Transcript: Propagarea luminii in medii omogene. Reflexia si refracţia luminii. Reflexia totală.

În prima lecție de Optică Geometrică vom discuta despre propagarea luminii în medii omogene
și despre fenomenele de reflexie și refracție a luminii.
Lumina este emisă de către o sursă de lumină, precum soarele sau un bec,
și apoi se propagă printr-un mediu numit mediul de propagare.
Dacă acest mediu este omogen, adică are aceleași proprietăți optice în toate punctele din interiorul său,
lumina ce se propagă prin el are două proprietăți importante.
Prima este că propagarea are loc cu viteză constantă.
De exemplu, viteza de propagare a luminii în vid este notată cu C și are valoarea de 300.000 km pe secundă.
Vidul este o regiune din spațiu ce nu conține nici o formă de materie sau energie.
O astfel de regiune nu există în realitate, deci vidul este o noțiune pur teoretică.
Se introduce așa-numitul indice de refracție notat cu N și definit ca raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii în mediul respectiv.
Datorită proprietății luminii de a avea o viteză constantă, indicele de refracție iau o valoare fixă pentru un mediu dat.
Spre exemplu, indicele de refracție al aerului iau o valoare foarte apropiată de 1.
În toate aplicațiile practice se folosește valoarea 1.
Iar indicele de refracție al apei ia valoarea 1.33.
În consecință, viteza de propagare a luminii în apă este aproximativ egală cu 225 de mii de km pe secundă.
Cea de-a doua proprietate importantă a luminii ce se propagă prin medii omogene este aceea că propagarea are loc în linie dreaptă.
O linie dreaptă de propagare a luminii se numește rază de lumină.
Iar o colecție de raze de lumină ce se propagă împreună se numește un fascicul.
Pe baza geometriei fasciculor avem trei tipuri de fascicule.
Primul tip este cel cilindric, în care razele de lumină sunt paralele.
Cel de-al doilea este conic convergent, în care razele de lumină converg într-un punct.
Și cel de-al treilea este conic divergent, în care razele de lumină diverg din același punct.
Deci, lumina ce se propagă printr-un mediu omogen are o viteză constantă și se propagă în linie dreaptă.
Întrebarea ce se pune este ce se va întâmpla când aceste raze de lumină întâlnesc suprafața de separare dintre două medii.
Deci, ce se întâmplă la această suprafață de separare între două medii omogene?
Experimental se observă că razele incidente pe suprafața de separare a două medii se separă în două raze.
O rază reflectată care se întoarce în mediul de incidență și o rază refractată care trece în noul mediu.
Această schemă arată aceste trei raze.
Deci, prima rază ce incidentă este OI.
Ea este incidentă pe suprafața de separare, care este un segment alb în schema noastră.
Și la punctul de incidență O se separă în raza reflectată OR1 și raza refractată OR2.
Dreapta NO este normala la suprafața de separare în punctul de incidență.
Deci, este o dreaptă perpendiculară pe suprafața de separare, care este perpendiculară la rândul ei pe ecranul dumneavoastră.
Unghiurile formate sunt unghiul de incidență I, unghiul de reflectie R1 și unghiul de refractie R2.
Experimental se pot stabili legile reflectie și refractie, care sunt următoare.
Legile reflectie întâi.
Legea numărul 1 spune că raza reflectată OR1 se află în planul format de normala la suprafața de separare în punctul de incidență și raza incidentă.
Deci, OR1 este conținută, aparține acestui plan.
OI și ON.
Cea de-a doua lege spune că unghiul de reflectie, R1, este egal cu unghiul de incidență.
Legile refractiei sunt următoare.
Legea numărul 1 spune că și raza refractată OR2 aparține acelui ași plan format de normală și raza incidentă.
Deci, OR2 aparține acelui ași plan.
Deci, toate trei razele, incidentă reflectată și refractată, sunt coplanare.
Cea de-a doua lege spune că produsul dintre indicele de refractie N1 al mediului din care vine raza incidentă, mulțit cu sinusul unghiului de incidență I, este egal cu produsul dintre indicele de refractie al celui de-al doilea mediu și sinusul unghiului de refractie R2.
Un caz particular al celei de-a doua lege a refractiei, care are multe aplicații practice importante, este cel de reflectie totală.
Această schemă este aceeași cu cea dinainte, dar în care am păstrat numai raza incidentă și raza refractată.
Nu am mai desenat raza reflectată.
Întrebarea care se pune este cât trebuie să fie unghiul de incidență I, notat aici cu o valoare limită L, pentru ca raza refractată să fie emisă la un unghi de 90 de grade.
Pentru a afla răspunsul, introducem valoarea de 90 de grade pentru unghiul de refractie în cea de-a doua lege a refractiei.
Deci, N1, sinus de acest unghi limită de incidență L, este egal cu N2, sinus de 90 de grade.
Sinus de 90 de grade este egal cu 1, deci sinus de unghi limită L este egal cu N2, împărțit la N1.
Această ecuație are soluții dacă N1 este mai mare decât N2, pentru că sinusul oricărui unghi ea valori mai mici decât 1.
Deci, dacă N1 este mai mare decât N2, și unghiul de incidență I este mai mare decât acest unghi limită L, atunci fenomenul de refractie nu mai are loc.
Și în acest caz, avem o reflecție totală.
Există multe aplicații practice ale fenomenului de reflecție totală.
Prisma cu reflecție totală este una din ele.
Prisma cu reflecție totală are formă triangulară, este făcută din sticlă și are cele două unghiuri de la bază, egale cu 45 de grade.
Datorită faptului că unghiul limită pentru reflecție totală a sticlei are o valoare de 42 de grade,
o rază incidentă perpendicular pe prima suprafață, deci un unghi de 90 de grade aici, va avea un unghi de incidență pe cea de-a doua suprafață egal cu 45 de grade.
Asta deoarece cele două axe ale unghiului de incidență sunt perpendiculare pe cele două axe ale unghiului de la bază.
Deci, în acest caz vom avea o reflecție totală pentru că unghiul de incidență este de 45 de grade, care e mai mare decât unghiul limită de 42 de grade.
Identic, și cea de-a doua rază, care este reflectată total, va avea un unghi de incidență pe cea de-a treia suprafață, aceasta, tot de 45 de grade, din aceleași motive, și deci va fi reflectată total.
Raza emergentă din prisma cu reflecție totală este paralelă cu raza incidentă.
Există multe aplicații practice ale prismei cu reflecție totală.
Una din ea este binoculul.
Vedeți aici o secțiune printr-un binocul, în care, pe lângă alte elemente optice lentile, în cazul acesta, vedem două prisme cu reflecție totală,
care sunt folosite pentru a genera o configurație geometrică favorabilă a traiectului razelor prin aparatul optic.
O altă aplicație foarte des întâlnită ale fenomenului de reflecție totală este fibra optică.
Fibra optică are în principal două părți componente.
În interior avem un mediu numit inimă, iar la exterior avem un mediu numit cămașă.
O rază de lumină care intră în inima fibre optice, în așa fel încât unghiul de incidență este mai mare decât unghiul limită,
va suferi o serie de reflecții totale în interiorul inimii și, deci, se va propaga în interiorul inimii.
Fibra optică este folosită pentru transmisia semnalelor optice pe distanțe foarte mari.
În particular, spre exemplu, la ora actuală există o rețea globală de cablu optic,
iar aici arată o astfel de hartă a globului terestru în care sunt desenate principalele magistrale optice submarine
și la ora actuală avem peste jumătate de milion de kilometri de astfel de cablu optic.