Definisi 1
Optik- salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari sifat dan sifat fisik cahaya, serta interaksinya dengan zat.
Bagian ini dibagi menjadi tiga bagian di bawah ini:
- geometris atau disebut juga optik sinar, yang didasarkan pada konsep sinar cahaya, dari situlah namanya berasal;
- optik gelombang, mempelajari fenomena di mana sifat gelombang cahaya dimanifestasikan;
- Optik kuantum mempertimbangkan interaksi cahaya dengan zat yang sifat sel cahayanya diketahui.
Dalam bab ini kita akan membahas dua subbagian optik. Sifat-sifat sel cahaya akan dibahas pada bab kelima.
Jauh sebelum pemahaman tentang sifat fisik cahaya yang sebenarnya muncul, umat manusia telah mengetahui hukum dasar optik geometris.
Hukum perambatan cahaya bujursangkar
Definisi 1Hukum perambatan cahaya bujursangkar menyatakan bahwa pada medium homogen optik, cahaya merambat lurus.
Hal ini dibuktikan dengan bayangan tajam yang dihasilkan oleh benda buram ketika disinari menggunakan sumber cahaya yang berukuran relatif kecil, yaitu yang disebut “sumber titik”.
Bukti lainnya terletak pada eksperimen yang cukup terkenal tentang aliran cahaya dari sumber yang jauh melalui lubang kecil, yang menghasilkan seberkas cahaya sempit. Pengalaman ini membawa kita pada gagasan tentang berkas cahaya sebagai garis geometris tempat cahaya merambat.
Definisi 2
Perlu dicatat fakta bahwa konsep sinar cahaya, bersama dengan hukum rambat cahaya bujursangkar, kehilangan maknanya jika cahaya melewati lubang yang dimensinya mirip dengan panjang gelombang.
Berdasarkan hal ini, optik geometri, yang didasarkan pada definisi sinar cahaya, merupakan kasus pembatas optik gelombang pada λ → 0, yang cakupannya akan dibahas pada bagian difraksi cahaya.
Pada antarmuka antara dua media transparan, sebagian cahaya dapat dipantulkan sedemikian rupa sehingga sebagian energi cahaya akan hilang setelah dipantulkan ke arah yang baru, sementara sebagian lainnya akan melintasi batas dan melanjutkan perambatannya pada media kedua.
Hukum Pemantulan Cahaya
Definisi 3Hukum Pemantulan Cahaya, didasarkan pada kenyataan bahwa sinar datang dan sinar pantul, serta garis tegak lurus antarmuka antara dua media, yang direkonstruksi pada titik datang sinar, berada pada bidang yang sama (bidang datang). Dalam hal ini, sudut pantul dan sudut datang, γ dan α, masing-masing bernilai sama.
Hukum pembiasan cahaya
Definisi 4Hukum pembiasan cahaya, didasarkan pada kenyataan bahwa sinar datang dan sinar bias, serta garis tegak lurus antarmuka antara dua media, yang direkonstruksi pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama. Perbandingan sin sudut datang α dengan sin sudut bias β adalah nilai yang konstan untuk dua media tertentu:
dosa α dosa β = n .
Ilmuwan W. Snell secara eksperimental menetapkan hukum pembiasan pada tahun 1621.
Definisi 5
Konstan n – adalah indeks bias relatif medium kedua terhadap medium pertama.
Definisi 6
Indeks bias suatu medium terhadap ruang hampa disebut - indeks bias absolut.
Definisi 7
Indeks bias relatif dua media adalah perbandingan indeks bias mutlak media tersebut, yaitu:
Hukum refraksi dan refleksi menemukan maknanya dalam fisika gelombang. Berdasarkan definisinya, pembiasan merupakan hasil transformasi kecepatan rambat gelombang pada transisi antara dua media.
Definisi 8
Arti fisis dari indeks bias adalah perbandingan cepat rambat gelombang pada medium pertama υ 1 dengan cepat rambat gelombang pada medium pertama υ 2:
Definisi 9
Indeks bias absolut setara dengan rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa C dengan kecepatan cahaya υ dalam medium:
Pada Gambar 3. 1 . Gambar 1 mengilustrasikan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya.
Gambar 3. 1 . 1 . Hukum refleksi υ pembiasan: γ = α; n 1 dosa α = n 2 dosa β.
Definisi 10
Media yang indeks bias absolutnya lebih kecil adalah secara optis kurang padat.
Definisi 11
Dalam kondisi transisi cahaya dari satu medium, kepadatan optiknya lebih rendah ke medium lainnya (n 2< n 1) мы получаем возможность наблюдать явление исчезновения преломленного луча.
Fenomena ini dapat diamati pada sudut datang yang melebihi sudut kritis tertentu α p r. Sudut ini disebut sudut pembatas pemantulan internal total (lihat Gambar 3, 1, 2).
Untuk sudut datang α = α p sin β = 1 ; nilai dosa α p p = n 2 n 1< 1 .
Asalkan medium kedua adalah udara (n 2 ≈ 1), maka persamaannya dapat ditulis ulang sebagai: sin α p p = 1 n, dimana n = n 1 > 1 adalah indeks bias mutlak medium pertama.
Pada kondisi antarmuka kaca-udara, dimana n = 1,5, sudut kritisnya adalah α p p = 42°, sedangkan untuk antarmuka air-udara n = 1,33, dan α p p = 48,7°.
Gambar 3. 1 . 2. Refleksi cahaya internal total pada antarmuka air-udara; S – titik sumber cahaya.
Fenomena refleksi internal total banyak digunakan di banyak perangkat optik. Salah satu perangkat tersebut adalah pemandu cahaya serat - benang tipis melengkung acak yang terbuat dari bahan transparan optik, di dalamnya cahaya yang masuk ke ujungnya dapat menyebar dalam jarak yang sangat jauh. Penemuan ini menjadi mungkin hanya berkat penerapan yang benar dari fenomena pemantulan internal total dari permukaan lateral (Gbr. 3. 1. 3).
Definisi 12
Serat optik adalah arahan ilmiah dan teknis berdasarkan pengembangan dan penggunaan serat optik.
Menggambar 3 . 1 . 3 . Perambatan cahaya dalam pemandu cahaya serat. Ketika serat dibengkokkan dengan kuat, hukum pemantulan internal total dilanggar, dan sebagian cahaya keluar dari serat melalui permukaan samping.
Menggambar 3 . 1 . 4 . Model pemantulan dan pembiasan cahaya.
Jika Anda melihat kesalahan pada teks, silakan sorot dan tekan Ctrl+Enter
Hukum dasar optik geometris
OPTIK
Optik geometris
Suatu medium berbeda dari ruang hampa karena ia mengandung atom dan molekul materi. Kehadiran suatu medium mempengaruhi perambatan cahaya. Parameter medium berikut mempengaruhi perambatan cahaya di dalamnya: indeks bias, koefisien refleksi dan penyerapan, permeabilitas relatif dielektrik dan magnetik medium. Mari kita perhatikan hukum dasar perambatan cahaya dalam suatu medium.
- Hukum perambatan cahaya bujursangkar. Pada medium optik homogen, cahaya merambat lurus.
- Hukum independensi berkas cahaya. Kerja suatu sinar tidak bergantung pada keberadaan sinar lainnya.
