Mirror Image: Reflection And Refraction Of Light

{h1}

Een spiegelbeeld is het resultaat van lichtstralen die een reflecterend oppervlak begrenzen. Reflectie en breking zijn de twee belangrijkste aspecten van geometrische optica.

Wanneer mensen in een spiegel kijken, zien ze een beeld van zichzelf achter het glas. Dat beeld is het gevolg van lichtstralen die het glanzende oppervlak tegenkomen en stuiteren of reflecteren, waardoor een "spiegelbeeld" ontstaat. Mensen beschouwen de reflectie meestal als van links naar rechts omgekeerd; dit is echter een misvatting. Als je naar het noorden kijkt en recht in een spiegel kijkt, staat de oostkant van je gezicht nog steeds aan de oostkant van de afbeelding, en hetzelfde geldt voor de westkant. De spiegel draait de afbeelding niet van links naar rechts om; het keert het van voor naar achter om. Als je bijvoorbeeld naar het noorden kijkt, is je reflectie op het zuiden gericht.

De reflectie van lichtstralen is een van de belangrijkste aspecten van geometrische optica; de andere is breking of het buigen van lichtstralen. Geometrische optica is een van de twee brede klassen van optica, het veld dat "zich bezighoudt met de verspreiding van licht door transparante media", volgens Richard Fitzpatrick, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Texas in Austin, in dictaten voor een cursus in Elektromagnetisme en optica. (De andere klasse is fysieke optica.)

Geometrische optica

Geometrische optica behandelt licht als continue stralen (in tegenstelling tot golven of deeltjes) die door transparante media bewegen volgens drie wetten. De eerste wet stelt dat lichtstralen door soortgelijke transparante media in rechte lijnen bewegen. De tweede stelt dat wanneer een lichtstraal een glad, glanzend (of geleidend) oppervlak, zoals een spiegel, tegenkomt, de straal op dat oppervlak botst. De derde wet regelt hoe lichtstralen zich gedragen wanneer ze tussen twee verschillende media passeren, zoals lucht en water. Als u bijvoorbeeld naar een lepel in een glas water kijkt, lijkt het ondergedompelde deel van de lepel op een andere plaats dan verwacht. Dit gebeurt omdat de lichtstralen van richting veranderen wanneer ze van het ene transparante materiaal (lucht) naar het andere gaan (water).

Sir Isaac Newton legde de basis voor geometrische optica in zijn klassieke 1704-werk 'Opticks'. De principes die hij beschreef, worden tot op de dag van vandaag nog steeds gebruikt om brillen, telescopen, microscopen, brillen en cameralenzen te ontwerpen.

In een reflecterende telescoop valt licht op de primaire spiegel en stuitert terug naar een secundaire spiegel, die het licht naar de lens in het oculair afleidt.

In een reflecterende telescoop valt licht op de primaire spiegel en stuitert terug naar een secundaire spiegel, die het licht naar de lens in het oculair afleidt.

Credit: Virginia Commonwealth University

Reflectie

Reflecties van vlakke oppervlakken zijn vrij eenvoudig te begrijpen. Een reflectie lijkt dezelfde afstand te zijn van de "andere kant" van de spiegel als de ogen van de kijker vanuit de spiegel komen. Wanneer het licht wordt gereflecteerd vanuit een spiegel, stuitert het weer op dezelfde hoek in de tegenovergestelde richting van waaruit het is geraakt. Als het licht bijvoorbeeld een vlakke of "vlakke spiegel" raakt in een hoek van 30 graden vanaf de linkerkant, dan kaatst het af in een hoek van 30 graden naar rechts.

Als het oppervlak van de spiegel echter gebogen is, zijn de reflectiehoeken verschillend op verschillende punten op het oppervlak. Het meest gebruikelijke gebogen oppervlak dat wordt gebruikt in optische apparaten is een bolvormige spiegel. Als de spiegel convex is of naar buiten gebogen, zal deze een breder gebied reflecteren, waarin beelden kleiner en verder weg lijken dan die van een vlakke spiegel. Deze spiegels worden vaak gebruikt voor buitenspiegels op auto's en voor het in de winkels houden van grote ruimtes.

Als het oppervlak hol is of naar binnen toe gekromd, wordt een groep lichtstralen van een verre bron teruggekaatst naar een enkele locatie die bekend staat als het brandpunt. Dit produceert over het algemeen een vergrooteffect, zoals dat wordt gezien in een make-upspiegel. De krommingsstraal van een spiegel bepaalt de vergrotingsfactor en de brandpuntsafstand.

