A óptica geométrica é um ramo especial da óptica física, que não trata da natureza da luz, mas estuda as leis do movimento dos raios de luz em meios transparentes. Vamos dar uma olhada mais de perto nessas leis no artigo e também dar exemplos de seu uso na prática.
Propagação do raio no espaço homogêneo: propriedades importantes
Todo mundo sabe que a luz é uma onda eletromagnética, que para alguns fenômenos naturais pode se comportar como um fluxo de quanta de energia (fenômenos do efeito fotoelétrico e da pressão da luz). A óptica geométrica, como observado na introdução, trata apenas das leis de propagação da luz, sem se aprofundar em sua natureza.
Se o feixe se mover em um meio transparente homogêneo ou no vácuo e não encontrar nenhum obstáculo em seu caminho, então o feixe de luz se moverá em linha reta. Essa característica levou à formulação do princípio do menor tempo (princípio de Fermat) pelo francês Pierre Fermat em meados do século XVII.
Outra característica importante dos raios de luz é sua independência. Isso significa que cada raio se propaga no espaço sem "sentir"outro feixe sem interagir com ele.
Finalmente, a terceira propriedade da luz é a mudança na velocidade de sua propagação ao passar de um material transparente para outro.
As 3 propriedades marcadas dos raios de luz são usadas na derivação das leis de reflexão e refração.
Fenômeno de reflexão
Este fenômeno físico ocorre quando um feixe de luz atinge um obstáculo opaco muito maior que o comprimento de onda da luz. O fato da reflexão é uma mudança brusca na trajetória do feixe no mesmo meio.
Assuma que um fino feixe de luz incide sobre um plano opaco em um ângulo θ1 com a normal N traçada a este plano através do ponto onde o feixe o atinge. Então o feixe é refletido em um certo ângulo θ2 para o mesmo N normal. O fenômeno da reflexão obedece a duas leis principais:
- O feixe de luz refletido incidente e a normal N estão no mesmo plano.
- O ângulo de reflexão e o ângulo de incidência de um feixe de luz são sempre iguais (θ1=θ2).
Aplicação do fenômeno da reflexão em óptica geométrica
As leis de reflexão de um feixe de luz são utilizadas na construção de imagens de objetos (reais ou imaginários) em espelhos de diversas geometrias. As geometrias de espelho mais comuns são:
- espelho plano;
- côncavo;
- convexo.
É muito fácil construir uma imagem em qualquer um deles. Em um espelho plano, sempre acaba sendo imaginário, tem o mesmo tamanho do próprio objeto, é direto, neleos lados esquerdo e direito são invertidos.
As imagens em espelhos côncavos e convexos são construídas usando vários raios (paralelos ao eixo óptico, passando pelo foco e pelo centro). Seu tipo depende da distância do objeto ao espelho. A figura abaixo mostra como construir imagens em espelhos convexos e côncavos.
O fenômeno da refração
Consiste em uma quebra (refração) do feixe quando ele cruza a fronteira de dois meios transparentes diferentes (por exemplo, água e ar) em um ângulo com a superfície que não é igual a 90 o.
A descrição matemática moderna desse fenômeno foi feita pelo holandês Snell e pelo francês Descartes no início do século XVII. Denotando os ângulos θ1 e θ3 para os raios incidentes e refratados em relação ao N normal ao plano, escrevemos uma expressão matemática para o fenômeno de refração:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
As quantidades n2en1são os índices de refração dos meios 2 e 1. Eles mostram o quanto a velocidade da luz no meio difere daquele no espaço sem ar. Por exemplo, para água n=1,33 e para ar - 1,00029. Você deve saber que o valor de n é uma função da frequência da luz (n é maior para frequências mais altas do que para as mais baixas).
Aplicação do fenômeno da refração em óptica geométrica
O fenômeno descrito é usado para construir imagens emlentes finas. Uma lente é um objeto feito de um material transparente (vidro, plástico, etc.) que é delimitado por duas superfícies, das quais pelo menos uma tem curvatura diferente de zero. Existem dois tipos de lentes:
- reunião;
- dispersão.
As lentes convergentes são formadas por uma superfície esférica convexa (esférica). A refração dos raios de luz neles ocorre de tal forma que eles coletam todos os raios paralelos em um ponto - o foco. As superfícies de espalhamento são formadas por superfícies transparentes côncavas, portanto, após a passagem de raios paralelos por elas, a luz é espalhada.
A construção de imagens em lentes em sua técnica é semelhante à construção de imagens em espelhos esféricos. Também é necessário utilizar vários feixes (paralelos ao eixo óptico, passando pelo foco e pelo centro óptico da lente). A natureza das imagens obtidas é determinada pelo tipo de lente e pela distância do objeto a ela. A figura abaixo mostra a técnica de obtenção de imagens de um objeto em lentes finas para diversos casos.
Dispositivos operando de acordo com as leis da ótica geométrica
O mais simples deles é uma lupa. É uma única lente convexa que amplia objetos reais em até 5 vezes.
Um dispositivo mais sofisticado, que também é usado para ampliar objetos, é um microscópio. Já é composto por um sistema de lentes (pelo menos 2 lentes convergentes) e permite obter um aumento devárias centenas de vezes.
Finalmente, o terceiro instrumento óptico importante é um telescópio usado para observar corpos celestes. Pode consistir em um sistema de lentes, então é chamado de telescópio refrativo e um sistema de espelhos - um telescópio reflexivo. Esses nomes refletem o princípio de seu trabalho (refração ou reflexão).
