39. Elementi geometrijske optike. Osnovni zakoni optike. Potpuni odraz.
Optika (od grč. optike - vizualni) - odjeljak fizike koji proučava prirodu i svojstva svjetlosti, procese njegovog zračenja i širenja, interakciju svjetlosti sa materijom. Optika proučava širok spektar elektromagnetskih talasa, koji pokrivaju ultraljubičasto, vidljivo i infracrveno područje.
1. 1. Elementi geometrijske optike.
Geometrijska optika - Ovo je grana fizike u kojoj se svjetlosni zrak predstavlja pravom linijom duž koje se širi svjetlosna energija. Zakoni geometrijske optike koriste se za izgradnju slika kada svjetlost prolazi kroz optički sistem. To su sledeći zakoni:
1. Zakon pravougaonog širenja svetlosti sugerira da se u homogenom prozirnom mediju svjetlost širi pravocrtno, što dokazuje postojanje sjene s oštrim granicama iz neprozirnog tijela osvijetljenog malim izvorom svjetlosti.
2. Zakon nezavisnosti svetlosnih zraka. U kombinaciji s drugima, svaki svjetlosni zrak ponaša se nezavisno od ostalih zraka, tj. princip superpozicije je istinit.
Ako zrak svjetlosti padne na granici dva prozirna medija, tada se pojavljujuća zraka 1 bifurkira u odraz 2 i prebija 3 (Sl. 1.1). Uglovi i, i’ i rnazivaju se uglovi upada, refleksije i refrakcije.
3. Zakon refleksije svetlosti. Padajući svjetlosni snop na granici dva medija, normalan povučen do točke pada, a reflektirani snop leže u istoj ravnini; upadni kut jednak je kutu refleksije i = i’ (Sl. 1.1).
4. Zakon loma svjetlosti. Zračni incident na sučelju između dva medija, refrakcionirane zrake i normalne obnovljene na mjestu pada nalazi se u istoj ravnini; omjer sinusa ugla upada i sinusa ugla refrakcije je konstanta za dva dana medija (Snell-ov zakon):
gde n 21 je relativni pokazatelj drugog okruženja u odnosu na prvo.
n 21 = n 2 /n 1 ,
gde n 2 i n 1 - apsolutni indeksi loma drugog i prvog medija.
Apsolutni indeks loma tvar koja se naziva vrijednost n jednaka omjeru brzine svjetlosti u vakuumu i brzini svjetlosti υ u datom okruženju: n= c/ υ
. Pustite u prvom okruženju n 1 = c/ υ
1, a u drugoj n 2 = c/ υ
2 tada 
. Dakle, fizičko značenje relativnog indeksa loma je u tome što pokazuje koliko je puta brzina svjetlosti u jednom mediju veća nego u drugom.
Fenomen totalne unutrašnje refleksije.
In 
materijal s većim apsolutnim indeksom loma se smatra optički gušćim. Neka svjetlosni snop pređe iz optički gušćeg medija u optički manje gust, tj. n 2 < n 1. Iz Snellovog zakona proizlazi da i< r. Ako povećate upadni kut (Sl. 1.2), možete naći takav kut i pr, pri kojoj je kut refrakcije r postaje jednak π / 2 (zrake 3-3 ′). Takav ugao i pr marginalni. Pod uglovima upada i >
i Svjetlosni snop više ne prelazi u drugi medij, već se potpuno reflektira iz sučelja. Ta pojava se naziva potpuni unutarnji odraz. Stoga se fenomen totalne unutarnje refleksije opaža tek nakon prelaska iz gušćeg u manje gusti medij i kada i >
i itd. Ako, na primjer, greda pređe sa stakla ( n 1 \u003d 1,5) u vazduh ( n 2 \u003d 1), granični kut upada je ≈ 42 °.
Fenomen totalne unutarnje refleksije široko se koristi u dvogledima, periskopima, optičkim vlaknima i refraktometrima.
