Notationen in der Optik. Formeln der geometrischen Optik für Dummies

Licht- Hierbei handelt es sich um elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge für das durchschnittliche menschliche Auge zwischen 400 und 760 nm liegt. Innerhalb dieser Grenzen wird Licht genannt sichtbar. Licht mit der längsten Wellenlänge erscheint uns rot, Licht mit der kürzesten Wellenlänge erscheint uns violett. Den Wechsel der Farben im Spektrum kann man sich leicht merken, wenn man das Sprichwort verwendet: „ ZU jeden UM Jäger UND will Z Nein, G de MIT geht F Adhan. Die Anfangsbuchstaben der Wörter des Sprichworts entsprechen den Anfangsbuchstaben der Primärfarben des Spektrums in absteigender Reihenfolge der Wellenlänge (und dementsprechend zunehmender Frequenz): „ ZU Rot - UM Reichweite - UND Gelb - Z Grün - G Blau - MIT Blau - F lila." Als Licht wird Licht mit längeren Wellenlängen als Rot bezeichnet Infrarot. Unsere Augen bemerken es nicht, aber unsere Haut registriert solche Wellen in Form von Wärmestrahlung. Als Licht wird Licht mit kürzeren Wellenlängen als Violett bezeichnet Ultraviolett.

Elektromagnetische Wellen(und besonders, Lichtwellen, oder einfach Licht) ist ein elektromagnetisches Feld, das sich räumlich und zeitlich ausbreitet. Elektromagnetische Wellen sind transversal – die Vektoren der elektrischen Intensität und der magnetischen Induktion stehen senkrecht zueinander und liegen in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Lichtwellen breiten sich wie alle anderen elektromagnetischen Wellen in der Materie mit einer endlichen Geschwindigkeit aus, die mit der Formel berechnet werden kann:

Wo: ε Und μ – dielektrische und magnetische Permeabilität des Stoffes, ε 0 und μ 0 – elektrische und magnetische Konstanten: ε 0 = 8,85419 10 –12 F/m, μ 0 = 1,25664·10 –6 H/m. Lichtgeschwindigkeit im Vakuum(Wo ε = μ = 1) konstant und gleich ist Mit= 3∙10 8 m/s, er kann auch mit der Formel berechnet werden:

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine der grundlegenden physikalischen Konstanten. Wenn sich Licht in einem beliebigen Medium ausbreitet, wird seine Ausbreitungsgeschwindigkeit auch durch die folgende Beziehung ausgedrückt:

Wo: N– Der Brechungsindex eines Stoffes ist eine physikalische Größe, die angibt, um wie viel Mal die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium geringer ist als im Vakuum. Der Brechungsindex kann, wie aus den vorherigen Formeln hervorgeht, wie folgt berechnet werden:

• Licht trägt Energie. Bei der Ausbreitung von Lichtwellen entsteht ein Fluss elektromagnetischer Energie.
• Lichtwellen werden als einzelne Quanten elektromagnetischer Strahlung (Photonen) von Atomen oder Molekülen abgestrahlt.

Neben Licht gibt es noch andere Arten elektromagnetischer Wellen. Nachfolgend sind sie in der Reihenfolge abnehmender Wellenlänge (und entsprechend zunehmender Frequenz) aufgeführt:

• Radiowellen;
• Infrarotstrahlung;
• Sichtbares Licht;
• UV-Strahlung;
• Röntgenstrahlung;
• Gammastrahlung.

Interferenz

Interferenz– eine der hellsten Manifestationen der Wellennatur des Lichts. Es ist mit der Umverteilung der Lichtenergie im Raum bei der Anwendung des sogenannten verbunden kohärent Wellen, also Wellen mit gleichen Frequenzen und konstanter Phasendifferenz. Die Lichtintensität im Bereich der Strahlüberlappung hat den Charakter abwechselnd heller und dunkler Streifen, wobei die Intensität an den Maxima größer und an den Minima kleiner als die Summe der Strahlintensitäten ist. Bei Verwendung von weißem Licht erscheinen die Interferenzstreifen in verschiedenen Farben des Spektrums.

