1
Introducere
Optica este o parte a fizicii care studiaza lumina si fenomenele
luminoase. Ea cerceteaza natura luminii, producerea, propagarea,
absorbtia, interactiunea ei cu substantele precum si masurarea
marimilor ce caracterizeaza lumina.
Lumina, generata sau reflectata de diverse corpuri constituie agentul
fizic care, prin intermediul retinei, face ca ochiul sa poata vedea
aceste corpuri (gr. Opsis = stiinta despre vedere).
Natura luminii si comportamentul ei au preocupat pe oameni din cele mai
vechi timpuri, dar deabia o data cu dezvoltarea metodelor experimentale
de verificare a ipotezelor, cercetarea a devenit din speculativa,
stiintifica.
Snellius dovedeste in 1626 ca lumina se propaga in linie dreapta iar in
1637 Descartes enunta legile refractiei. Inceputul secolului al
XVIII-lea este marcat de o dezvoltare exploziva mai ales a opticii
geometrice, prin lucrarile fundamentale ale lui Gauss si Lagrange.
Newton sustinea natura corpusculara a luminii si se baza pe caracterul
rectiliniu al propagarii luminii si pe legile reflexiei, pe care le
asemana cu ciocnirea corpurilor. Teoria lui Newton nu putea insa
explica fenomenele de interferenta, difractie sau de polarizare. In
1679 Huygens a emis teoria ondulatorie, in baza datelor experimentale:
lumina este o consecinta a miscarilor vibratorii si se propaga prin
unde; o radiatie monocromatica se datorieste unei miscari sinusoidale
de perioada determinata, caracteristica radiatiei; undele luminoase
sunt transversale, adica normale pe directia de propagare. Maxwell
arata in 1865 ca lumina se datoreste vibratiilor unui camp electric
asociat cu un camp de inductie magnetica, perpendiculare intre ele, iar
anasmblul acestor campuri constituie campul electromagnetic.
Experientele lui Hertz si ale lui Marconi au confirmat previziunile
teoretice ale lui Maxwell.
In spectrul undelor electromagnetice deosebim:
Tip radiatie Lungime de unda
Domeniu de interes
Radiatii hertziene 15 km - 0,1 m
Telecomunicatii
Radiatii infrarosii 4 - 0,75 micrometrii
Optica generala
Radiatii vizibile 0,75 - 0,4 micrometrii
Radiatii ultraviolete 0,4 - 0,01
micrometrii
Radiatii X 200 - 0,005 Angstrom
Radiatii gamma sub 0,005 Angstrom
Fizica nucleara
Radiatia vizibila este acea parte din spectrul de radiatii care
impresioneaza retina ochiului uman si care determina senzatia vizuala.
Lumina poate ajunge la ochi fie direct de la corpuri generatoare de
lumina (numite surse de lumina) fie de la corpuri care reflecta lumina.
In natura, marea majoritate a corpurilor reflecta lumina primita. In
absenta luminii, atat vederea cat si fotografia ar fi imposibile.
Spectrul luminii vizibile
Radiatia luminoasa ce contine unde cu o singura lungime de unda poarta
numele de radiatie monocromatica.
In prezent lumina este definita ca o unda electromagnetica, ceea ce a
dus la impartirea opticii generale in trei mari capitole:
a) Optica geometrica - studiaza fenomenele luminoase, in special de
reflexie si de refractie, pe baza notiunii de raza de lumina care se
propaga rectiliniu in medii omogene. Optica geometrica face abstractie
de natura luminii.
b) Optica ondulatorie studiaza evenimente cum sunt difractia,
interferenta si polarizarea luminii. Aceste fenomene se bazeaza pe
caracterul ondulatoriu al radiatiei luminoase.
c) Optica fotonica studiaza evenimentele implicate de caracterul
corpuscular al luminii, in special efectul fotoelectric.
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.
1
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.
Mediul Indicele de refractie (n)
Aer 1,003
Apa 1,33
Alcool etilic 1,36
Sare 1,54
Sulfura de carbon 1,63
Sticla crown 1,52
Sticla flint 1,76
Diamant 2,42
Vid 1,000
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.
La valoarea i a unghiului de indicenta, raza este reflectata integral
in mediul din care a venit. Unghiul i poarta numele de unghi limita iar
fenomenul care se petrece in aceste conditii se numeste reflexie
totala. Unghiul limita este dependent de indicele absolut de refractie
al celor doua medii, conform ecuatiei:
sin(i) = n2/n1.
In consecinta, corpurile asupra carora cade lumina determina: reflexia,
refractia si absorbtia radiatiei, fenomene ce au loc simultan. Reflexia
poate fi dirijata (ca in cazul oglinzilor, utilizate inclusiv in
aparatele foto reflex), sau difuza (reflexia se face in toate
directiile, ceea ce permite vederea lor si inregistrarea in
fotografii). Refractia poate fi, de asemenea dirijata (sticla, lentile)
sau difuza (de exemplu geamul mat). Absorbtia poate fi uniforma pentru
toate lungimile de unda ale radiatiei luminoase (corp gri sau negru)
sau selectiva (corpuri colorate).
Stigmatismul riguros si aproximativ Gauss
Diversele aparate optice permit omului sa perceapa detalii care ar fi
invizibile cu ochiul liber si, prin intermediul aparatelor fotografice,
sa le poata inregistra. Pentru a obtine insa imagini de calitate
ridicata, imaginile trebuie sa fie cat mai clare.
Pentru formarea imaginii unui obiect este necesar ca pentru fiecare
punct din spatiul-obiect sa existe un punct corespunzator pe imagine.
Aceste perechi de puncte poarta numele de puncte conjugate. Daca pentru
toate punctele din spatiul-obiect exista un punct corespunzator pe
imagine, imaginea poarta numele de imagine stigmatica.
Cele mai ok referate! www.referateok.ro |