Mari kita perhatikan kejadian cahaya pada antarmuka antara dua media.
Ketika cahaya mengenai antarmuka antara dua media transparan, perilaku sinar cahaya mengikuti hukum berikut:
- Hukum pembiasan cahaya. Sinar datang dan sinar bias, serta garis tegak lurus yang direkonstruksi dari titik datang ke antarmuka, terletak pada bidang yang sama. Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias merupakan nilai konstan untuk media tersebut.
(2)
dimana adalah sudut bias dan indeks bias relatif. adalah indeks bias mutlak medium tersebut. Itu setara
(3)
dimana kecepatan cahaya dalam medium. - permeabilitas dielektrik dan magnet relatif medium. Hubungan (2) dapat ditulis dalam bentuk
Relasi (4) simetris. Oleh karena itu, sinar cahaya bersifat reversibel.
Jika cahaya merambat dari medium yang optiknya lebih rapat () ke medium yang kurang rapat (): , maka relasi (2) akan berbentuk:
(5)
Dengan bertambahnya sudut, sudut bias, , bertambah hingga menjadi sama dengan . Sudut yang bersesuaian dengan besaran ini disebut batas sudut- . Untuk sudut, seluruh cahaya tetap berada pada medium pertama. Fenomena ini disebut refleksi lengkap. Dalam hal ini, dari (5) kita peroleh:
.
Lensa Tipis
Sinar cahaya– arah perpindahan energi. Itu tegak lurus terhadap permukaan gelombang.
Lensa– perangkat optik yang terdiri dari media transparan yang dibatasi oleh permukaan. Lensa bersifat konvergen atau divergen. Suatu lensa disebut tipis jika ketebalannya jauh lebih kecil dari jari-jari kelengkungan permukaan yang membatasinya. Sumbu optik– garis lurus yang melalui pusat kelengkungan permukaan lensa. Pusat optik lensa- titik yang melaluinya seberkas cahaya tidak dibiaskan. Kita asumsikan bahwa pusat optik bertepatan dengan pusat geometri lensa. Untuk menurunkan rumus lensa, prinsip Fermat atau prinsip tindakan paling sedikit: Cahaya merambat sepanjang lintasan yang memerlukan waktu tempuh minimal. Mari kita tuliskan rumus lensa tipis tanpa kesimpulan.
(1)
Di mana ; - indeks absolut lensa; - indikator mutlak lingkungan. - jari-jari kelengkungan permukaan lensa pertama dan kedua. - jarak dari pusat lensa ke titik sumber (benda). - jarak dari pusat lensa ke titik penerima (gambar).
Rumus (1) cocok untuk sinar paraksial. Ini adalah sinar yang membentuk sudut kecil dengan sumbu optik lensa. Jari-jari kelengkungan permukaan cembung lensa dianggap positif, dan jari-jari permukaan cekung dianggap negatif.
Jika itu. sinar datang sejajar dengan sumbu optik, maka Persamaan. (1)
Dalam hal ini disebut Focal length lensa.
Jika , maka bayangan berada pada tak terhingga, maka . Titik-titik yang terletak pada jarak yang sama dengan jarak fokus disebut titik fokus lensa. Fokus adalah titik di mana semua sinar yang datang pada lensa sejajar sumbu optik dikumpulkan. Besarnya
(2)
ditelepon kekuatan optik lensa. Satuan ukurannya adalah dioptri ( dioptri). Ini adalah kekuatan optik lensa dengan panjang fokus sama dengan 1m. 
. Untuk lensa konvergen, daya optiknya adalah , untuk lensa divergen - . Bidang yang melalui fokus yang tegak lurus sumbu optik utama disebut fokus. Dengan memperhatikan definisi panjang fokus, maka rumus lensa tipis akan berbentuk:
Perbandingan dimensi linier bayangan dan benda disebut perbesaran linier lensa.
Membangun gambar.
Tiga sinar luar biasa digunakan untuk membuat gambar menggunakan lensa tipis. Mereka disajikan pada gambar.
Sumbu OO– sumbu optik. Sinar 1 melewati pusat optik lensa tanpa perubahan. Sinar 2 sejajar dengan sumbu optik dan setelah melewati lensa melewati fokus. Sinar 3 melewati fokus lensa, dan setelah lensa sejajar dengan sumbu optik. Selain itu, jika seberkas sinar sejajar datang pada lensa tipis dengan sudut tertentu terhadap bidangnya, maka sinar tersebut akan memotong bidang fokus di satu titik.
Optik gelombang
Gelombang cahaya. Monokromatik. Interferensi cahaya.
Cahaya adalah gelombang elektromagnetik (EMW). EMW tidak memenuhi seluruh ruangan. Atom dan molekul memancarkan dan menyerap gelombang secara berkelompok. Oleh karena itu, gelombang cahaya terbatas dalam ruang dan waktu. Konsep tersebut diperkenalkan gelombang monokromatik adalah gelombang tak terbatas secara spasial dengan satu frekuensi konstan. ITU. Gelombang elektromagnetik bukanlah gelombang monokromatik. Waktu emisi. Selama waktu ini gelombang menempuh jarak tertentu 
. Gelombang ini disebut foton. Karena foton terbatas dalam ruang, ia tidak dapat direpresentasikan sebagai gelombang monokromatik. Ini adalah himpunan (superposisi) gelombang yang memiliki frekuensi berbeda. Kombinasi bentuk gelombang tersebut kereta gelombang. Pada kereta api dapat dibedakan osilasi dengan frekuensi dasar. Gelombang ini kira-kira dapat dianggap monokromatik dalam ruang yang ditempati kereta api pada waktu tertentu. Perkiraan ini memberlakukan batasan tertentu pada penambahan osilasi. Pertimbangkan dua frekuensi gelombang cahaya. Pada titik tertentu di ruang angkasa, hal ini berhubungan dengan getaran atau.
Amplitudo osilasi yang dihasilkan
Intensitas gelombang sebanding dengan amplitudo kuadrat
Mari kita perhatikan kasus ketika perbedaan fasa konstan. Situasi ini sesuai koherensi dua gelombang (atau kejadian terkoordinasi dari dua atau lebih proses gelombang dalam ruang dan waktu). Tergantung pada perbedaan fasa, kita akan mendapatkan hasil yang berbeda dari penambahan dua gelombang.
, ; Dan 
, ;
Itu. Ketika dua gelombang cahaya yang koheren ditumpangkan, terjadi redistribusi spasial fluks cahaya. Hasilnya adalah pergantian intensitas maksimum dan minimum. Fenomena ini disebut gangguan cahaya. Untuk mengamati fenomena ini diperlukan dua gelombang cahaya yang koheren. Untuk melakukan ini, teknik berikut digunakan: gelombang keluar dibagi menjadi dua, yang masing-masing menempuh jalurnya sendiri menuju titik pertemuan. Selain itu, setiap gelombang dapat bergerak dalam mediumnya sendiri dan menempuh jaraknya sendiri-sendiri. Misalkan sinar pertama merambat melalui medium yang mempunyai indeks bias, dan sinar kedua merambat melalui medium yang mempunyai indeks bias. Jika pada titik awal, dimana gelombang terbelah, fasa osilasinya sama dengan , maka pada titik pertemuan, , gelombang pertama memenuhi persamaan
Panjang gelombang cahaya tampak berada pada kisaran 0,4 ..... 0,75 mikron. Optik geometris adalah kasus pembatas optik gelombang pada . Dalam optik geometris, sifat gelombang cahaya diabaikan; hal ini dimungkinkan jika efek difraksi dapat diabaikan. Dalam optik geometris, hukum perambatan cahaya pada media transparan dianggap berdasarkan gagasan cahaya sebagai sekumpulan sinar - garis cahaya yang sepanjang aliran energi cahaya merambat. Dalam medium isotropik optik, sinar cahaya ortogonal terhadap permukaan gelombang dan diarahkan ke garis normal luar permukaan tersebut. Dalam medium yang homogen secara optis, sinar-sinarnya berbentuk bujursangkar. Berkas cahaya adalah kumpulan sinar cahaya.