Zur Berechnung der Interferenz wird das Konzept verwendet optische Weglänge. Lass das Licht die Distanz zurücklegen L in einem Medium mit Brechungsindex N. Dann wird seine optische Weglänge nach der Formel berechnet:

Damit es zu Interferenzen kommt, müssen sich mindestens zwei Strahlen überlappen. Für sie ist es berechnet optischer Wegunterschied(optische Längendifferenz) nach folgender Formel:

Dieser Wert bestimmt, was bei einer Interferenz passiert: Minimum oder Maximum. Denken Sie an Folgendes: Interferenzmaximum(heller Streifen) wird an den Punkten im Raum beobachtet, an denen die folgende Bedingung erfüllt ist:

Bei M= 0, ein Maximum nullter Ordnung wird beobachtet, bei M= ±1 Maximum erster Ordnung und so weiter. Interferenzminimum(dunkles Band) wird beobachtet, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

Die Schwingungsphasendifferenz beträgt:

Für die erste ungerade Zahl (eins) gibt es ein Minimum erster Ordnung, für die zweite (drei) ein Minimum zweiter Ordnung usw. Es gibt kein Mindestbestellwert null.

Beugung. Beugungsgitter

Beugung Licht ist das Phänomen der Abweichung des Lichts von der geradlinigen Ausbreitungsrichtung beim Passieren von Hindernissen, deren Abmessungen mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind (Lichtbeugung um Hindernisse herum). Die Erfahrung zeigt, dass Licht unter bestimmten Bedingungen in den Bereich des geometrischen Schattens gelangen kann (also dort sein kann, wo es nicht sein sollte). Befindet sich im Weg eines parallelen Lichtstrahls ein rundes Hindernis (eine runde Scheibe, eine Kugel oder ein rundes Loch in einem undurchsichtigen Schirm), so wird auf dem Schirm, der sich in ausreichend großer Entfernung vom Hindernis befindet, Beugungsmuster– ein System aus abwechselnd hellen und dunklen Ringen. Ist das Hindernis linear (Spalt, Faden, Bildschirmrand), erscheint auf dem Bildschirm ein System paralleler Beugungsstreifen.

Beugungsgitter sind periodische Strukturen, die mit einer speziellen Teilungsmaschine in die Oberfläche einer Glas- oder Metallplatte eingraviert werden. Bei guten Gittern sind die parallel zueinander verlaufenden Linien etwa 10 cm lang, pro Millimeter sind es bis zu 2000 Linien. In diesem Fall beträgt die Gesamtlänge des Gitters 10–15 cm. Die Herstellung solcher Gitter erfordert den Einsatz modernster Technologien. In der Praxis werden auch gröbere Gitter mit 50–100 Linien pro Millimeter verwendet, die auf die Oberfläche einer transparenten Folie aufgetragen werden.

Wenn Licht normal auf ein Beugungsgitter einfällt, werden in einigen Richtungen Maxima beobachtet (außer in der Richtung, in der das Licht ursprünglich einfiel). Um beobachtet zu werden Interferenzmaximum, muss folgende Bedingung erfüllt sein:

Wo: D– Periode (oder Konstante) des Gitters (Abstand zwischen benachbarten Linien), M ist eine ganze Zahl, die als Ordnung des Beugungsmaximums bezeichnet wird. An den Stellen des Schirms, für die diese Bedingung erfüllt ist, liegen die sogenannten Hauptmaxima des Beugungsmusters.

Gesetze der geometrischen Optik

Geometrische Optik ist ein Teilgebiet der Physik, das die Welleneigenschaften von Licht nicht berücksichtigt. Die Grundgesetze der geometrischen Optik waren bekannt, lange bevor die physikalische Natur des Lichts festgestellt wurde.

Optisch homogenes Medium- Dies ist ein Medium, in dessen gesamtem Volumen der Brechungsindex unverändert bleibt.

Gesetz der geradlinigen Lichtausbreitung: In einem optisch homogenen Medium breitet sich Licht geradlinig aus. Dieses Gesetz führt zu der Vorstellung eines Lichtstrahls als einer geometrischen Linie, entlang derer sich Licht ausbreitet. Es ist zu beachten, dass das Gesetz der geradlinigen Lichtausbreitung verletzt wird und der Begriff eines Lichtstrahls seine Bedeutung verliert, wenn das Licht durch kleine Löcher gelangt, deren Abmessungen mit der Wellenlänge vergleichbar sind (in diesem Fall wird Beugung beobachtet).