Stranica 1
Fenomen potpunog unutarnjeg odraza leži u srcu optike vlakana, u kojoj se slika prenosi kao rezultat višestrukog refleksije sa zidova vlakana, dok se zadržava do 99% intenziteta upadajuće svjetlosti.
Fenomen ukupnog unutrašnjeg odrazavanja je u osnovi vlakana optike. Svjetlost se širi duž vlakana s većim indeksom loma u odnosu na okoliš, a zbog totalnog unutarnjeg odraza ne izlazi, ponavljajući zavoje vlakana (vidi pogl.
Fenomen potpunog unutarnjeg odraza nastaje kada snop svjetlosti prelazi iz optički gušće sredine u sredinu niže gustoće. Obrazac dijeljenja udarnog snopa svjetlosti na reflektirane i prelomljene komponente za slučaj unutarnjeg odraznog prikaza shematski je prikazan na Sl. 7.1. Prema Snell-ovom zakonu, kut refrakcije postaje složen pod uvjetom da kut upada 6 premaši određenu kritičnu vrijednost određenu jednakošću Oi p arcsin 2I - Snop koji se širi paralelno s sučeljem odgovara kritičnoj vrijednosti kuta.
Fenomen totalnog unutarnjeg odraza, koji kontrolira širenje svjetlosti u optičkim vlaknima, bio je poznat još u 19. stoljeću. Prva staklena vlakna bez omotača napravljena su 1920-ih, međutim razvoj optike vlakana počeo je tek u pedesetim godinama prošlog vijeka, kada je upotreba sloja za oblaganje dovela do značajnog poboljšanja karakteristika optičkih vlakana. Vlakna optika se zatim naglo razvijala, uglavnom s ciljem korištenja kabela od optičkih vlakana od stakla za prijenos slike. Knjiga Kapani, objavljena 1967., daje pregled uspjeha tadašnjih postignutih na polju optike vlakana.
Fenomen totalnog unutarnjeg odraza, koji kontrolira širenje svjetlosti u optičkim vlaknima, bio je poznat još u 19. stoljeću. Prva staklena vlakna bez omotača napravljena su 1920-ih, međutim razvoj optike vlakana počeo je tek u pedesetim godinama prošlog vijeka, kada je upotreba sloja za oblaganje dovela do značajnog poboljšanja karakteristika optičkih vlakana. Vlakna optika se zatim naglo razvijala, uglavnom s ciljem korištenja kabela od optičkih vlakana od stakla za prijenos slike. Knjiga Kapani, objavljena 1967., daje pregled uspjeha tadašnjih postignutih na polju optike vlakana.
Fenomen totalne unutarnje refleksije široko se koristi u praksi. Osnova je za izgradnju mnogih optičkih reflektivnih prizmi. Isti fenomen je u pozadini osvjetljavanja udaraca na rešetkama optičkih mjernih instrumenata (Sl.
Fenomen potpunog unutarnjeg odraza široko se koristi u slučajevima kada je potrebno izvršiti prijenos svjetlosnih tokova bez gubitka intenziteta. U nuklearnoj fizici optička vlakna lucita ili druge plastike koriste se za prijenos svjetlosti koje emitira scintilacijski kristal kada ionizirajuća čestica putuje u fotomultipliator, gdje se ta svjetlost pretvara u koristan električni signal. Fotomultiplikator se često mora nalaziti daleko od scintilacionog kristala zbog nedostatka prostora ili zbog magnetnih polja koja iskrivljuju njegova očitanja. Ako je poprečna veličina vlakana velika u usporedbi s valnom duljinom, tada je gore spomenuto za ravnu granicu približno točno. Ako su poprečne dimenzije dielektrika redoslijeda valne duljine, tada je potrebno posebno razmotriti uzimajući u obzir specifičnu geometriju vlakana.
