Das geometrische Optik ist der Zweig der Physik, der sich darauf konzentriert, die Art und Weise zu untersuchen, in der sich Licht ausbreitet und reflektiert wird, wenn es von einem Medium zum anderen übergeht, ohne die Auswirkungen der Beugung zu berücksichtigen.
Auf diese Weise wird Licht geometrisch durch Strahlen dargestellt, imaginäre Linien senkrecht zu den Lichtwellenfronten..
Lichtstrahlen treten aus Lichtquellen wie der Sonne, einer Flamme oder einer Glühbirne aus und breiten sich in alle Richtungen aus. Oberflächen reflektieren diese Lichtstrahlen teilweise und deshalb können wir sie sehen, da die Augen lichtempfindliche Elemente enthalten.
Dank der Strahlenbehandlung berücksichtigt die geometrische Optik nicht so sehr die Wellenaspekte des Lichts, sondern erklärt, wie Bilder im Auge, in Spiegeln und Projektoren entstehen, wo sie es tun und wie sie erscheinen.
Die Grundprinzipien der geometrischen Optik sind die Reflexion und Brechung von Licht. Lichtstrahlen treffen in bestimmten Winkeln auf die Oberflächen, auf die sie treffen, und dank dieser hilft eine einfache Geometrie dabei, ihre Flugbahn in jedem Medium zu verfolgen.
Dies erklärt alltägliche Dinge wie das Betrachten unseres Bildes im Badezimmerspiegel, das Sehen eines Teelöffels, der sich in einem Glas voller Wasser zu biegen scheint, oder das Verbessern der Sicht mit einer geeigneten Brille..
Wir brauchen Licht, um uns auf die Umwelt zu beziehen, deshalb hat sein Verhalten immer Beobachter überrascht, die sich über ihre Natur wunderten..
Artikelverzeichnis
Die geometrische Optik untersucht die Ausbreitung von Licht im Vakuum und in verschiedenen Medien, ohne zu erklären, woraus seine wahre Natur besteht. Hierfür werden das Strahlenmodell und die einfache Geometrie verwendet.
Ein Strahl ist der Weg, dem Licht in einem bestimmten transparenten Medium folgt. Dies ist eine hervorragende Annäherung, solange die Wellenlänge im Vergleich zur Größe von Objekten klein ist..
Dies gilt in vielen alltäglichen Fällen, wie sie zu Beginn erwähnt wurden..
Es gibt zwei grundlegende Prämissen der geometrischen Optik:
-Das Licht breitet sich geradlinig aus.
-Während der Ausbreitung durch verschiedene Medien erfolgt Licht nach empirischen Gesetzen, dh durch Experimente.
Die Lichtgeschwindigkeit in einem materiellen Medium unterscheidet sich von der eines Vakuums. Dort wissen wir, dass es 300.000 km / s sind, aber in der Luft ist es nur ein wenig niedriger und noch mehr in Wasser oder Glas..
Der Brechungsindex ist eine dimensionslose Größe, die als Quotient zwischen der Geschwindigkeit definiert ist, mit der sich Licht im Vakuum bewegt coder und Geschwindigkeit c in besagtem Medium:
n = coder / c
Es ist das Produkt zwischen der Entfernung, die das Licht zurücklegt, um von einem Punkt zum anderen zu gelangen, und dem Brechungsindex des Mediums:
L = s. n
Wobei L der optische Weg ist, s der Abstand zwischen den beiden Punkten ist und n den Brechungsindex darstellt, wobei eine Konstante angenommen wird.
Mittels des Strahlengangs werden Lichtstrahlen verglichen, die sich in verschiedenen Medien bewegen.
Es ist der Winkel, den der Lichtstrahl mit der Normalenlinie zu einer Oberfläche bildet, die zwei Medien trennt.
Der französische Mathematiker Pierre de Fermat (1601-1665) stellte fest, dass:
Wenn sich ein Lichtstrahl zwischen zwei Punkten bewegt, folgt er dem Pfad, auf dem er die minimale Zeit benötigt.
Und da sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, muss sein Weg geradlinig sein.
Mit anderen Worten, das Fermat-Prinzip besagt, dass der Weg des Lichtstrahls so ist, dass der optische Weg zwischen zwei Punkten minimal ist..