An der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien kann Licht teilweise reflektiert werden, sodass sich ein Teil der Lichtenergie nach der Reflexion in eine neue Richtung ausbreitet und teilweise die Grenze passiert und sich im zweiten Medium ausbreitet.

Gesetz der Lichtreflexion: der einfallende und der reflektierte Strahl sowie die am Einfallspunkt des Strahls rekonstruierte Senkrechte zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien liegen in derselben Ebene (Einfallsebene). Reflexionswinkel γ gleich dem Einfallswinkel α . Beachten Sie, dass alle Winkel in der Optik von der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien gemessen werden.

Gesetz der Lichtbrechung (Snelliussches Gesetz): der einfallende und der gebrochene Strahl sowie die am Einfallspunkt des Strahls rekonstruierte Senkrechte zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien liegen in derselben Ebene. Sinusverhältnis des Einfallswinkels α zum Sinus des Brechungswinkels β ist ein konstanter Wert für zwei gegebene Medien und wird durch den Ausdruck bestimmt:

Das Brechungsgesetz wurde 1621 vom niederländischen Wissenschaftler W. Snellius experimentell festgestellt. Konstanter Wert N 21 werden aufgerufen relativer Brechungsindex die zweite Umgebung relativ zur ersten. Der Brechungsindex eines Mediums relativ zum Vakuum wird genannt absoluter Brechungsindex.

Ein Medium mit einem größeren Absolutwert wird als optisch dichter bezeichnet, ein Medium mit einem kleineren Absolutwert als weniger dicht. Beim Übergang von einem weniger dichten Medium zu einem dichteren Medium „drückt“ der Strahl gegen die Senkrechte, und beim Übergang von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium „bewegt“ er sich von der Senkrechten. Der Strahl wird nur dann nicht gebrochen, wenn der Einfallswinkel 0 ist (d. h. die Strahlen stehen senkrecht zur Grenzfläche).

Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes Medium übergeht N 2 < N 1 (zum Beispiel von Glas zu Luft) beobachtet werden Phänomen der Totalreflexion, also das Verschwinden des gebrochenen Strahls. Dieses Phänomen wird bei Einfallswinkeln beobachtet, die einen bestimmten kritischen Winkel überschreiten α pr, das heißt Grenzwinkel der Totalreflexion. Für Einfallswinkel α = α PR, Sünde β = 1, da β = 90°, das bedeutet, dass der gebrochene Strahl entlang der Grenzfläche selbst verläuft und nach dem Snelliusschen Gesetz die folgende Bedingung erfüllt ist:

Sobald der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel wird, verläuft der gebrochene Strahl nicht mehr einfach entlang der Grenze, sondern erscheint überhaupt nicht, da sein Sinus nun größer als eins sein muss, was aber nicht passieren kann.

Linsen

Linse ist ein transparenter Körper, der von zwei Kugelflächen begrenzt wird. Ist die Dicke der Linse selbst klein im Vergleich zu den Krümmungsradien sphärischer Flächen, spricht man von einer Linse dünn.

Es gibt Linsen sammeln Und Streuung. Ist der Brechungsindex der Linse größer als der des umgebenden Mediums, dann ist die Sammellinse in der Mitte dicker als an den Rändern, die Zerstreuungslinse hingegen im Mittelteil dünner. Ist der Brechungsindex der Linse kleiner als der des umgebenden Mediums, ist das Gegenteil der Fall.

Eine gerade Linie, die durch die Krümmungsmittelpunkte von Kugelflächen verläuft, heißt optische Hauptachse des Objektivs. Bei dünnen Linsen kann man annähernd davon ausgehen, dass die optische Hauptachse die Linse in einem Punkt schneidet, der üblicherweise als bezeichnet wird optische Mitte der Linse. Der Lichtstrahl durchläuft das optische Zentrum der Linse, ohne von seiner ursprünglichen Richtung abzuweichen. Alle durch das optische Zentrum verlaufenden Geraden werden aufgerufen sekundäre optische Achsen.

