Elemente de optică

Studiul fenomenelor de reflexie, refracție și al instrumentelor optice.

Reflexia luminii

Lumina se propagă rectiliniu într-un mediu transparent și omogen, cu viteza de aproximativ 300 000 km/s în vid. Când întâlnește suprafața de separare dintre două medii, o parte din lumină se întoarce în mediul din care a venit: acesta este fenomenul de reflexie.

Elementele figurii, care trebuie numite corect:

• raza incidentă – raza care ajunge pe suprafață;
• punctul de incidență – locul unde atinge suprafața;
• normala – dreapta perpendiculară pe suprafață în punctul de incidență;
• unghiul de incidență (i) – între raza incidentă și normală;
• unghiul de reflexie (r) – între raza reflectată și normală.

Legile reflexiei:

1. Raza incidentă, normala și raza reflectată se află în același plan. 2. Unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență: r = i.

Aici e capcana numărul unu la evaluare: unghiurile se măsoară față de normală, nu față de suprafață. Dacă în enunț scrie că raza cade sub un unghi de 30 de grade față de oglindă, unghiul de incidență este de fapt 60 de grade.

În oglinda plană, imaginea este virtuală (nu poate fi prinsă pe un ecran), dreaptă, de aceeași mărime cu obiectul și situată simetric față de oglindă, la aceeași distanță în spatele ei. Imaginea este însă inversată stânga-dreapta, ceea ce explică de ce cuvântul SALVARE apare scris invers pe ambulanțe.

După felul suprafeței, deosebim reflexia regulată (pe suprafețe netede, lucioase, care dau imagini clare) și reflexia difuză (pe suprafețe rugoase — datorită ei vedem obiectele care nu emit lumină proprie).

Refracția luminii

Refracția este schimbarea direcției de propagare a luminii la trecerea dintr-un mediu transparent în altul, din cauza modificării vitezei de propagare.

Legile refracției:

1. Raza incidentă, normala și raza refractată se află în același plan. 2. Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este constant pentru două medii date (legea Snell-Descartes): sin i / sin r = n2/n1.

Pentru clasa a VIII-a, esențial este comportamentul calitativ, care se cere formulat corect:

• la trecerea dintr-un mediu mai puțin dens optic într-unul mai dens (aer → apă, aer → sticlă), lumina se apropie de normală, iar unghiul de refracție este mai mic decât cel de incidență;
• la trecerea dintr-un mediu mai dens într-unul mai puțin dens (apă → aer), lumina se depărtează de normală.

Indicele de refracție al unui mediu, n = c/v, arată de câte ori este mai mică viteza luminii în acel mediu decât în vid. Pentru apă n ≈ 1,33, pentru sticlă n ≈ 1,5. Cu cât n e mai mare, cu atât mediul e mai dens optic și lumina se propagă mai lent prin el.

Efecte cotidiene explicabile prin refracție: creionul care pare frânt la suprafața apei, bazinul care pare mai puțin adânc decât este, mirajul, scânteierea stelelor.

Greșeala de fond, foarte des întâlnită: elevii spun că la refracție se schimbă culoarea sau frecvența luminii. Nu. La trecerea dintr-un mediu în altul se modifică viteza și lungimea de undă; frecvența rămâne aceeași, de aceea culoarea nu se schimbă.

Reflexia totală

Când lumina trece dintr-un mediu mai dens optic într-unul mai puțin dens (de exemplu din apă în aer), raza refractată se îndepărtează de normală. Dacă mărim treptat unghiul de incidență, unghiul de refracție crește mai repede și, la un moment dat, ajunge la 90 de grade: raza refractată alunecă exact de-a lungul suprafeței.

Unghiul de incidență pentru care se întâmplă acest lucru se numește unghi limită (l). Pentru apă, unghiul limită este de aproximativ 49 de grade; pentru sticla obișnuită, aproximativ 42 de grade.

Dacă unghiul de incidență depășește unghiul limită, lumina nu mai iese deloc din mediul dens: se întoarce integral în el. Fenomenul se numește reflexie totală.

