La óptica geométrica es una rama especial de la óptica física, que no se ocupa de la naturaleza de la luz, sino que estudia las leyes del movimiento de los rayos de luz en medios transparentes. Echemos un vistazo más de cerca a estas leyes en el artículo y también demos ejemplos de su uso en la práctica.
Propagación de rayos en espacio homogéneo: propiedades importantes
Todo el mundo sabe que la luz es una onda electromagnética, que para algunos fenómenos naturales puede comportarse como una corriente de cuantos de energía (fenómenos del efecto fotoeléctrico y la presión de la luz). La óptica geométrica, como se señaló en la introducción, se ocupa únicamente de las leyes de propagación de la luz, sin profundizar en su naturaleza.
Si el rayo se mueve en un medio transparente homogéneo o en el vacío y no encuentra ningún obstáculo en su camino, entonces el rayo de luz se moverá en línea recta. Esta característica condujo a la formulación del principio del tiempo mínimo (principio de Fermat) por parte del francés Pierre Fermat a mediados del siglo XVII.
Otra característica importante de los rayos de luz es su independencia. Esto significa que cada rayo se propaga en el espacio sin "sentir"otro rayo sin interactuar con él.
Finalmente, la tercera propiedad de la luz es el cambio en la velocidad de su propagación cuando se mueve de un material transparente a otro.
Las 3 propiedades marcadas de los rayos de luz se utilizan en la derivación de las leyes de reflexión y refracción.
Fenómeno de reflexión
Este fenómeno físico ocurre cuando un rayo de luz golpea un obstáculo opaco mucho más grande que la longitud de onda de la luz. El hecho de la reflexión es un cambio brusco en la trayectoria del haz en el mismo medio.
Suponga que un delgado haz de luz cae sobre un plano opaco con un ángulo θ1 con respecto a la N normal trazada a este plano a través del punto donde el haz incide sobre él. Entonces el rayo se refleja en un cierto ángulo θ2 con respecto a la misma normal N. El fenómeno de la reflexión obedece a dos leyes principales:
- El haz de luz reflejado incidente y la N normal se encuentran en el mismo plano.
- El ángulo de reflexión y el ángulo de incidencia de un haz de luz son siempre iguales (θ1=θ2).
Aplicación del fenómeno de la reflexión en óptica geométrica
Las leyes de reflexión de un haz de luz se utilizan al construir imágenes de objetos (reales o imaginarios) en espejos de varias geometrías. Las geometrías de espejo más comunes son:
- espejo plano;
- cóncavo;
- convexo.
Es bastante fácil construir una imagen en cualquiera de ellos. En un espejo plano, siempre resulta ser imaginario, tiene el mismo tamaño que el objeto mismo, es directo, en éllos lados izquierdo y derecho están invertidos.
Las imágenes en espejos cóncavos y convexos se construyen utilizando varios rayos (paralelos al eje óptico, pasando por el foco y por el centro). Su tipo depende de la distancia del objeto al espejo. La siguiente figura muestra cómo construir imágenes en espejos convexos y cóncavos.
El fenómeno de la refracción
Consiste en una ruptura (refracción) del haz cuando cruza el límite de dos medios transparentes diferentes (por ejemplo, agua y aire) en un ángulo con la superficie que no es igual a 90 o.
La descripción matemática moderna de este fenómeno fue realizada por el holandés Snell y el francés Descartes a principios del siglo XVII. Denotando los ángulos θ1 y θ3 para los rayos incidente y refractado relativos a la normal N al plano, escribimos una expresión matemática para la fenómeno de refracción:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Las cantidades n2y n1son los índices de refracción de los medios 2 y 1. Muestran la velocidad de la luz en el medio difiere de la del espacio sin aire. Por ejemplo, para el agua n=1,33 y para el aire - 1,00029. Debe saber que el valor de n es una función de la frecuencia de la luz (n es mayor para frecuencias más altas que para las más bajas).
Aplicación del fenómeno de la refracción en óptica geométrica
El fenómeno descrito se usa para construir imágenes enlentes delgados. Una lente es un objeto hecho de un material transparente (vidrio, plástico, etc.) que está delimitado por dos superficies, al menos una de las cuales tiene una curvatura distinta de cero. Hay dos tipos de lentes:
- reunión;
- dispersión.
Las lentes convergentes están formadas por una superficie esférica (esférica) convexa. La refracción de los rayos de luz en ellos ocurre de tal manera que recogen todos los rayos paralelos en un punto: el foco. Las superficies de dispersión están formadas por superficies transparentes cóncavas, por lo que después del paso de rayos paralelos a través de ellas, la luz se dispersa.
La construcción de imágenes en lentes en su técnica es similar a la construcción de imágenes en espejos esféricos. También es necesario utilizar varios haces (paralelos al eje óptico, pasando por el foco y por el centro óptico de la lente). La naturaleza de las imágenes obtenidas está determinada por el tipo de lente y la distancia del objeto a ella. La siguiente figura muestra la técnica para obtener imágenes de un objeto en lentes delgadas para varios casos.
Dispositivos que funcionan según las leyes de la óptica geométrica
El más simple de ellos es una lupa. Es una sola lente convexa que aumenta los objetos reales hasta 5 veces.
Un dispositivo más sofisticado, que también se utiliza para ampliar objetos, es un microscopio. Ya consta de un sistema de lentes (al menos 2 lentes convergentes) y le permite obtener un aumento envarios cientos de veces.
Finalmente, el tercer instrumento óptico importante es un telescopio que se usa para observar los cuerpos celestes. Puede consistir en un sistema de lentes, entonces se llama telescopio refractivo y un sistema de espejos, un telescopio reflectante. Estos nombres reflejan el principio de su trabajo (refracción o reflexión).