Wenn ein Strahlenbündel parallel zur optischen Hauptachse auf eine Linse gerichtet wird, konvergieren die Strahlen (oder ihre Fortsetzung) nach dem Durchgang durch die Linse in einem Punkt F, Was heisst Hauptfokus des Objektivs. Eine dünne Linse hat zwei Hauptbrennpunkte, die relativ zur Linse symmetrisch auf der optischen Hauptachse angeordnet sind. Sammellinsen haben reale Brennpunkte, Zerstreuungslinsen dagegen imaginäre Brennpunkte. Abstand zwischen der optischen Mitte der Linse Ö und Schwerpunkt F angerufen Brennweite. Es wird mit demselben Buchstaben bezeichnet F.

Linsenformel

Die Haupteigenschaft von Objektiven ist die Fähigkeit, Bilder von Objekten zu erzeugen. Bild- Dies ist der Punkt im Raum, an dem sich die von der Quelle nach der Brechung in der Linse emittierten Strahlen (oder deren Verlängerungen) kreuzen. Bilder kommen gerade Und verkehrt herum, gültig(die Strahlen selbst schneiden sich) und imaginär(die Fortsetzungen der Strahlen schneiden sich), vergrößert Und reduziert.

Mithilfe geometrischer Konstruktionen lässt sich die Position des Bildes und sein Charakter bestimmen. Nutzen Sie dazu die Eigenschaften einiger Standardstrahlen, deren Verlauf bekannt ist. Dies sind Strahlen, die durch das optische Zentrum oder einen der Brennpunkte der Linse verlaufen, sowie Strahlen parallel zur optischen Hauptachse oder einer der sekundären optischen Achsen.

Der Einfachheit halber können Sie sich daran erinnern, dass das Bild eines Punktes ein Punkt sein wird. Das Bild eines Punktes, der auf der optischen Hauptachse liegt, liegt auf der optischen Hauptachse. Das Bild eines Segments ist ein Segment. Wenn ein Segment senkrecht zur optischen Hauptachse steht, steht sein Bild senkrecht zur optischen Hauptachse. Wenn das Segment jedoch in einem bestimmten Winkel zur optischen Hauptachse geneigt ist, wird sein Bild in einem anderen Winkel geneigt sein.

Bilder können auch mit berechnet werden dünne Linsenformeln. Wenn der kürzeste Abstand von einem Objekt zu einer Linse mit bezeichnet wird D, und der kürzeste Abstand vom Objektiv zum Bild ist durch F, dann kann die Formel für dünne Linsen wie folgt geschrieben werden:

Größe D, der Kehrwert der Brennweite. angerufen optische Leistung des Objektivs. Die Einheit der optischen Leistung ist 1 Dioptrie (Dopter). Dioptrie ist die optische Leistung einer Linse mit einer Brennweite von 1 m.

Es ist üblich, den Brennweiten von Linsen bestimmte Vorzeichen zuzuordnen: für eine Sammellinse F> 0, für Streuung F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.

Mengen D Und F Beachten Sie auch eine bestimmte Vorzeichenregel: F> 0 – für echte Bilder; F < 0 – для мнимых изображений. Перед D Das „–“-Zeichen wird nur gesetzt, wenn ein konvergierendes Strahlenbündel auf die Linse fällt. Dann werden sie gedanklich bis zum Schnittpunkt hinter der Linse erweitert, dort eine imaginäre Lichtquelle platziert und der Abstand dafür bestimmt D.

Abhängig von der Position des Objekts im Verhältnis zum Objektiv ändern sich die linearen Abmessungen des Bildes. Linearer Anstieg Linsen Γ nennt man das Verhältnis der linearen Abmessungen des Bildes und des Objekts. Es gibt eine Formel für die lineare Vergrößerung eines Objektivs:

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Antike Wissenschaftler, die im 5. Jahrhundert v. Chr. lebten, schlugen vor, dass alles in der Natur und dieser Welt bedingt sei und nur Atome und Leere als Realität bezeichnet werden könnten. Bis heute sind wichtige historische Dokumente erhalten, die das Konzept der Struktur des Lichts als einen konstanten Fluss von Teilchen mit bestimmten physikalischen Eigenschaften bestätigen. Der Begriff „Optik“ selbst wird jedoch erst viel später auftauchen. Die Samen von Philosophen wie Demokrit und Euklid, die gesät wurden, als sie die Struktur aller auf der Erde ablaufenden Prozesse verstanden, sind aufgegangen. Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts konnte die klassische Optik ihre für moderne Wissenschaftler erkennbaren charakteristischen Merkmale erlangen und erschien als vollwertige Wissenschaft.