Fenomen potpunog unutarnjeg odraza koristi se u fleksibilnim optičkim vlaknima. Ako je svjetlost usmjerena prema kraju tanke staklene šipke (vlakna), tada će kutovi pod kojima zrake padaju na zidove štapa premašiti granični kut.
Fenomen totalne unutarnje refleksije objašnjava spektakularno demonstracijsko iskustvo prikazano na Sl. 24.2. Svjetlost ulazi horizontalnom paralelnom snopom duž struje vode koja slobodno teče iz otvora u bočnoj stijenci posude.
Fenomen totalne unutarnje refleksije objašnjava spektakularno demonstracijsko iskustvo prikazano na Sl. 24.2. Svjetlost ulazi horizontalnom paralelnom snopom duž struje vode koja slobodno teče iz otvora u bočnoj stijenci posude. Zbog pojave totalnog unutarnjeg odrazanja, svjetlost ne može izaći kroz bočnu površinu i slijedi uz tok, koji je sličan zakrivljenom svjetlosnom vodiču.
Korištenje fenomena totalne unutarnje refleksije omogućava vam stvaranje potrebnih stožastih ogledala na mnogo jednostavnije načine. Na primjer, stožasto ogledalo može se zamijeniti konusnim prizmom sa cilindričnom rupom za uzorak. Razmotrimo transformaciju cilindrične površine u ravnu. Situacija je drugačija s krugovima kada je dio cilindra ravan.
Razmatranje pojave ukupnog unutarnjeg odrazanja, uloge meridijanskih i kosih zraka, vrijednosti prvog omotača u vlaknu i njegove veličine, gubitka energije u vlaknu uslijed apsorpcije i refleksije na sučelju između jezgre i omotača, kao i niz drugih odredbi, koncepata i definicija dopuštaju do prve aproksimacije, zamislite širenje svjetlosnih zraka kroz optička vlakna i prijenos svjetlosne energije i slike pomoću snopova vlakana.
Primjena punog razmišljanja
Aktivnost
Digitalni periskop
Evo tehničke novosti.
Tradicionalni optički kanal postojećih periskopa zamijenjen je video kamerama visoke rezolucije i optičkim komunikacijama. Informacije s vanjskih nadzornih kamera u realnom se vremenu prenose na široki ekran u središnjem postu.
Testovi se odvijaju na podmornici SSN 767 Hampton tipa Los Angeles. Novi model u potpunosti mijenja praksu rada s periskopom koji se razvija decenijama. Sada nadležni oficir radi s kamerama postavljenim na grani, prilagođavajući zaslon pomoću džojstika i tastature.
Pored prikaza u središnjem postu, slika s periskopa može se prikazati i na proizvoljno velikom broju zaslona u bilo kojoj sobi broda. Kamere omogućuju istodobno promatranje različitih sektora horizonta, što značajno povećava brzinu reakcije stražara na promjene taktičke situacije na površini.
Kako objasniti "igru kamenja"? U nakitu je oblaganje kamenja odabrano tako da na svakom licu postoji potpuni odraz svjetlosti.
Potpuni unutarnji fenomen objašnjava fenomen mirage
Mirage je optička pojava u atmosferi: odraz svjetlosti na granici između oštro različitih toplotnih slojeva zraka. Za promatrača takav odraz se sastoji u činjenici da je zajedno s udaljenim objektom (ili dijelom neba) njegova imaginarna slika vidljiva, pomaknuta u odnosu na objekt.
Mirage se razlikuju na donje, vidljive ispod objekta, gornje, iznad objekta i bočne. Gornji miraz se posmatra iznad površine hladne zemlje, donji je mirni iznad pregrijane ravne površine, često pustinjski ili asfaltni put. Zamišljena slika neba stvara iluziju vode na površini. Dakle, put koji ide u daljinu izgleda mokar vrućeg ljetnog dana. Bočni miraz se ponekad opaža u blizini vrlo vrućih zidova ili stijena.