Każdy uczeń wie, że światło w jednorodnym przezroczystym ośrodku porusza się po prostej ścieżce. Fakt ten pozwala nam rozpatrywać wiele zjawisk optycznych w ramach koncepcji wiązki światła. Ten artykuł mówi o kącie padania wiązki i dlaczego ważna jest znajomość tego kąta.
Wiązka światła to mikrometrowa fala elektromagnetyczna
W fizyce istnieją fale o różnej naturze: dźwiękowe, morskie, elektromagnetyczne i inne. Jednak termin „wiązka” dotyczy tylko fal elektromagnetycznych, których częścią jest widmo widzialne. Samo słowo „promień” można przedstawić jako linię prostą łączącą dwa punkty w przestrzeni.
Światło (jako fala) może być postrzegane jako linia prosta, ponieważ każda fala implikuje obecność wibracji. Odpowiedź na to pytanie tkwi w wartości długości fali. Tak więc, w przypadku morskich i dźwiękowych, długość waha się od kilku centymetrów do kilkudziesięciu metrów. Oczywiście takie oscylacje trudno nazwać wiązką. Długość fali światła jest mniejsza niż jeden mikrometr. Ludzkie oko nie jest w stanie rozróżnić takich wibracji, dlatego wydaje nam się, żeże widzimy bezpośrednią wiązkę.
Dla kompletności należy zauważyć, że wiązka światła jest widoczna tylko wtedy, gdy zaczyna rozpraszać się na małych cząsteczkach, na przykład w zakurzonym pomieszczeniu lub kropelkach mgły.
Gdzie jest ważne, aby wiedzieć, pod jakim kątem promień uderza w przeszkodę?
Zjawiska odbicia i załamania światła to najbardziej znane efekty optyczne, z którymi człowiek spotyka się dosłownie każdego dnia, kiedy patrzy na siebie w lustrze lub pije szklankę herbaty po spojrzeniu na znajdującą się w nim łyżkę.
Matematyczny opis załamania i odbicia wymaga znajomości kąta padania wiązki. Na przykład zjawisko odbicia charakteryzuje się równością kąta odbicia i padania. W przypadku opisu od strony procesu załamania, kąt padania i kąt załamania są ze sobą powiązane za pomocą funkcji sinusów i współczynników załamania mediów (prawo Snella).
Kąt, pod którym wiązka światła pada na powierzchnię styku dwóch przezroczystych nośników, odgrywa ważną rolę przy rozważaniu efektu wewnętrznego całkowitego odbicia w optycznie gęstszym materiale. Efekt ten jest obserwowany tylko w przypadku kątów padania większych niż pewna wartość krytyczna.
Geometryczna definicja rozpatrywanego kąta
Można założyć, że istnieje jakaś powierzchnia oddzielająca te dwa środowiska. Ta powierzchnia może być płaska, jak w przypadku lustra, lub może być bardziej złożona, jak pofałdowana powierzchnia morza. Wyobraź sobie, że na tę powierzchnię spadapromień światła. Jak określić kąt padania światła? Zrobienie tego jest dość proste. Poniżej znajduje się sekwencja czynności, które należy wykonać, aby znaleźć żądany kąt.
- Najpierw musisz określić punkt przecięcia promienia z powierzchnią.
- Przez O należy narysować prostopadłą do rozważanej powierzchni. Często nazywa się to normalnym.
- Kąt padania wiązki jest równy kątowi między nią a normalną. Można go zmierzyć za pomocą prostego kątomierza.
Jak widać, znalezienie rozważanego kąta nie jest trudne. Jednak uczniowie często popełniają błąd, mierząc go między płaszczyzną a belką. Należy pamiętać, że kąt padania jest zawsze mierzony od normalnej, niezależnie od kształtu powierzchni i ośrodka, w którym się rozchodzi.
Sferyczne lustra, soczewki i padające na nie promienie
Wiedza o właściwościach kątów padania niektórych promieni jest wykorzystywana przy konstruowaniu obrazów w zwierciadłach sferycznych i cienkich soczewkach. Aby zbudować takie obrazy, wystarczy wiedzieć, jak zachowują się dwie różne wiązki podczas interakcji z wymienionymi urządzeniami optycznymi. Przecięcie tych promieni określa położenie punktu obrazu. W ogólnym przypadku zawsze można znaleźć trzy różne wiązki, których przebieg jest dokładnie znany (trzecia wiązka może posłużyć do sprawdzenia poprawności skonstruowanego obrazu). Te promienie są nazwane poniżej.
- Biegnący równolegle do głównej osi optycznej urządzenia. Przechodzi przez ognisko po odbiciu lub załamaniu.
- Promień przechodzący przez ognisko urządzenia. To zawsze odzwierciedlazałamany równolegle do osi głównej.
- Przechodzi przez środek optyczny (dla zwierciadła sferycznego pokrywa się ze środkiem kuli, dla soczewki jest w nim). Taka wiązka nie zmienia swojej trajektorii.
Powyższy rysunek przedstawia schematy tworzenia obrazów dla różnych opcji lokalizacji obiektu względem cienkich soczewek.