Definition 1

Die Optik ist ein großer Zweig der Physik, der Phänomene untersucht und betrachtet, die in direktem Zusammenhang mit der Ausbreitung starker elektromagnetischer Wellen im sichtbaren Spektrum sowie in Bereichen in dessen Nähe stehen.

Die Haupteinteilung dieses Abschnitts entspricht der historischen Entwicklung der Lehre von der spezifischen Struktur des Lichts:

• geometrisch – 3. Jahrhundert v. Chr. (Euklid);
• physisch – 17. Jahrhundert (Huygens);
• Quantum – 20. Jahrhundert (Planck).

Die Optik charakterisiert die Eigenschaften der Lichtbrechung vollständig und erklärt Phänomene, die in direktem Zusammenhang mit diesem Thema stehen. Die Methoden und Prinzipien optischer Systeme werden in vielen angewandten Disziplinen eingesetzt, darunter in der Physik, der Elektrotechnik und der Medizin (insbesondere der Augenheilkunde). In diesen, aber auch interdisziplinären Bereichen erfreuen sich die Errungenschaften der angewandten Optik großer Beliebtheit, die neben der Feinmechanik ein solides Fundament für die optisch-mechanische Industrie bilden.

Natur des Lichts

Die Optik gilt als einer der ersten und wichtigsten Zweige der Physik, in dem die Grenzen alter Vorstellungen über die Natur aufgezeigt wurden.

Dadurch konnten Wissenschaftler die Dualität von Naturphänomenen und Licht feststellen:

• Die von Newton stammende Korpuskularhypothese des Lichts untersucht diesen Prozess als einen Fluss von Elementarteilchen – Photonen, bei dem absolut jede Strahlung diskret ausgeführt wird und der minimale Anteil der Leistung einer bestimmten Energie eine entsprechende Frequenz und Größe aufweist Intensität des emittierten Lichts;
• Die von Huygens stammende Wellentheorie des Lichts impliziert das Konzept von Licht als einer Reihe paralleler monochromatischer elektromagnetischer Wellen, die in optischen Phänomenen beobachtet und als Ergebnis der Wirkung dieser Wellen dargestellt werden.

Bei solchen Eigenschaften des Lichts gilt das Fehlen eines Übergangs der Kraft und Energie der Strahlung in andere Energiearten als völlig normaler Vorgang, da elektromagnetische Wellen im räumlichen Umfeld von Interferenzphänomenen nicht miteinander interagieren, da Lichteffekte andauern sich zu vermehren, ohne ihre Spezifität zu verändern.

Die Wellen- und Korpuskularhypothesen der elektrischen und magnetischen Strahlung fanden in Maxwells wissenschaftlichen Arbeiten ihre Anwendung in Form von Gleichungen.

Dieses neue Konzept des Lichts als sich ständig bewegende Welle ermöglicht es, mit Beugung und Interferenz verbundene Prozesse einschließlich der Struktur des Lichtfeldes zu erklären.

Eigenschaften von Licht

Die Länge der Lichtwelle $\lambda$ hängt direkt von der Gdieses Phänomens im räumlichen Medium $v$ ab und hängt mit der Frequenz $\nu$ durch die folgende Beziehung zusammen:

$\lambda = \frac(v)(\nu)=\frac (c)(n\nu)$

wobei $n$ der Brechungsparameter des Mediums ist. Im Allgemeinen ist dieser Indikator eine Grundfunktion der elektromagnetischen Wellenlänge: $n=n(\lambda)$.