1. Hukum kelurusan rambat cahaya: dalam medium yang homogen secara optik, cahaya merambat dalam garis lurus. Pada medium yang tidak homogen, sinar cahaya dibelokkan. Jalur yang dilalui cahaya dalam medium tidak homogen dapat ditentukan dengan menggunakan prinsip variasi Fermat: Cahaya merambat sepanjang jalur yang memerlukan waktu tempuh minimum. Rumusan lain dari prinsip Fermat: cahaya merambat sepanjang jalur yang panjang optiknya minimal. Panjang jalur optik cahaya antara dua titik dalam medium tak homogen disebut besaran:
(6.35.11)
dimana adalah indeks bias mutlak medium, dan merupakan panjang lintasan geometri. Dalam lingkungan yang homogen 
.
2. Hukum independensi sinar cahaya (pengaruh cahaya): sinar cahaya (kumpulan sinar cahaya) dapat berpotongan tanpa mengganggu satu sama lain, dan merambat setelah berpotongan secara independen satu sama lain.
Pada antarmuka antara dua media optik, sinar cahaya dapat dipantulkan dan dibiaskan.
3. Hukum pemantulan cahaya: sinar datang, sinar pantul, dan garis tegak lurus yang ditarik pada titik datang ke antarmuka kedua media terletak pada bidang yang sama, dan sudut pantul sama dengan sudut datang:
4. Hukum pembiasan: sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus yang ditarik pada antarmuka antara dua media pada titik datang terletak pada bidang yang sama; perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk media berikut:
(6.35.12)
di mana adalah indeks bias relatif medium kedua terhadap medium pertama.
Refleksi cahaya internal yang lengkap. Jika cahaya merambat dari medium yang optiknya lebih rapat ke medium yang optiknya kurang rapat, maka 
< 1, т.е. угол преломления больше угла падения. Если увеличивать угол падения, то будет увеличиваться угол преломления. И при некотором предельном угле падения (предельном угле), угол преломления станет равным = 90°. При этом интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего. Значение предельного угла определим из выражения (6.35.12), подставив в него 90º:
Optik geometris menggunakan konsep sinar cahaya yang merambat secara independen satu sama lain, bujursangkar dalam medium homogen, dipantulkan dan dibiaskan pada batas media dengan sifat optik berbeda. Energi getaran cahaya ditransfer sepanjang sinar.
Indeks bias medium. Sifat optik media transparan dicirikan oleh indeks bias, yang menentukan kecepatan (lebih tepatnya, kecepatan fase) gelombang cahaya:
dimana c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Indeks bias udara mendekati satu (untuk air nilainya 1,33, dan untuk kaca, tergantung pada jenisnya, dapat berkisar antara 1,5 hingga 1,95. Indeks bias berlian sangat tinggi - sekitar 2,5.
Nilai indeks bias, secara umum, bergantung pada panjang gelombang R (atau frekuensi: Ketergantungan ini disebut dispersi cahaya. Misalnya, dalam kristal (kaca timah), indeks bias berubah dengan lancar dari 1,87 untuk lampu merah dengan a panjang gelombang hingga 1,95 untuk cahaya biru dengan
Indeks bias berhubungan dengan konstanta dielektrik medium (untuk panjang gelombang atau frekuensi tertentu) melalui hubungan: Media dengan indeks bias lebih tinggi disebut lebih rapat secara optik.
Hukum optik geometris. Perilaku sinar cahaya mematuhi hukum dasar optik geometris.
1. Dalam medium homogen, sinar cahaya bersifat bujursangkar (hukum rambat cahaya bujursangkar).
2. Pada batas dua media (atau pada batas media dengan ruang hampa), muncul sinar pantul yang terletak pada bidang yang dibentuk oleh sinar datang dan garis normal terhadap batas tersebut, yaitu pada bidang datang, dan sudut pantul sama dengan sudut datang (Gbr. 224):
(hukum pemantulan, cahaya).
3. Sinar bias terletak pada bidang datang (bila cahaya jatuh pada batas medium isotropik) dan membentuk sudut (sudut bias) dengan garis normal terhadap batas, ditentukan oleh relasi
(hukum pembiasan cahaya atau hukum Snell).
Ketika cahaya melewati medium yang secara optik lebih rapat, berkasnya mendekati garis normal. Rasio ini disebut indeks bias relatif dua media (atau indeks bias media kedua relatif terhadap media pertama).
Beras. 224. Pemantulan dan pembiasan matahari pada bidang datar dua media
Ketika cahaya jatuh dari ruang hampa ke batas medium yang mempunyai indeks bias, maka terbentuklah hukum bias
Untuk udara, indeks biasnya mendekati satu; oleh karena itu, ketika cahaya jatuh dari udara ke medium tertentu, dapat digunakan rumus (4).
Ketika cahaya melewati media optik yang kurang rapat, sudut datang tidak boleh melebihi nilai batas karena sudut bias tidak dapat melebihi (Gbr. 225):
Jika sudut datangnya sempurna, terjadi pemantulan, yaitu seluruh energi cahaya datang kembali ke medium pertama yang lebih rapat secara optik. Untuk batas kaca-udara
Beras. 225. Membatasi sudut pantulan total
Prinsip Huygens dan hukum optik geometris. Hukum optik geometris telah ditetapkan jauh sebelum sifat cahaya diklarifikasi. Hukum-hukum ini dapat diturunkan dari teori gelombang berdasarkan prinsip Huygens. Penerapannya dibatasi oleh fenomena difraksi.
Mari kita membahas lebih detail transisi dari konsep gelombang perambatan cahaya ke konsep optik geometris. Dengan menggunakan prinsip Huygens, dari permukaan gelombang tertentu dari gelombang datang, dimungkinkan untuk membuat permukaan gelombang dari gelombang yang dibiaskan dan dipantulkan. Perlu diperhatikan bahwa sinar cahaya tegak lurus terhadap permukaan gelombang.
Misalkan sebuah bidang datang gelombang cahaya dari medium 1 (dengan indeks bias) ke antarmuka datar dengan medium 2 (dengan indeks bias pada suatu sudut (Gbr. 226). Sudut datang adalah sudut antara sinar datang dan garis normal terhadap antarmuka.
