Quang học hình học là một nhánh đặc biệt của quang học vật lý, không liên quan đến bản chất của ánh sáng, mà nghiên cứu quy luật chuyển động của các tia sáng trong môi trường trong suốt. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các luật này trong bài viết và cũng đưa ra các ví dụ về việc sử dụng chúng trong thực tế.
Sự lan truyền tia trong không gian thuần nhất: các tính chất quan trọng
Mọi người đều biết rằng ánh sáng là sóng điện từ, đối với một số hiện tượng tự nhiên có thể hoạt động giống như một dòng lượng tử năng lượng (hiện tượng hiệu ứng quang điện và áp suất ánh sáng). Quang học hình học, như đã lưu ý trong phần giới thiệu, chỉ đề cập đến quy luật truyền ánh sáng mà không đi sâu vào bản chất của chúng.
Nếu chùm sáng chuyển động trong môi trường trong suốt đồng nhất hoặc trong chân không và không gặp bất kỳ vật cản nào trên đường đi, thì chùm sáng sẽ chuyển động theo đường thẳng. Đặc điểm này đã dẫn đến việc xây dựng nguyên tắc về thời gian ít nhất (nguyên lý Fermat) của người Pháp Pierre Fermat vào giữa thế kỷ 17.
Một đặc điểm quan trọng khác của tia sáng là tính độc lập của chúng. Điều này có nghĩa là mỗi tia lan truyền trong không gian mà không có "cảm giác"một chùm tia khác mà không tương tác với nó.
Cuối cùng, tính chất thứ ba của ánh sáng là sự thay đổi tốc độ lan truyền của nó khi chuyển từ vật liệu trong suốt này sang vật liệu trong suốt khác.
3 tính chất được đánh dấu của tia sáng được sử dụng để suy ra các định luật phản xạ và khúc xạ.
Hiện tượng phản xạ
Hiện tượng vật lý này xảy ra khi một chùm ánh sáng chạm vào một vật cản mờ lớn hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng. Thực tế của sự phản xạ là sự thay đổi rõ nét quỹ đạo của chùm tia trong cùng một môi trường.
Giả sử rằng một chùm ánh sáng mỏng rơi trên một mặt phẳng không trong suốt một góc θ1so với pháp tuyến N được vẽ tới mặt phẳng này qua điểm mà chùm tia chiếu vào nó. Khi đó chùm tia bị phản xạ theo một góc xác định θ2về cùng pháp tuyến N. Hiện tượng phản xạ tuân theo hai định luật chính:
- Chùm sáng phản xạ tới và pháp tuyến N nằm trong cùng một mặt phẳng.
- Góc phản xạ và góc tới của chùm sáng luôn bằng nhau (θ1=θ2).
Ứng dụng của hiện tượng phản xạ trong quang học hình học
Định luật phản xạ của chùm sáng được sử dụng khi dựng ảnh của các vật thể (thực hoặc ảo) trong các gương có dạng hình học khác nhau. Các dạng hình học phản chiếu phổ biến nhất là:
- gương phẳng;
- lõm;
- lồi.
Khá dễ dàng để xây dựng hình ảnh trong bất kỳ hình ảnh nào trong số họ. Trong gương phẳng, nó luôn là vật ảo, có cùng kích thước với bản thân vật, là trực diện, trong đóbên trái và bên phải được đảo ngược.
Ảnh trong gương cầu lõm và gương cầu lồi được tạo ra bằng cách sử dụng một số tia (song song với trục quang học, đi qua tiêu điểm và qua tâm). Loại của chúng phụ thuộc vào khoảng cách của vật thể từ gương. Hình dưới đây cho thấy cách tạo ảnh trong gương cầu lồi và gương cầu lõm.
Hiện tượng khúc xạ
Nó bao gồm sự đứt gãy (khúc xạ) của chùm tia khi nó đi qua ranh giới của hai môi trường trong suốt khác nhau (ví dụ, nước và không khí) ở một góc với bề mặt không bằng 90o.
Mô tả toán học hiện đại của hiện tượng này được thực hiện bởi Snell người Hà Lan và người Pháp Descartes vào đầu thế kỷ 17. Ký hiệu các góc θ1và θ3đối với tia tới và tia khúc xạ so với pháp tuyến N đối với mặt phẳng, ta viết biểu thức toán học cho hiện tượng khúc xạ:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ3).
Các đại lượng n2và n1là chiết suất của môi trường 2 và 1. Chúng cho biết tốc độ ánh sáng bằng bao nhiêu. trong môi trường khác với trong không gian không có không khí. Ví dụ, đối với nước n=1.33 và đối với không khí - 1.00029. Bạn nên biết rằng giá trị của n là một hàm của tần số ánh sáng (n lớn hơn đối với tần số cao hơn tần số thấp hơn).
Ứng dụng của hiện tượng khúc xạ trong quang học hình học
Hiện tượng được mô tả được sử dụng để xây dựng hình ảnh trongtròng kính mỏng. Thấu kính là một vật thể làm bằng vật liệu trong suốt (thủy tinh, nhựa, v.v.) được giới hạn bởi hai bề mặt, trong đó có ít nhất một bề mặt có độ cong khác không. Có hai loại thấu kính:
- tập hợp;
- tán.
Thấu kính hội tụ được tạo thành bởi một mặt cầu lồi (hình cầu). Sự khúc xạ của các tia sáng trong chúng xảy ra theo cách mà chúng thu thập tất cả các tia song song tại một điểm - tiêu điểm. Các bề mặt tán xạ được hình thành bởi các bề mặt trong suốt lõm, vì vậy sau khi các tia song song truyền qua chúng, ánh sáng bị tán xạ.
Việc xây dựng hình ảnh trong thấu kính trong kỹ thuật của nó tương tự như việc xây dựng hình ảnh trong gương cầu. Cũng cần sử dụng một số chùm tia (song song với trục quang học, đi qua tiêu điểm và qua quang tâm của thấu kính). Bản chất của ảnh thu được được xác định bởi loại thấu kính và khoảng cách của vật tới nó. Hình bên dưới mô tả kỹ thuật thu được hình ảnh của một vật thể trong thấu kính mỏng trong nhiều trường hợp khác nhau.
Thiết bị hoạt động theo quy luật quang học
Đơn giản nhất trong số đó là kính lúp. Nó là một thấu kính lồi duy nhất có thể phóng đại các vật thể thật lên đến 5 lần.
Một thiết bị tinh vi hơn, cũng được sử dụng để phóng đại các vật thể, là kính hiển vi. Nó đã bao gồm một hệ thống thấu kính (ít nhất 2 thấu kính hội tụ) và cho phép bạn tăngvài trăm lần.
Cuối cùng, dụng cụ quang học quan trọng thứ ba là kính thiên văn dùng để quan sát các thiên thể. Nó có thể bao gồm cả một hệ thống thấu kính, khi đó nó được gọi là kính thiên văn khúc xạ, và hệ thống gương - kính thiên văn phản xạ. Những cái tên này phản ánh nguyên lý hoạt động của nó (khúc xạ hoặc phản xạ).