Die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge äußert sich im Phänomen der systematischen Lichtstreuung. Ein universelles und noch wenig erforschtes Konzept in der Physik ist die Lichtgeschwindigkeit $c$. Seine besondere Bedeutung in der absoluten Leere stellt nicht nur die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit starker elektromagnetischer Frequenzen dar, sondern auch die maximale Intensität der Informationsverbreitung oder anderer physischer Einwirkungen auf materielle Objekte. Wenn die Bewegung des Lichtflusses in verschiedenen Bereichen zunimmt, nimmt die anfängliche Lichtgeschwindigkeit $v$ häufig ab: $v = \frac (c)(n)$.

Die Hauptmerkmale der Leuchte sind:

• spektrale und komplexe Zusammensetzung, bestimmt durch die Skala der Lichtwellenlängen;
• Polarisation, die durch die allgemeine Änderung der räumlichen Umgebung des elektrischen Vektors durch Wellenausbreitung bestimmt wird;
• die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls, die bei fehlender Doppelbrechung mit der Wellenfront übereinstimmen muss.

Quanten- und physiologische Optik

Die Idee einer detaillierten Beschreibung des elektromagnetischen Feldes mithilfe von Quanten entstand zu Beginn des 20. Jahrhunderts und wurde von Max Planck geäußert. Wissenschaftler haben vermutet, dass die ständige Emission von Licht durch bestimmte Teilchen – Quanten – erfolgt. Nach 30 Jahren konnte nachgewiesen werden, dass Licht nicht nur teilweise und parallel abgestrahlt, sondern auch absorbiert wird.

Dies bot Albert Einstein die Möglichkeit, die diskrete Struktur des Lichts zu bestimmen. Heutzutage bezeichnen Wissenschaftler Lichtquanten als Photonen, und die Strömung selbst wird als integrale Gruppe von Elementen betrachtet. In der Quantenoptik wird Licht daher sowohl als Teilchenstrom als auch als Welle betrachtet, da Prozesse wie Interferenz und Beugung nicht durch einen einzelnen Photonenstrom erklärt werden können.

Mitte des 20. Jahrhunderts ermöglichten die Forschungsaktivitäten von Brown-Twiss eine genauere Bestimmung des Einsatzgebietes der Quantenoptik. Die Arbeit des Wissenschaftlers hat bewiesen, dass eine bestimmte Anzahl von Lichtquellen, die Photonen an zwei Fotodetektoren senden und ein konstantes Tonsignal über die Registrierung von Elementen abgeben, dafür sorgen können, dass die Geräte gleichzeitig funktionieren.

Die Einführung des praktischen Einsatzes von nicht-klassischem Licht hat Forschern zu unglaublichen Ergebnissen geführt. In dieser Hinsicht ist die Quantenoptik ein einzigartiges modernes Gebiet mit enormen Forschungs- und Anwendungsmöglichkeiten.

Anmerkung 1

Die moderne Optik umfasst seit langem viele Bereiche der wissenschaftlichen Welt und Entwicklung, die gefragt und beliebt sind.

Diese Bereiche der optischen Wissenschaft stehen in direktem Zusammenhang mit den elektromagnetischen oder Quanteneigenschaften von Licht, einschließlich anderer Bereiche.

Definition 2

Physiologische Optik ist eine neue interdisziplinäre Wissenschaft, die die visuelle Wahrnehmung von Licht untersucht und Informationen aus Biochemie, Biophysik und Psychologie kombiniert.

Unter Berücksichtigung aller Gesetze der Optik basiert dieser Wissenschaftszweig auf diesen Wissenschaften und hat eine besondere praktische Ausrichtung. Es werden Elemente des Sehapparats untersucht, wobei besonderes Augenmerk auf einzigartige Phänomene wie optische Täuschungen und Halluzinationen gelegt wird. Die Ergebnisse der Arbeiten auf diesem Gebiet werden in der Physiologie, Medizin, optischen Technik und der Filmindustrie genutzt.

Heutzutage wird das Wort Optik häufiger als Name eines Geschäfts verwendet. Natürlich ist es an solchen Spezialstellen möglich, eine Vielzahl technischer optischer Geräte zu erwerben – Linsen, Brillen, Sehschutzmechanismen. Zu diesem Zeitpunkt verfügen die Geschäfte über moderne Geräte, die es ihnen ermöglichen, die Sehschärfe vor Ort genau zu bestimmen sowie bestehende Probleme zu identifizieren und Möglichkeiten zu deren Beseitigung zu finden.