Beras. 226. Konstruksi Huygens untuk pemantulan dan pembiasan cahaya
Pada saat yang sama, ini adalah sudut antara antarmuka dan permukaan gelombang dari gelombang datang. Biarkan suatu saat permukaan gelombang ini menempati suatu posisi. Setelah beberapa waktu, ia akan mencapai titik B pada antarmuka. Dalam waktu yang sama, gelombang sekunder dari titik A, yang merambat dalam medium X, akan meluas hingga radius. Dengan menggantinya di sini, kita peroleh gelombang yang berpusat pada ruas tersebut, dimiringkan ke antarmuka dengan sudut yang sama dengan ( persamaan sudut dan mengikuti persamaan segitiga siku-siku dan mempunyai sisi miring yang sama serta kaki-kaki yang sama besar dan Dengan demikian, sinar pantul tegak lurus bagian depan gelombang pantul membentuk sudut yang garis normalnya sama dengan sudut datang
Demikian pula dari konstruksi Huygens ini kita dapat memperoleh hukum pembiasan. Dalam medium 2, gelombang sekunder merambat dengan kecepatan dan oleh karena itu gelombang bola yang muncul dari titik A setelah waktu memiliki radius. Dengan mengganti kedua ruas persamaan ini dengan kita mendapatkan relasinya
yang jelas-jelas bertepatan dengan hukum pembiasan (3), karena sudut kemiringan permukaan gelombang dalam medium 2 sekaligus merupakan sudut antara sinar bias dan garis normal antarmuka (sudut bias, Gambar .226).
Pemantulan dan pembiasan pada permukaan melengkung. Gelombang bidang dicirikan oleh sifat permukaan gelombangnya yang bidangnya tidak terbatas, dan arah rambat serta amplitudonya sama di semua tempat. Seringkali, gelombang elektromagnetik yang bukan bidang dapat dianggap sebagai bidang pada wilayah ruang yang kecil. Untuk melakukan ini, amplitudo dan arah rambat gelombang harus tetap hampir tidak berubah sepanjang jarak orde panjang gelombang. Kemudian kita juga dapat memperkenalkan konsep sinar, yaitu garis yang garis singgungnya pada setiap titik berimpit dengan arah rambat gelombang. Jika, dalam hal ini, antarmuka antara dua media, misalnya permukaan lensa, dapat dianggap kira-kira datar pada jarak orde panjang gelombang, maka perilaku sinar cahaya pada batas tersebut akan dijelaskan oleh persamaan. hukum pemantulan dan pembiasan yang sama.
Kajian tentang hukum-hukum rambat gelombang cahaya dalam hal ini merupakan pokok bahasan optika geometri, karena dalam pendekatan ini hukum-hukum optik dapat dirumuskan dalam bahasa geometri. Banyak fenomena optik, seperti lewatnya cahaya melalui sistem optik yang membentuk suatu gambar, dapat dianggap berdasarkan konsep sinar cahaya, yang sepenuhnya mengabstraksi dari sifat gelombang cahaya. Oleh karena itu, konsep optik geometri hanya valid jika fenomena difraksi gelombang cahaya dapat diabaikan. Semakin pendek panjang gelombangnya, semakin lemah efek difraksinya. Ini berarti bahwa optik geometris berhubungan dengan kasus pembatas panjang gelombang pendek:
Model fisik seberkas sinar cahaya dapat diperoleh dengan melewatkan cahaya dari sumber yang ukurannya dapat diabaikan melalui lubang kecil di layar buram. Cahaya yang muncul dari lubang mengisi suatu area tertentu, dan jika panjang gelombangnya dapat diabaikan dibandingkan dengan ukuran lubang, maka pada jarak yang dekat darinya kita dapat berbicara tentang seberkas sinar cahaya dengan batas yang tajam.
Intensitas cahaya yang dipantulkan dan dibiaskan. Hukum pemantulan dan pembiasan hanya memungkinkan kita menentukan arah sinar cahaya yang bersesuaian, tetapi tidak menjelaskan apa pun tentang intensitasnya. Sementara itu, pengalaman menunjukkan bahwa perbandingan intensitas sinar pantul dan sinar bias yang menjadi sumber pembelahan pada antarmuka sangat bergantung pada sudut datang. Misalnya, pada kejadian normal cahaya pada permukaan kaca, sekitar 4% energi berkas cahaya datang dipantulkan, dan bila mengenai permukaan air, hanya 2% yang dipantulkan. Namun pada kejadian penggembalaan, permukaan kaca dan air memantulkan hampir seluruh radiasi yang datang. Berkat ini, kita dapat mengagumi pantulan cermin pantai di air danau pegunungan yang tenang dan transparan.
Beras. 227. Dalam nyanyian alami, osilasi sektor E terjadi ke segala arah yang memungkinkan pada bidang yang tegak lurus sinar
Cahaya alami. Gelombang cahaya, seperti gelombang elektromagnetik lainnya, bersifat transversal: vektor E terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat. Cahaya yang dipancarkan oleh sumber biasa (misalnya benda panas) tidak terpolarisasi. Artinya dalam berkas cahaya, osilasi vektor E terjadi ke segala arah yang mungkin terjadi pada bidang yang tegak lurus arah berkas (Gbr. 227). Cahaya yang tidak terpolarisasi ini disebut cahaya alami. Hal ini dapat dianggap sebagai campuran tidak koheren dari dua gelombang cahaya dengan intensitas yang sama, terpolarisasi linier dalam dua arah yang saling tegak lurus. Arahan ini dapat dipilih secara sewenang-wenang.
Polarisasi cahaya pada refleksi. Saat mempelajari pantulan cahaya tak terpolarisasi dari antarmuka antar media, akan lebih mudah untuk memilih salah satu dari dua arah independen vektor E pada bidang datang, dan yang kedua tegak lurus terhadapnya. Kondisi pemantulan kedua gelombang ini ternyata berbeda: gelombang yang vektor E-nya tegak lurus terhadap bidang datang (yaitu sejajar dengan antarmuka) pada semua sudut datang (kecuali 0 dan 90°) dipantulkan lebih besar. dengan kuat. Oleh karena itu, cahaya yang dipantulkan ternyata terpolarisasi sebagian, dan ketika dipantulkan pada sudut tertentu (untuk kaca sekitar 56°), cahaya tersebut terpolarisasi sempurna.
Keadaan ini digunakan untuk menghilangkan silau, misalnya saat memotret lanskap dengan permukaan air. Dengan memilih dengan tepat orientasi filter polarisasi yang mentransmisikan getaran cahaya hanya pada polarisasi tertentu, Anda hampir dapat sepenuhnya menghilangkan silau pada foto.
Prinsip Fermat. Hukum dasar optik geometris - hukum rambat cahaya bujursangkar dalam medium homogen, hukum pemantulan dan pembiasan cahaya pada antarmuka dua media - dapat diperoleh dengan menggunakan prinsip Fermat. Menurut prinsip ini, jalur perambatan sebenarnya dari sinar cahaya monokromatik adalah jalur di mana cahaya memerlukan waktu yang sangat lama (biasanya minimal) untuk menempuh jarak dibandingkan dengan jalur lain yang mungkin terjadi antara titik-titik yang sama di dekatnya.
Beras. 228. Turunan hukum pemantulan cahaya dari prinsip Fermat
Kita ambil contoh hukum pemantulan cahaya. Jelas sekali bahwa ini mengikuti langsung prinsip Fermat. Misalkan seberkas cahaya yang datang dari titik A dipantulkan dari cermin di titik tertentu C dan tiba di titik tertentu B (Gbr. 228). Menurut prinsip Fermat, lintasan yang dilalui cahaya harus lebih pendek dari lintasan lain yang lintasannya dekat, misalnya. Untuk mencari posisi titik pantulan C, gambarkan segmen yang sama pada garis tegak lurus dari titik A ke cermin dan menghubungkan titik A dan B dengan ruas garis lurus.
