Optică Geometrică - Note de Studiu

Optică Geometrică. Introducere

Valerica Baban

Ce vom studia?

1. Ce este optica geometrică?
2. Ce este lumina. Viteza luminii
3. Principiile opticii geometrice
4. Reflexia luminii. Oglinda plană.
5. Refracţia luminii.
6. Dioptrul sferic.
7. Lentila subţire. Sisteme de lentile.
8. Instrumente optice: ochiul, aparatul foto, lupa, microscopul, luneta, telescopul.

Lumina

• Soarele este sursa primară de lumină.
• Lumina de la Soare se propagă în spațiu, este parțial absorbită de atmosferă și parțial atinge suprafața Pământului.
• Lumina se transformă în căldură, încălzind obiectele.
• Lumina este transformată și stocată de către plante prin fotosinteză.
• Când lumina atinge un obiect, ea poate fi reflectată, absorbită sau poate trece prin acel obiect.

Unde electromagnetice emise de Soare

Spectrul electromagnetic include:

• Radio
• Infraroșu
• Vizibil (ceea ce percepe ochiul uman, între approximately $400 nm$ și $700 nm$)
• Ultraviolet
• Raze X
• Raze Gamma

Lungimile de undă corespunzătoare culorilor spectrului vizibil sunt:

• Violet: $425 nm$ ($4,250 Å$)
• Indigo: $470 nm$ ($4,700 Å$)
• Albastru: $490 nm$ ($4,900 Å$)
• Verde: $560 nm$ ($5,500 Å$)
• Galben: $600 nm$ ($6,000 Å$)
• Portocaliu: $630 nm$ ($6,300 Å$)
• Roșu: $700 nm$ ($7,000 Å$)

Ce este de fapt lumina?

Sir Isaac Newton (1670-1672) - Lecții de optică Cambridge:

• Prima teorie riguroasă bazată pe studiu experimental.
• Conform lui Newton, lumina este alcătuită din corpusculi foarte mici care interacționează cu mediul prin care trec.
• Ciocnirile cu mediul sunt elastice (explicație pentru legile reflexiei luminii).
• Viteza luminii se modifică atunci când trece dintr-un mediu în altul.

Viteza luminii

• Lumina se propagă cu o viteză atât de mare încât nicio experiență obișnuită nu sugerează că semnalele luminoase nu se propagă cu viteză infinită.

Metoda lui Galilei

• 1620 - Dialog despre cele două sisteme principale ale lumii.
• Metoda lanternei și paravanului.
• Distanța de 1 km ar fi parcursă dus-întors de lumină în $0.667 \cdot 10^{-6} s$.
• Formula vitezei luminii este: $v = \frac{2d}{t}$, unde $d$ este distanța și $t$ este timpul.

Metoda lui Ole Romer (1676)

• Romer a măsurat viteza luminii măsurând intervalul de timp dintre eclipsele lui Io, unul din sateliții lui Jupiter.
• Când Pământul este în poziția E2 (cel mai departe de Jupiter), lumina de la Jupiter trebuie să parcurgă o distanță în plus, ceea ce produce o întârziere a momentului de timp când apare eclipsa.
• Cunoscând diametrul orbitei Pământului, Romer a făcut prima estimare relativ corectă a vitezei luminii.
• Valoarea obținută de Romer a fost de $220.000 km/s$.

Metoda lui Luis Fizeau (1849)

Teoria electromagnetică a luminii

Sir James Clerk Maxwell (1864) - Cambridge Philosophical Society:

• Viteza de propagare a câmpului electromagnetic este aceeași cu viteza luminii.
• Lumina este o undă electromagnetică.

Prof. Heinrich Rudolf Hertz (1887):

• A demonstrat producerea undelor radio, construind dispozitive care pot emite și recepționa asemenea unde.
• A demonstrat existența câmpului electric și câmpului magnetic.

Lungimi de undă și radiații

• Radiații Gamma: mai puțin de $0.02 nm$
• Radiații X: $0.01 nm – 10 nm$
• UV: $10 nm – 400 nm$
• Vizibil: $390 nm – 750 nm$
• Infraroșu: $750 nm – 1 mm$
• Microunde: $1 mm – 1 metri$
• Radio: $1 m – 100,000 km$

Albert Michelson (1926):

• A măsurat viteza luminii ca fiind $299.796 ± 4 km/s$.
• În 1983, valoarea exactă conform SI este $299.792.458 km/s$.

Culoarea obiectelor

• O frunză apare colorată în verde deoarece reflectă lumina verde.
• Un măr apare colorat în roșu deoarece reflectă lumina roșie.

Ce este de reținut?

• Lumina este o undă electromagnetică.
• În optica geometrică, lumina este ceea ce percepe ochiul uman (spectrul vizibil).
• Cea mai mare parte a undelor electromagnetice nu sunt percepute de ochi.
• Lumina se deplasează foarte repede cu aproximativ $300.000 km/s$.
• La această viteză, lumina înconjoară Pământul de 8 ori într-o secundă.
• Distanța de la Soare la Pământ este parcursă de lumină în 8,28 minute.
• Cea mai apropiată stea de sistemul nostru solar este Alpha Centauri și se găsește la 4,22 ani-lumină de Pământ.

De cercetat

1. Cum se măsura timpul pe vremea lui Galilei?
2. Cât reprezintă în km distanța de la Alpha Centauri la Pământ?