Condițiile reflexiei totale — se cer amândouă, iar omiterea uneia costă punctaj:

1. lumina trece dintr-un mediu mai dens optic într-unul mai puțin dens; 2. unghiul de incidență este mai mare decât unghiul limită.

De reținut că reflexia totală nu se poate produce niciodată la trecerea din aer în sticlă sau din aer în apă. Este cea mai frecventă eroare la itemii de tip adevărat/fals.

Aplicații: fibra optică, în care lumina se propagă pe zeci de kilometri prin reflexii totale succesive pe pereții interiori, stând la baza internetului și a telecomunicațiilor moderne; prismele din binocluri și aparatele foto; endoscopul medical; strălucirea deosebită a diamantului, care are un unghi limită foarte mic, de aproximativ 24 de grade, motiv pentru care lumina intrată în el se reflectă de multe ori înainte de a ieși.

Lentile. Construcția imaginilor

O lentilă este un mediu transparent mărginit de două suprafețe, dintre care cel puțin una curbă.

• Lentila convergentă este mai groasă la mijloc decât la margini. Ea adună razele paralele într-un punct real, numit focar. Distanța focală f este pozitivă.
• Lentila divergentă este mai subțire la mijloc. Ea împrăștie razele; prelungirile lor se întâlnesc într-un focar virtual, iar f este negativă.

Convergența lentilei este C = 1/f, măsurată în dioptrii (m⁻¹) când f se exprimă în metri.

Pentru construcția imaginii se folosesc razele remarcabile:

• raza paralelă cu axa optică trece, după lentilă, prin focar;
• raza care trece prin centrul optic nu își schimbă direcția;
• raza care trece prin focarul din față iese paralelă cu axa optică.

La lentila convergentă, natura imaginii depinde de poziția obiectului:

• obiect dincolo de dublul distanței focale: imagine reală, răsturnată, mai mică;
• obiect între f și 2f: imagine reală, răsturnată, mai mare;
• obiect între focar și lentilă: imagine virtuală, dreaptă, mărită — exact modul în care funcționează lupa.

La lentila divergentă, imaginea este întotdeauna virtuală, dreaptă și mai mică, indiferent unde se află obiectul. Aceasta e o afirmație sigură la itemii de tip adevărat/fals.

Deosebirea practică dintre cele două tipuri de imagini: imaginea reală se poate proiecta pe un ecran, cea virtuală nu — se vede doar privind prin lentilă.

Instrumente optice. Ochiul și defectele de vedere

Ochiul este un sistem optic natural. Lumina străbate, în ordine, corneea, umoarea apoasă, cristalinul și corpul vitros, iar imaginea se formează pe retină. Cristalinul se comportă ca o lentilă convergentă cu distanță focală variabilă, iar modificarea curburii lui, prin mușchiul ciliar, se numește acomodare.

Detaliu care surprinde mereu: imaginea formată pe retină este reală, răsturnată și mai mică decât obiectul. Creierul este cel care o „întoarce”, astfel încât noi percepem lumea în poziție normală.

Defectele de vedere și corecția lor formează o pereche care se cere memorată exact:

• Miopia – ochiul este prea „lung” sau cristalinul prea convergent, iar imaginea se formează înaintea retinei. Miopul vede bine aproape și încețoșat la distanță. Se corectează cu lentile divergente, cu convergență negativă.
• Hipermetropia – imaginea se formează în spatele retinei. Se vede greu de aproape. Se corectează cu lentile convergente, cu convergență pozitivă.
• Prezbiopia – scăderea elasticității cristalinului odată cu vârsta, deci pierderea acomodării pentru aproape.
• Astigmatismul – curbura neregulată a corneei; se corectează cu lentile cilindrice.

Lupa este o lentilă convergentă cu distanță focală mică; obiectul se așază între focar și lentilă, iar imaginea obținută este virtuală, dreaptă și mărită.

Microscopul are două sisteme convergente: obiectivul, cu distanță focală foarte mică, ce dă o primă imagine reală și mărită, și ocularul, care funcționează ca o lupă asupra acestei imagini. Mărirea totală este produsul măririlor celor două.

Test — 6 întrebări ca la examen