Perpotongan ruas ini dengan permukaan cermin memberikan kedudukan titik C. Memang mudah untuk melihat bahwa oleh karena itu lintasan cahaya dari titik A ke titik B sama dengan ruas tersebut. Lintasan cahaya dari A ke B melalui titik lain akan lebih panjang, karena garis lurus adalah jarak terpendek antara dua titik A dan B. Dari Gambar. 228 segera jelas bahwa posisi titik C ini sesuai dengan persamaan sudut datang dan refleksi:
Beras. 229. Bayangan maya titik A pada cermin datar
Gambar di cermin pesawat. Titik A yang letaknya simetris terhadap titik A terhadap permukaan cermin datar, merupakan bayangan titik A pada cermin tersebut. Memang, seberkas sinar sempit muncul dari sana
A yang dipantulkan di cermin dan masuk ke mata pengamat (Gbr. 229), akan tampak keluar dari titik A. Bayangan yang dihasilkan cermin datar disebut maya, karena di titik A tidak ada sinar pantul. diri mereka sendiri yang berpotongan, tetapi perluasannya ke belakang. Jelaslah bayangan suatu benda yang diperluas pada cermin datar akan sama besarnya dengan benda itu sendiri.
Apa itu sinar cahaya? Bagaimana konsep ini berhubungan dengan konsep permukaan gelombang? Apa hubungan sinar dengan arah rambat getaran cahaya?
Dalam kondisi apa konsep sinar cahaya dapat digunakan?
Berapakah indeks bias suatu medium? Apa hubungannya dengan kecepatan cahaya?
Merumuskan hukum dasar optik geometris. Apa bidang kejadiannya? Jelaskan, berdasarkan pertimbangan simetri, mengapa sinar, baik pada saat pemantulan maupun pembiasan, tidak meninggalkan bidang tersebut.
Dalam kondisi apa pantulan cahaya pada antarmuka akan sempurna? Berapakah batas sudut pantulan total?
Jelaskan bagaimana hukum perambatan bujursangkar, pemantulan, dan pembiasan dapat diperoleh berdasarkan prinsip Huygens.
Mengapa hukum pemantulan dan pembiasan cahaya, yang dirumuskan untuk antarmuka datar, juga dapat diterapkan pada permukaan melengkung (lensa, tetesan air, dll.)?
Berikan contoh fenomena yang Anda amati yang menunjukkan ketergantungan intensitas cahaya yang dipantulkan pada sudut datang.
Mengapa pantulan cahaya alami menghasilkan cahaya terpolarisasi sebagian?
Nyatakan prinsip Fermat dan tunjukkan bahwa hukum pemantulan cahaya mengikuti hukum tersebut.
Buktikan bahwa bayangan suatu benda pada cermin datar sama besarnya dengan benda itu sendiri.
Prinsip Fermat dan rumus lensa. Kecepatan cahaya dalam medium dengan indeks bias adalah Oleh karena itu, prinsip Fermat dapat dirumuskan sebagai persyaratan panjang optik minimum suatu sinar ketika cahaya merambat antara dua titik tertentu. Panjang berkas optik merupakan hasil kali indeks bias dan panjang jalur berkas. Dalam medium tak homogen, panjang optik adalah jumlah panjang optik pada masing-masing area. Penggunaan prinsip ini memungkinkan kita untuk mempertimbangkan beberapa masalah dari sudut pandang yang sedikit berbeda dibandingkan dengan penerapan langsung hukum pemantulan dan pembiasan. Misalnya, ketika mempertimbangkan sistem pemfokusan optik, alih-alih menerapkan hukum pembiasan, kita cukup mensyaratkan bahwa panjang optik semua sinar harus sama.
Dengan menggunakan prinsip Fermat, kita memperoleh rumus lensa tipis tanpa menggunakan hukum pembiasan. Untuk lebih spesifiknya, kita akan membahas lensa bikonveks dengan permukaan bias berbentuk bola yang jari-jari kelengkungannya sama (Gbr. 230).
Diketahui bahwa dengan bantuan lensa konvergen seseorang dapat memperoleh bayangan nyata suatu titik. Biarkan objeknya, gambarnya. Semua sinar yang keluar dan melewati lensa dikumpulkan pada satu titik. Biarkan terletak pada sumbu optik utama lensa, maka bayangan juga terletak pada sumbu tersebut. Apa yang dimaksud dengan memperoleh rumus lensa? Ini berarti membangun hubungan antara jarak dari benda ke lensa dan dari lensa ke bayangan dan besaran yang menjadi ciri lensa tertentu: jari-jari kelengkungan permukaannya dan indeks bias
Dari prinsip Fermat dapat disimpulkan bahwa panjang optik semua sinar yang memancar dari suatu sumber dan berkumpul pada suatu titik yang menjadi bayangannya adalah sama. Mari kita perhatikan dua sinar ini: satu sepanjang sumbu optik, yang kedua melalui tepi lensa (Gbr. 230a).
Beras. 230. Menuju kesimpulan rumus lensa tipis
Meskipun sinar kedua menempuh jarak yang lebih jauh, jalurnya melalui kaca lebih pendek dibandingkan sinar pertama, sehingga waktu tempuh cahayanya sama. Mari kita nyatakan ini secara matematis. Penunjukan nilai semua segmen ditunjukkan pada gambar. Mari kita samakan panjang optik sinar pertama dan kedua:
Mari kita nyatakan menggunakan teorema Pythagoras:
Sekarang mari kita gunakan rumus perkiraan yang valid untuk syarat keteraturan, mengingat kecil dibandingkan dengan syarat keteraturan yang kita miliki
Demikian pula untuk yang kita dapatkan
Kami mengganti ekspresi (8) dan (9) ke dalam relasi utama (7) dan menyajikan suku-suku serupa:
Dalam rumus ini, dalam kasus lensa tipis, kita dapat mengabaikan nilai penyebut di ruas kanan dibandingkan dengan dan jelas bahwa ekspresi di ruas kiri harus dipertahankan, karena suku ini adalah a faktor.
Dengan keakuratan yang sama seperti pada rumus (8) dan (9), dengan menggunakan teorema Pythagoras dapat direpresentasikan dalam bentuk (Gbr. 230b)
Sekarang tinggal mengganti ekspresi ini ke ruas kiri rumus (10) dan mengurangi kedua ruas persamaan dengan:
Ini adalah formula yang diinginkan untuk lensa tipis. Memperkenalkan sebutannya
itu dapat ditulis ulang dalam bentuk
Panjang fokus lensa. Dari rumus (12) mudah untuk memahami bahwa ada panjang fokus sebuah lensa: jika sumber berada pada tak terhingga (yaitu, seberkas sinar sejajar jatuh pada lensa), maka bayangannya berada dalam fokus. Dengan asumsi kita mengerti
Penyimpangan. Sifat yang dihasilkan dari pemfokusan berkas sinar monokromatik paralel, seperti dapat dilihat dari kesimpulan yang dibuat, mendekati dan hanya valid untuk berkas sempit, yaitu untuk berkas yang tidak terlalu jauh dari sumbu optik. Untuk berkas sinar lebar, terjadi penyimpangan bola, yang memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa sinar yang jauh dari sumbu optik memotongnya di luar fokus (Gbr. 231). Akibatnya, bayangan sumber titik yang jauhnya tak terhingga, yang diciptakan oleh seberkas sinar lebar yang dibiaskan oleh lensa, menjadi agak kabur.