Beim Auftreffen auf die Oberfläche, die zwei verschiedene Medien trennt, wird ein Teil des einfallenden Strahls - oder alles - zurückreflektiert und dies mit demselben gemessenen Winkel in Bezug auf die Normale zur Oberfläche, mit der er getroffen wurde..
Mit anderen Worten entspricht der Einfallswinkel dem Reflexionswinkel:
θich = θich '
Der niederländische Mathematiker Willebrord Snell (1580-1626) beobachtete sorgfältig das Verhalten von Licht beim Übergang von Luft zu Wasser und Glas.
Er sah, dass, wenn ein Lichtstrahl auf die Oberfläche fällt, die zwei Medien trennt und damit einen bestimmten Winkel bildet, ein Teil des Strahls zum ersten Medium zurückreflektiert wird und der andere seinen Weg durch das zweite fortsetzt..
So folgerte er die folgende Beziehung zwischen beiden Medien:
n1 ⋅ sen θ1 = n2 ⋅ sen θzwei
Wo1 und nzwei sind die jeweiligen Brechungsindizes, während θ1 Y. θzwei sind die Einfalls- und Brechungswinkel, gemessen in Bezug auf die Normale zur Oberfläche gemäß der obigen Abbildung.
Spiegel sind hochglanzpolierte Oberflächen, die das Licht von Objekten reflektieren und die Bildung von Bildern ermöglichen. Flache Spiegel, wie sie im Badezimmer oder in einer Handtasche getragen werden, sind üblich.
Eine Linse besteht aus einer optischen Vorrichtung mit zwei sehr engen Brechungsflächen. Wenn ein Strahl paralleler Strahlen durch eine Sammellinse tritt, konvergieren sie an einem Punkt und bilden ein Bild. Bei einer Zerstreuungslinse geschieht das Gegenteil: Die Strahlstrahlen divergieren an einem Punkt.
Linsen werden häufig zur Korrektur von Brechungsfehlern im Auge sowie in verschiedenen optischen Vergrößerungsinstrumenten verwendet..
Es gibt optische Instrumente, mit denen Bilder vergrößert werden können, beispielsweise Mikroskope, Lupen und Teleskope. Es gibt auch solche, die über Augenhöhe schauen, wie Periskope.
Fotokameras werden verwendet, um Bilder aufzunehmen und zu speichern, die ein Linsensystem und ein Aufzeichnungselement enthalten, um das erzeugte Bild zu speichern..
Es ist ein langes, dünnes und transparentes Material auf Siliziumdioxid- oder Kunststoffbasis, das zur Datenübertragung verwendet wird. Es nutzt die Eigenschaft der Totalreflexion: Wenn das Licht in einem bestimmten Winkel das Medium erreicht, tritt keine Brechung auf, daher kann der Strahl lange Strecken zurücklegen und im Filament reflektieren.
Objekte am Boden eines Pools oder Teichs scheinen näher zu sein als sie tatsächlich sind, was auf die Brechung zurückzuführen ist. In welcher scheinbaren Tiefe sieht ein Beobachter eine Münze, die sich am Boden eines 4 m tiefen Pools befindet??
Angenommen, der aus der Münze austretende Strahl erreicht das Auge des Betrachters in einem Winkel von 40 ° zur Normalen..
Fakt ist: Der Brechungsindex von Wasser beträgt 1,33, der von Luft 1.
Die scheinbare Tiefe der Münze beträgt s 'und die Tiefe des Pools beträgt s = 4 m. Die Münze befindet sich am Punkt Q und der Beobachter sieht sie am Punkt Q '. Die Tiefe dieses Punktes ist:
s '= s - Q'Q
Aus Snells Gesetz:
nb ⋅ sin 40º = nzu ⋅ sen θr
sen θr = (nb ⋅ sin 40º) ÷ nzu = sin 40º / 1,33 = 0,4833
θr = Arcsen (0,4833) = 28,9º
Wenn wir diesen Winkel kennen, berechnen wir den Abstand d = OV vom rechtwinkligen Dreieck, dessen spitzer Winkel ist θr::
tan 28,9º = OV / 4 m
OV = 4 m × tan 28,9 ° = 2,154 m
Andererseits:
tan 50º = OQ '/ OV
Deshalb:
OQ '= OV × tan 50º = 2,154 m × tan 50º = 2,57 m.
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