L'optique géométrique est une branche spéciale de l'optique physique, qui ne traite pas de la nature de la lumière, mais étudie les lois du mouvement des rayons lumineux dans les milieux transparents. Examinons de plus près ces lois dans l'article et donnons également des exemples de leur utilisation dans la pratique.
Propagation des rayons dans l'espace homogène: propriétés importantes
Tout le monde sait que la lumière est une onde électromagnétique, qui pour certains phénomènes naturels peut se comporter comme un flux de quanta d'énergie (phénomènes de l'effet photoélectrique et de la pression lumineuse). L'optique géométrique, comme indiqué dans l'introduction, ne traite que des lois de la propagation de la lumière, sans approfondir leur nature.
Si le faisceau se déplace dans un milieu transparent homogène ou dans le vide et ne rencontre aucun obstacle sur son chemin, alors le faisceau lumineux se déplacera en ligne droite. Cette caractéristique a conduit à la formulation du principe de moindre temps (principe de Fermat) par le Français Pierre Fermat au milieu du XVIIe siècle.
Une autre caractéristique importante des rayons lumineux est leur indépendance. Cela signifie que chaque rayon se propage dans l'espace sans "sentir"un autre faisceau sans interagir avec lui.
Enfin, la troisième propriété de la lumière est le changement de vitesse de sa propagation lors du passage d'un matériau transparent à un autre.
Les 3 propriétés marquées des rayons lumineux sont utilisées dans la dérivation des lois de réflexion et de réfraction.
Phénomène de réflexion
Ce phénomène physique se produit lorsqu'un faisceau lumineux heurte un obstacle opaque beaucoup plus grand que la longueur d'onde de la lumière. Le fait de la réflexion est un changement brutal de la trajectoire du faisceau dans le même milieu.
Supposons qu'un mince faisceau de lumière tombe sur un plan opaque à un angle θ1 par rapport à la normale N tracée sur ce plan par le point où le faisceau le frappe. Puis le faisceau est réfléchi sous un certain angle θ2 vers la même normale N. Le phénomène de réflexion obéit à deux lois principales:
- Le faisceau de lumière réfléchi incident et la normale N se trouvent dans le même plan.
- L'angle de réflexion et l'angle d'incidence d'un faisceau lumineux sont toujours égaux (θ1=θ2).
Application du phénomène de réflexion en optique géométrique
Les lois de réflexion d'un faisceau lumineux sont utilisées lors de la construction d'images d'objets (réels ou imaginaires) dans des miroirs de différentes géométries. Les géométries de miroir les plus courantes sont:
- miroir plat;
- concave;
- convexe.
Il est assez facile de créer une image dans l'un d'entre eux. Dans un miroir plat, il s'avère toujours imaginaire, a la même taille que l'objet lui-même, est direct, en luiles côtés gauche et droit sont inversés.
Les images dans les miroirs concaves et convexes sont construites à l'aide de plusieurs rayons (parallèles à l'axe optique, passant par le foyer et par le centre). Leur type dépend de la distance de l'objet au miroir. La figure ci-dessous montre comment créer des images dans des miroirs convexes et concaves.
Le phénomène de réfraction
Il consiste en une rupture (réfraction) du faisceau lorsqu'il traverse la limite de deux milieux transparents différents (par exemple, l'eau et l'air) à un angle par rapport à la surface qui n'est pas égal à 90 o.
La description mathématique moderne de ce phénomène a été faite par le Hollandais Snell et le Français Descartes au début du 17ème siècle. En notant les angles θ1 et θ3 pour les rayons incidents et réfractés par rapport à la normale N au plan, on écrit une expression mathématique pour la phénomène de réfraction:
1sin(θ1)=n2sin(θ 3).
Les quantités n2et n1sont les indices de réfraction des milieux 2 et 1. Ils montrent combien la vitesse de la lumière dans le milieu diffère de celle dans l'espace sans air. Par exemple, pour l'eau n=1,33 et pour l'air - 1,00029. Vous devez savoir que la valeur de n est fonction de la fréquence de la lumière (n est plus grand pour les fréquences supérieures que pour les fréquences inférieures).
Application du phénomène de réfraction en optique géométrique
Le phénomène décrit est utilisé pour construire des images danslentilles fines. Une lentille est un objet constitué d'un matériau transparent (verre, plastique, etc.) qui est délimité par deux surfaces dont au moins une a une courbure non nulle. Il existe deux types d'objectifs:
- rassemblement;
- diffusion.
Les lentilles convergentes sont formées par une surface sphérique (sphérique) convexe. La réfraction des rayons lumineux en eux se produit de telle manière qu'ils collectent tous les rayons parallèles en un point - le foyer. Les surfaces de diffusion sont formées par des surfaces transparentes concaves, donc après le passage de rayons parallèles à travers elles, la lumière est diffusée.
La construction d'images dans des lentilles dans sa technique est similaire à la construction d'images dans des miroirs sphériques. Il est également nécessaire d'utiliser plusieurs faisceaux (parallèles à l'axe optique, passant par le foyer et par le centre optique de la lentille). La nature des images obtenues est déterminée par le type d'objectif et la distance de l'objet à celui-ci. La figure ci-dessous montre la technique pour obtenir des images d'un objet dans des lentilles minces pour différents cas.
Appareils fonctionnant selon les lois de l'optique géométrique
Le plus simple d'entre eux est une loupe. Il s'agit d'une seule lentille convexe qui agrandit les objets réels jusqu'à 5 fois.
Un appareil plus sophistiqué, qui est également utilisé pour grossir des objets, est un microscope. Il se compose déjà d'un système de lentilles (au moins 2 lentilles convergentes) et vous permet d'obtenir une augmentation deplusieurs centaines de fois.
Enfin, le troisième instrument optique important est un télescope utilisé pour observer les corps célestes. Il peut consister à la fois en un système de lentilles, alors appelé télescope réfractif, et en un système de miroirs - un télescope réfléchissant. Ces noms reflètent le principe de son travail (réfraction ou réflexion).