Selain aberasi sferis, lensa sebagai perangkat optik pembentuk gambar memiliki sejumlah kelemahan lainnya.
Misalnya, bahkan seberkas sinar monokromatik paralel sempit yang membentuk sudut tertentu dengan sumbu optik lensa tidak menyatu menjadi satu titik setelah pembiasan. Saat menggunakan cahaya non-monokromatik, lensa juga menunjukkan penyimpangan kromatik karena indeks bias bergantung pada panjang gelombang. Akibatnya, seperti dapat dilihat dari rumus (11), seberkas sinar cahaya putih sejajar sempit berpotongan setelah dibiaskan pada lensa di lebih dari satu titik: sinar dari setiap warna memiliki fokusnya masing-masing.
Saat merancang perangkat optik, kekurangan ini dapat dihilangkan pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil dengan menggunakan sistem multi-lensa kompleks yang dirancang khusus. Namun, tidak mungkin menghilangkan semua kekurangan sekaligus. Oleh karena itu, seseorang harus berkompromi dan, ketika merancang instrumen optik yang ditujukan untuk tujuan tertentu, berusaha untuk menghilangkan beberapa kekurangan dan menerima kehadiran kekurangan lainnya. Misalnya, lensa yang dirancang untuk mengamati objek dengan kecerahan rendah harus mentransmisikan cahaya sebanyak mungkin, yang memaksanya untuk menghadapi beberapa aberasi yang tidak dapat dihindari saat menggunakan berkas cahaya lebar.
Beras. 231. Penyimpangan bola pada sebuah lensa
Untuk lensa teleskop, di mana objek yang diteliti adalah bintang - sumber titik yang terletak di dekat sumbu optik perangkat, sangat penting untuk menghilangkan aberasi bola dan kromatik untuk berkas lebar yang sejajar dengan sumbu optik. Cara termudah untuk menghilangkan aberasi kromatik adalah dengan menggunakan refleksi, bukan refraksi, pada sistem optik. Karena sinar dari semua panjang gelombang dipantulkan secara merata, teleskop pemantul, tidak seperti refraktor, sepenuhnya bebas dari penyimpangan kromatik. Jika Anda juga memilih bentuk permukaan cermin pemantul dengan benar, Anda dapat sepenuhnya menghilangkan aberasi bola untuk sinar yang sejajar dengan sumbu optik. Untuk memperoleh bayangan titik aksial, cermin harus berbentuk parabola.
Dengan mengkuadratkan kedua sisi dan membawa suku-suku serupa, kita mendapatkan
Ini adalah persamaan parabola.
Beras. 232. Semua sinar sejajar setelah dipantulkan dari cermin parabola dikumpulkan di suatu titik
Cermin parabola digunakan di semua teleskop besar. Teleskop ini menghilangkan aberasi bola dan kromatik; namun, berkas paralel, bahkan pada sudut kecil terhadap sumbu optik, tidak berpotongan pada satu titik setelah pemantulan dan menghasilkan gambar di luar sumbu yang sangat terdistorsi. Oleh karena itu, bidang pandang yang cocok untuk pekerjaan ternyata sangat kecil, sekitar beberapa puluh menit busur,
Jelaskan mengapa, dalam kaitannya dengan sistem optik pemfokusan, prinsip Fermat dirumuskan sebagai syarat persamaan panjang optik semua sinar dari suatu titik suatu benda ke bayangannya.
Dengan menggunakan prinsip Fermat, turunkan hukum pembiasan cahaya pada antarmuka antara dua media.
Merumuskan perkiraan yang membuat rumus lensa tipis itu valid.
Apa saja manifestasi aberasi sferis dan kromatik pada lensa?
Apa kelebihan dan kekurangan cermin parabola dibandingkan cermin bola?
Tunjukkan bahwa cermin elips memantulkan semua sinar yang datang dari satu fokus ellipsoid ke fokus lainnya.
Hukum dasar optik geometris. Refleksi total
Sinar cahaya adalah garis arah di mana energi cahaya merambat. Dalam hal ini, jalur berkas cahaya tidak bergantung pada dimensi melintang berkas cahaya. Mereka mengatakan bahwa ia menyebar dalam satu arah: sepanjang berkas cahaya.
Optik geometris didasarkan pada beberapa hukum empiris sederhana:
1)Hukum perambatan cahaya bujursangkar: Dalam medium transparan dan homogen, cahaya merambat lurus.
Oleh karena itu timbullah konsep sinar cahaya, yang mempunyai arti geometris sebagai garis yang merambatkan cahaya. Berkas cahaya dengan lebar terbatas memiliki arti fisik yang nyata. Berkas cahaya dapat dianggap sebagai sumbu berkas cahaya. Karena cahaya, seperti radiasi apa pun, mentransfer energi, kita dapat mengatakan bahwa berkas cahaya menunjukkan arah perpindahan energi oleh berkas cahaya.
Pengamatan terhadap perambatan cahaya dalam banyak kasus menunjukkan bahwa cahaya merambat lurus. Inilah bayangan suatu benda yang disinari lampu jalan, pergerakan bayangan bulan di bumi saat gerhana matahari, penyesuaian laser perangkat, dan masih banyak fakta lainnya. Dalam semua kasus, kita berasumsi bahwa cahaya merambat lurus.
Dalam optik geometris, hukum perambatan cahaya pada media transparan dianggap berdasarkan gagasan cahaya sebagai kumpulan sinar cahaya - garis lurus atau melengkung, yang dimulai dari sumber cahaya dan berlanjut tanpa batas. Jika mediumnya homogen, maka sinar-sinarnya merambat lurus. Pola ini dikenal sebagai hukum perambatan cahaya bujursangkar. Kelurusan rambat cahaya diwujudkan dalam terbentuknya bayangan dari benda buram jika disinari oleh sumber cahaya titik. Jika suatu benda disinari oleh dua sumber cahaya titik S 1 dan S 2 (Gbr. 1) atau satu sumber yang diperluas, kemudian muncul area di layar yang diterangi sebagian dan disebut penumbra. Contoh terbentuknya bayangan dan penumbra di alam adalah gerhana matahari. Ruang lingkup undang-undang ini terbatas. Ketika ukuran lubang kecil, cahaya melewati lubang (sekitar 10 -5 m), seperti disebutkan di atas, terjadi fenomena penyimpangan cahaya dari jalur lurus, yang disebut difraksi cahaya.
Gambar 1.1.1 Pembentukan bayangan dan penumbra.
