Legile fundamentale ale opticii geometrice

Legile fundamentale ale opticii geometrice

Optica geometrica este un capitol al opticii generale, care studiaza mersul razelor de lumina prin diferite medii transparente.

La baza opticii geometrice stau legile opticii, cu ajutorul carora s-au putut construi diferite aparate optice, printre care aparatul de fotografiat, proiectorul, etc. Legile opticii geometrice fac abstractie de de caracterul ondulatoriu al luminii, cu toate ca, in fotografie, acest din urma caracter determina o serie importanta de evenimente (difractia, interferenta si polarizarea luminii).

Legile fundamentale ale opticii geometrice au fost determinate in urma numeroaselor experimente si observatii. Impactul unei raze de lumina asupra unui obiect determina reflexie, refractie si absorbtie, in proportii diferite, dependente de mediul imergent si de mediul emergent.

Au fost identificate:

a) Legea propagarii rectilinii a luminii in medii omogene - demonstrata prin fenomenul de umbra. Segmentul de dreapta de-a lungul caruia se propaga lumina poarta numele de raza de lumina. Un grup de raze de lumina formeaza un fascicul de lumina. Daca toate razele de lumina se intalnesc intr-un punct, fasciculul este denumit convergent. Daca, invers, toate razele de lumina emerg dintr-un punct, fasciculul este divergent. Daca, in schmib, razele de lumina sunt paralele intre ele, fasciculul se numeste cilindric.

b) Legea independentei mutuale si a inversiunii drumului optic - arata ca parcursul unei raze de lumina este independent de actiunea altor raze si de sensul de propagare. Independenta mutuala se demonstreaza cu ajutorul camerei obscure (stenopa).

c) Legile reflexiei stabilesc comportamentul unei raze de lumina care ajunge la limita de separare dintre doua medii de propagare diferite, iar o parte din lumina se intoarce in mediul din care a venit (eveniment denumit reflexie). Punctul in care raza luminoasa atinge suprafata de separare poarta numele de punct de incidenta, in care raza incidenta vine sub un unghi (denumit unghi de incidenta) cu perpendiculara locului, iar raza intoarsa in mediul din care a venit poarta numele de raza reflectata.

Reflexia luminii

d) Reflexia se face sub un anumit unghi ce se poate calcula si poarta numele de unghi de reflexie. Legile reflexiei sunt: i) raza incidenta, normala si raza reflectata se gasesc in acelasi plan; ii) unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidenta. Reflexia la nivelul unei suprafete perfect plane va determina ca un fascicul de raze paralele sa fie reflectat ca un fascicul de reflexie cu raze paralele. Reflexia razelor pe o sufrafata cu mici denivelari determina imprastierea razelor reflectate in toate directiile (difuzia luminii). Reflexia difuza permite vederea si fotografierea obiectelor din mediu.

e) Legile refractiei se refera la comportamentul unei raze de lumina care trece dintr-un mediu omogen si transparent in alt mediu omogen si transparent, dar cu proprietati diferite. Se observa ca raza incidenta nu mai pastreaza directia din mediul imergent ci se frange. Aceasta schimbare de directie poarta numele de refractie iar unghiul dintre normala si raza refractata poarta numele de unghi de refractie. Refractia se supune urmatoarelor legi:

i) raza incidenta, normala si raza refractata se afla in acelasi plan;

Refractia luminii

ii) raportul dintre sinusul unghiului de incidenta si sinusul unghiului de refractie, pentru doua medii date, are o valoare constanta:

sin(i)/sin(r) = n

si poarta numele de indice de refractie al mediului al doilea fata de primul;

iii) indicele de refractie al unui mediu transparent fata de vid se numeste indice de refractie absolut;

iv) indicele de refractie al unui mediu n2 fara de un mediu n1 poarta numele de indice de refractie relativ si este egal cu raportul dintre indicii absolulti (n2/n1);

v) indicele de refractie este dependent de lungimea de unda (pentru radiatia vizibila: culoarea) a luminii incidente.

MediulIndicele de refractie (n)

Aer1,003

Apa1,33

Alcool etilic1,36

Sare1,54

Sulfura de carbon1,63

Sticla crown1,52

Sticla flint1,76

Diamant2,42

Vid1,000

g) Reflexia totala. In cazul in care o raza de lumina se refracta dintr-un mediu mai dens optic intr-un mediu mai putin dens optic (de exemplu, din sticla in aer sau din apa in aer), unghiul de refractie este intotdeauna mai mare decat unghiul de incidenta si deci poate ajunge la valoare de pi/2 pentru o valoare i(i mai mic decat pi/2) a unghiului de incidenta.