Jeder weiß oder hat zumindest gehört, dass Licht die Eigenschaft hat, gebrochen und reflektiert zu werden. Aber nur die Formeln der Geometrie und der Wellenoptik können erklären, wie bzw. nach welchen konkreten Kriterien dies geschieht. Und all diese Lehren basieren auf dem Konzept des „Strahls“, das Euklid drei Jahrhunderte v. Chr. eingeführt hat. Was ist also ein Strahl, wissenschaftlich gesehen?

Ein Strahl ist eine gerade Linie, entlang der sich Lichtwellen bewegen. Wie, warum – diese Fragen beantworten die Formeln der geometrischen Optik, die Teil der Wellenoptik ist. Letzterer behandelt die Strahlen, wie man vermuten könnte, als Wellen.

Formeln der geometrischen Optik

Gesetz der geradlinigen Ausbreitung: Ein Strahl in einem Medium des gleichen Typs neigt dazu, sich geradlinig auszubreiten. Das heißt, Licht bewegt sich auf dem kürzesten Weg, der zwischen zwei Punkten besteht. Man könnte sogar sagen, dass der Lichtstrahl Zeit sparen will. Dieses Gesetz erklärt die Phänomene Schatten und Halbschatten.

Wenn beispielsweise die Lichtquelle selbst klein ist oder sich in einer so großen Entfernung befindet, dass ihre Größe vernachlässigt werden kann, dann bildet der Lichtstrahl deutliche Schatten. Wenn die Lichtquelle jedoch groß ist oder sich in sehr geringer Entfernung befindet, bildet der Lichtstrahl unscharfe Schatten und Halbschatten.

Gesetz der unabhängigen Ausbreitung

Lichtstrahlen neigen dazu, sich unabhängig voneinander auszubreiten. Das heißt, sie beeinflussen sich in keiner Weise gegenseitig, wenn sie sich in einem homogenen Medium überschneiden oder durchdringen. Die Strahlen scheinen sich der Existenz anderer Strahlen nicht bewusst zu sein.

Gesetz der Reflexion

Stellen wir uns vor, dass eine Person einen Laserpointer auf einen Spiegel richtet. Natürlich wird der Strahl vom Spiegel reflektiert und breitet sich in einem anderen Medium aus. Der Winkel zwischen der Senkrechten zum Spiegel und dem ersten Strahl wird Reflexionswinkel genannt. Diese Winkel sind gleich.

Die Formeln der geometrischen Optik offenbaren viele Situationen, an die niemand denkt. Es erklärt zum Beispiel, warum wir uns in einem „geraden“ Spiegel genau so sehen können, wie wir sind, und warum seine gekrümmte Oberfläche ein anderes Bild erzeugt.

a ist der Einfallswinkel, b ist der Reflexionswinkel.

Brechungsgesetz

Der einfallende Strahl, der Brechungsstrahl und die Senkrechte zum Spiegel liegen in derselben Ebene. Dividiert man den Sinus des Einfallswinkels durch den Sinus, erhält man den Wert n, der für beide Medien konstant ist.

n zeigt, in welchem ​​Winkel der Strahl vom ersten zum zweiten Medium gelangt und wie sich die Zusammensetzungen dieser Medien verhalten.

i - Einfallswinkel. r ist der Brechungswinkel. n 21 - Brechungsindex.

sin i/sin r = n 2/ n 1 = n 21

Gesetz der Lichtreversibilität

Was sagt das Gesetz der Reversibilität des Lichts? Wenn sich ein Strahl auf einem bestimmten Weg in eine Richtung ausbreitet, wiederholt er in der entgegengesetzten Richtung denselben Weg.

Ergebnisse

Die Formeln der geometrischen Optik erklären in etwas vereinfachter Form, wie ein Lichtstrahl funktioniert. Daran ist nichts Kompliziertes. Ja, die Formeln und Gesetze der geometrischen Optik vernachlässigen einige Eigenschaften des Universums, aber ihre Bedeutung für die Wissenschaft ist nicht zu unterschätzen.