Dalam medium tak homogen, sinar merambat sepanjang lintasan melengkung. Contoh lingkungan yang heterogen adalah pasir panas di gurun. Di dekatnya, suhu udara tinggi, yang menurun seiring ketinggian. Oleh karena itu, kepadatan udara berkurang di dekat permukaan gurun. Oleh karena itu, sinar yang datang dari suatu benda nyata dibiaskan pada lapisan udara yang mempunyai suhu berbeda dan dibelokkan. Akibatnya, terbentuklah gagasan yang salah tentang letak benda tersebut. Fatamorgana terjadi, artinya gambar di dekat permukaan mungkin tampak berada tinggi di langit. Pada hakikatnya fenomena ini mirip dengan pembiasan cahaya di dalam air. Misalnya, ujung tiang yang diturunkan ke dalam air akan tampak lebih dekat ke permukaannya daripada yang sebenarnya.
2)Hukum perambatan sinar bebas : sinar cahaya merambat secara independen satu sama lain.
Jadi, misalnya, ketika memasang layar buram pada jalur berkas sinar cahaya, sebagiannya disaring (dikecualikan) dari komposisi berkas. Namun, berdasarkan sifat independensi, kita harus berasumsi bahwa aksi sinar-sinar yang tetap tidak disaring tidak akan berubah dari ini. Artinya, sinar-sinar tersebut diasumsikan tidak saling mempengaruhi, dan merambat seolah-olah tidak ada sinar lain kecuali sinar yang bersangkutan.
Hukum independensi berkas cahaya Artinya efek yang dihasilkan oleh satu berkas cahaya tidak bergantung pada apakah berkas lain bekerja secara bersamaan. Namun, berkas cahaya bisa dilipat dan dibelah. Bundel yang terlipat akan lebih cerah. Contoh yang terkenal dari sejarah penambahan berkas sinar matahari adalah ketika, ketika melindungi suatu kota dari serangan kapal musuh dari laut, berkas cahaya Matahari diarahkan oleh banyak cermin ke kapal pada satu titik, sehingga pada musim panas terjadi kebakaran di kapal kayu tersebut. Banyak dari kita, sebagai anak-anak, mencoba membakar huruf pada permukaan kayu menggunakan kaca pembesar yang mengumpulkan cahaya.
3) Hukum pemantulan cahaya
Cerminan- proses fisika interaksi gelombang atau partikel dengan suatu permukaan, perubahan arah muka gelombang pada batas dua media yang berbeda sifat, dimana muka gelombang kembali ke media asalnya. Bersamaan dengan pemantulan gelombang pada antarmuka antar media, biasanya terjadi pembiasan gelombang (dengan pengecualian kasus pemantulan internal total).
Dalam akustik, refleksi adalah penyebab gema dan digunakan dalam sonar. Dalam geologi, ini memainkan peran penting dalam studi gelombang seismik. Pemantulan diamati pada gelombang permukaan di badan air. Refleksi diamati pada banyak jenis gelombang elektromagnetik, tidak hanya pada cahaya tampak. Refleksi VHF dan gelombang radio frekuensi tinggi penting untuk transmisi radio dan radar. Bahkan sinar-X keras dan sinar gamma dapat dipantulkan pada sudut kecil terhadap permukaan oleh cermin yang dibuat khusus. Dalam pengobatan, pantulan USG pada antarmuka antara jaringan dan organ digunakan saat melakukan diagnosis USG.
Hukum pemantulan cahaya:
sinar datang dan sinar pantul terletak pada bidang yang sama dengan garis normal permukaan pantul pada titik datang, “sudut datang α sama dengan sudut pantul γ.”
Gambar.1.1.2 Hukum pembiasan
Pemantulan cahaya dapat bersifat spekuler (yaitu, seperti yang diamati dengan menggunakan cermin) atau menyebar (dalam hal ini, ketika dipantulkan, jalur sinar dari suatu benda tidak dipertahankan, tetapi hanya komponen energi fluks cahaya) tergantung pada sifat permukaannya.
Pemantulan cahaya spekular disebut ketika seberkas cahaya paralel yang datang mempertahankan paralelismenya setelah pemantulan. Jika ukuran ketidakteraturan permukaan lebih besar dari panjang gelombang cahaya datang, maka cahaya tersebut tersebar ke segala arah yang memungkinkan. Pemantulan cahaya tersebut disebut tersebar atau difusi;
Refleksi Cahaya Spekuler:
1) sinar pantul terletak pada suatu bidang yang melalui sinar datang dan garis normal terhadap permukaan pantul yang dikembalikan pada titik datang;
2) sudut pantul sama dengan sudut datang. Intensitas cahaya yang dipantulkan (ditandai dengan koefisien refleksi) bergantung pada sudut datang dan polarisasi berkas sinar datang, serta pada rasio indeks bias n2 dan n1 media ke-2 dan ke-1. Ketergantungan ini (untuk media pemantulan - dielektrik) dinyatakan secara kuantitatif dengan rumus Fresnel. Dari sini, khususnya, dapat disimpulkan bahwa ketika cahaya datang normal ke permukaan, koefisien refleksi tidak bergantung pada polarisasi berkas datang dan sama dengan
Contoh. Dalam kasus tertentu jatuhnya normal dari udara atau kaca ke antarmukanya (indeks bias udara = 1,0; kaca = 1,5), nilainya adalah 4%.
4)Hukum pembiasan cahaya
Pada batas dua media, cahaya mengubah arah rambatnya. Sebagian energi cahaya kembali ke medium pertama, yaitu. cahaya dipantulkan.
Jika medium kedua transparan, maka sebagian cahaya, dalam kondisi tertentu, dapat melewati batas media, dan biasanya juga mengubah arah rambatnya. Fenomena ini disebut pembiasan cahaya.
Hukum pembiasan cahaya: Sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus antarmuka antara dua media, direkonstruksi pada titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama; perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias β adalah nilai konstan untuk dua media tertentu
Indeks bias- nilai konstanta yang termasuk dalam hukum pembiasan cahaya disebut indeks bias relatif atau indeks bias suatu medium terhadap medium pertama.
Indeks bias suatu medium terhadap ruang hampa disebut indikator mutlak pembiasan medium ini. Ini sama dengan rasio sinus sudut datang α dengan sinus sudut bias ketika seberkas cahaya merambat dari ruang hampa ke media tertentu. Indeks bias relatif n berhubungan dengan indeks absolut n2 dan n1 medium pertama melalui hubungan:
Oleh karena itu, hukum pembiasan dapat dituliskan sebagai berikut:
Arti fisis indeks bias adalah perbandingan cepat rambat gelombang pada medium pertama υ1 dengan cepat rambatnya pada medium kedua υ2:
Indeks bias mutlak sama dengan perbandingan kecepatan cahaya c dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam medium:
Media dengan indeks bias absolut lebih rendah biasanya disebut media optik kurang rapat
Indeks bias absolut suatu medium berkaitan dengan kecepatan rambat cahaya dalam medium tertentu dan bergantung pada keadaan fisik medium tempat cahaya merambat, yaitu. pada suhu, massa jenis zat, dan adanya tegangan elastis di dalamnya. Indeks bias juga bergantung pada karakteristik cahaya itu sendiri. Untuk lampu merah lebih kecil dari pada hijau, dan untuk hijau lebih kecil dari pada ungu.
5) Hukum reversibilitas sinar cahaya . Menurutnya, seberkas cahaya yang merambat sepanjang lintasan tertentu dalam satu arah akan mengulangi lintasannya persis seperti yang merambat pada arah yang berlawanan.
