convergente lens kruist, convergeren ze op een punt dat een afbeelding vormt. Als het gaat om een ​​uiteenlopende lens, komt het tegenovergestelde voor: de stralen van de balkduik.

De lenzen worden vaak gebruikt om de brekingsdefecten van het oog te corrigeren, evenals in verschillende optische vergrotingsinstrumenten.

Optische instrumenten

Er zijn optische instrumenten die de beelden mogelijk maken, voor voorbeelden microscopen, vergroot en telescopen. Er zijn ook om boven het oogniveau te kijken, zoals Periscopios.

Kan u van dienst zijn: paramagnetisme

Om afbeeldingen vast te leggen en te behouden, hebt u de camera's, die een lenssysteem en een registratie -element bevatten om de gevormde afbeelding op te slaan.

De optische vezel

Het is een lang, dun en transparant materiaal op basis van silica of plastic, dat wordt gebruikt voor gegevensoverdracht. Het maakt gebruik van de eigenschap van totale reflectie: wanneer het licht het medium met een bepaalde hoek bereikt, is er geen breking, daarom kan de bliksem lange afstanden afleggen, stuiterend in de gloeidraad.

Oefening opgelost

De objecten op de achtergrond Een zwembad of een vijver Het lijkt erop dat ze dichterbij zijn dan ze echt vinden, wat te wijten is aan de breking. Hoe duidelijke diepte Een waarnemer ziet een munt die zich onderaan een diepe pool van 4 m bevindt?

Ga ervan uit dat de straal die uit de valuta tevoorschijn komt, het oog van de waarnemer bereikt met een hoek van 40º ten opzichte van de normale.

Een munt aan de onderkant van het zwembad ziet er dichterbij wanneer u van boven kijkt. Bron: f. Zapata.

Gegevens: de waterbrekingsindex is 1.33, de lucht is 1.

Oplossing

De schijnbare diepte van de valuta is S 'en de diepte van de pool is S = 4 m. De valuta bevindt zich op punt Q en de waarnemer ziet het op het punt q '. De diepte van dit punt is:

s '= s - q'q

Van de wet van Snell:

N_B ⋅ sen 40º = n_naar ⋅ sin θ_R

Sin θ_R = (n_B ⋅ sen 40º) ÷ n_naar = Sen 40º /1.33 = 0.4833

θ_R = Arcsen (0.4833) = 28.9º

Als we deze hoek kennen, berekenen we de afstand D = OV van de rechter driehoek, waarvan de acute hoek is θ_R:

Dus 28.9º = ov/4 m

Ov = 4 m × tan 28.9º = 2.154 m

Daarnaast:

Tan 50º = oq '/ov

Daarom:

Oq '= ov × tan 50º = 2.154 m × tan 50º = 2.57 m.

Referenties

1. Bauer, W. 2011. Fysica voor engineering en wetenschappen. Deel 2. MC Graw Hill.
2. Figueras, m. Geometrische optiek: optica zonder golven. Open University of Catalonië.
3. Giancoli, D.  2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
4. Serway, r., Jewett, J. (2008). Natuurkunde voor wetenschap en engineering. Deel 2. 7e. ED. Cengage leren.
5. Tippens, p. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. McGraw Hill.