Karena optik geometris tidak memperhitungkan sifat gelombang cahaya, ia beroperasi berdasarkan postulat bahwa jika dua (atau lebih) sistem sinar bertemu di suatu titik, maka iluminasi yang diciptakan oleh keduanya bertambah.
Refleksi total (internal).
Diamati untuk gelombang elektromagnetik atau suara pada antarmuka antara dua media, ketika gelombang jatuh dari media dengan kecepatan rambat yang lebih rendah (dalam kasus sinar cahaya, ini berhubungan dengan indeks bias yang lebih tinggi).
Dengan bertambahnya sudut datang maka sudut bias juga bertambah, sedangkan intensitas sinar pantul bertambah, dan sinar bias berkurang (jumlahnya sama dengan intensitas sinar datang). Pada nilai kritis tertentu, intensitas sinar bias menjadi nol dan terjadi pemantulan cahaya sempurna. Nilai sudut datang kritis dapat dicari dengan menetapkan sudut bias β sama dengan 90° sesuai hukum bias:
Jika n adalah indeks bias kaca terhadap udara (n>1), maka indeks bias udara terhadap kaca adalah 1/n. Dalam hal ini, kaca adalah media pertama, dan udara adalah media kedua. Hukum pembiasan akan ditulis sebagai berikut:
Dalam hal ini, sudut bias lebih besar dari sudut datang. Artinya, ketika melewati medium optik yang kurang rapat, berkas menyimpang dari garis tegak lurus batas kedua media. Sudut bias terbesar yang mungkin β = 90° sama dengan sudut datang a0.
Pada sudut datang a > a0, berkas bias akan hilang, dan semua cahaya akan dipantulkan dari antarmuka, yaitu. terjadi pemantulan cahaya secara sempurna. Kemudian, jika Anda mengarahkan seberkas cahaya dari medium yang optiknya lebih rapat ke medium yang optiknya kurang rapat, maka dengan bertambahnya sudut datang, sinar bias tersebut akan mendekati antarmuka antara kedua media tersebut, kemudian menyusuri antarmuka tersebut, dan dengan a semakin bertambahnya sudut datang maka sinar bias akan hilang, mis. berkas datang akan dipantulkan seluruhnya oleh antarmuka antara kedua media.
Gambar 1.1.3 Refleksi total
Sudut pembatas (alfa nol) adalah sudut datang yang sesuai dengan sudut bias 90 derajat.
Jumlah intensitas sinar pantul dan sinar bias sama dengan intensitas sinar datang. Dengan bertambahnya sudut datang, intensitas sinar pantul bertambah, dan intensitas sinar bias berkurang dan menjadi sama dengan nol untuk sudut datang maksimum.
Gambar 1.1.4 Panduan cahaya
Fenomena refleksi internal total digunakan di banyak perangkat optik. Aplikasi yang paling menarik dan praktis penting adalah pembuatan serat optik, yang merupakan benang tipis (dari beberapa mikrometer hingga milimeter) melengkung sewenang-wenang yang terbuat dari bahan transparan optik (kaca, kuarsa). Cahaya yang datang di ujung pemandu cahaya dapat merambat dalam jarak yang jauh karena pantulan internal total dari permukaan samping. Arahan ilmiah dan teknis yang terlibat dalam pengembangan dan penerapan panduan cahaya optik disebut serat optik.
Serat dikumpulkan menjadi bundel. Dalam hal ini, masing-masing serat mentransmisikan beberapa elemen gambar.
Kumpulan serat digunakan dalam pengobatan untuk mempelajari organ dalam. Dua pemandu cahaya dapat dimasukkan ke tempat mana pun yang tidak dapat diakses di tubuh. Dengan menggunakan satu pemandu cahaya, objek yang diinginkan disinari, dan melalui panduan lainnya, gambarnya ditransmisikan ke kamera atau mata. Misalnya, dengan menurunkan pemandu cahaya ke dalam perut, dokter bisa mendapatkan gambaran yang sangat bagus tentang area yang diinginkan, meskipun pemandu cahaya harus diputar dan ditekuk dengan cara yang paling aneh.
Serat optik digunakan untuk mengirimkan informasi dalam jumlah besar dalam jaringan komputer, untuk menerangi tempat-tempat yang sulit dijangkau, dalam periklanan, dan dalam peralatan penerangan rumah tangga.
Dalam urusan militer, periskop banyak digunakan di kapal selam. Periskop (dari bahasa Yunani peri - "sekitar" dan scopo - "Saya melihat") adalah alat untuk mengamati dari tempat berlindung. Bentuk paling sederhana dari periskop adalah sebuah pipa, di kedua ujungnya dipasang cermin, miring 45° terhadap sumbu pipa untuk mengubah jalur sinar cahaya. Dalam versi yang lebih kompleks, prisma digunakan sebagai pengganti cermin untuk membelokkan sinar, dan bayangan yang diterima pengamat diperbesar menggunakan sistem lensa. Berkas cahaya dipantulkan seluruhnya dan masuk ke mata pengamat.
Pembelokan sinar oleh prisma
Gambar tersebut menunjukkan penampang prisma kaca dengan bidang tegak lurus terhadap tepi lateralnya. Sinar pada prisma dibelokkan ke arah alas, dibiaskan pada tepi OA dan 0B. Sudut A antara permukaan-permukaan ini disebut sudut bias prisma. Sudut φ Simpangan berkas bergantung pada sudut bias prisma A, indeks bias n bahan prisma, dan sudut datang a1. Itu dapat dihitung menggunakan hukum pembiasan.
φ = A (n-1)
Akibatnya, semakin besar sudut bias prisma, semakin besar pula sudut pembelokan sinar prisma.
Gambar.1.1.5 Pembelokan sinar oleh prisma
Prisma digunakan dalam desain banyak instrumen optik, misalnya teleskop, teropong, periskop, dan spektrometer. Dengan menggunakan prisma, I. Newton adalah orang pertama yang menguraikan cahaya menjadi komponen-komponennya, dan melihat bahwa spektrum warna-warni muncul di pintu keluar prisma, dan warna-warna tersebut tersusun dalam urutan yang sama seperti pada pelangi. Ternyata cahaya “putih” alami terdiri dari sejumlah besar berkas warna-warni.
Soal tes dan tugas
1. Merumuskan dan menjelaskan hukum-hukum dasar optika geometri.
2. Apa pengertian fisika dari indeks bias mutlak suatu medium? Apa itu indeks bias relatif?
3. Merumuskan kondisi pemantulan cahaya spekular dan difus.
4. Dalam kondisi apa pemantulan total terjadi?
5. Berapakah sudut datang sinar jika sinar datang dan sinar pantul membentuk sudut ?
6. Buktikan pembalikan arah sinar cahaya untuk kasus pemantulan cahaya.
7. Apakah mungkin untuk menciptakan sistem cermin dan prisma (lensa) yang melaluinya seorang pengamat dapat melihat pengamat kedua, tetapi pengamat kedua tidak dapat melihat pengamat pertama?
8. Indeks bias kaca terhadap air adalah 1,182: indeks bias gliserin terhadap air adalah 1,105. Temukan indeks bias kaca relatif terhadap gliserol.
9. Tentukan sudut refleksi internal total berlian pada batas air.
10. Mengapa gelembung udara bersinar di dalam air?( Menjawab: karena pantulan cahaya pada batas air-udara)