Newton gebruikte een concave sferische spiegel om zijn reflecterende telescoop te maken, een ontwerp dat nog steeds populair is bij amateurastronomen vanwege de eenvoud, de lage kosten en de hoge beeldkwaliteit.

In een Newtoniaanse reflecterende telescoop slaan lichtstralen van verre objecten, die in wezen evenwijdig zijn (omdat ze van zo ver komen), de concave hoofdspiegel onder dezelfde hoek. De stralen worden vervolgens door de telescoopbuis terug naar het brandpunt gereflecteerd. Voordat ze het brandpunt bereiken, raken ze echter een secundaire, vlakke spiegel die onder een hoek van 45 graden is gekanteld. De secundaire spiegel leidt het licht naar buiten door een gat in de zijkant van de buis. De oculairlens stelt vervolgens het licht scherp. Dit produceert een vergroot beeld. Ook lijkt het beeld veel helderder dan met het blote oog, omdat de spiegel het licht verzamelt en concentreert.

De vorm van een bolvormige spiegel beïnvloedt het beeld dat wordt gereflecteerd. Licht dat dichtbij de rand van de spiegel valt, focust niet precies op dezelfde plek als het licht dat dichterbij het centrum valt. Dit resulteert in wat sferische aberratie wordt genoemd. Dit fenomeen wordt vaak gecorrigeerd door een combinatie van lenzen te gebruiken, of in het geval van grote telescopen, door parabolische spiegels te gebruiken die de vorm hebben van afgeronde kegels die al het licht van een bron naar een enkel punt richten.

EEN

Een "gebogen" lepel in een glas water is een voorbeeld van breking.

Krediet: Crok Photography Shutterstock

straalbreking

Breking is het buigen van lichtstralen. Normaal gaat het licht in een rechte lijn en verandert van richting en snelheid wanneer het van het ene transparante medium naar het andere gaat, zoals van lucht in glas.

In een vacuüm is de snelheid van het licht, aangeduid als "c", constant.Wanneer licht echter een transparant materiaal ontmoet, vertraagt ​​het. De mate waarin een materiaal licht doet vertragen, wordt de brekingsindex van dat materiaal genoemd, aangeduid als "n." Volgens Physics.info zijn de geschatte waarden van n voor gebruikelijke materialen:

  • Vacuüm = 1 (per definitie)
  • Lucht = 1.0003 (bij standaard temperatuur en druk)
  • Water = 1,33 (bij 68 graden Fahrenheit of 20 graden Celsius)
  • Natronkenturkroonglas = 1,51
  • Sapphire = 1,77
  • 71-procent lood flintglas = 1,89
  • Kubieke zirkonia = 2,17
  • Diamant = 2,42

Deze cijfers betekenen dat de snelheid van het licht 1,33 keer langzamer is in water en 2,42 keer langzamer in diamant dan in een vacuüm.

Wanneer licht vanuit een gebied van lagere n, zoals lucht, door een oppervlak in een gebied met een hogere n, zoals glas, gaat, verandert het licht van richting. Dit betekent dat het pad dichter bij loodrecht of "normaal" naar de oppervlakte komt. Wanneer het licht van een gebied van hogere n naar het gebied van lagere n passeert, buigt het weg van de "normale" richting. Dit is de oorzaak dat het ondergedompelde deel van een lepel in een glas water lijkt te buigen als je het in water legt.

Focus

In een lens met een gebogen oppervlak buigen parallelle stralen onder verschillende hoeken, afhankelijk van de hoek van het oppervlak waar de stralen de lens binnenkomen. Parallelle stralen die een convexe lens binnenkomen, komen samen op een punt aan de andere kant van de lens. Wanneer echter parallelle stralen een concave lens binnendringen, divergeren ze of verspreiden ze zich aan de andere kant van de lens. Er wordt gezegd dat ze een 'virtueel brandpunt' hebben op de plek waar de divergerende stralen elkaar zouden ontmoeten als ze zich achterwaarts zouden uitstrekken naar de dichtstbijzijnde kant van de lens.

Lenzen kunnen ook worden gevormd met een cilindrisch oppervlak, convex of concaaf, dat een beeld in slechts één richting zal vergroten of verkleinen. Deze lenzen worden vaak gecombineerd met een bolvorm om een ​​torische of sferocylinderlens te produceren. Een dergelijke lens heeft de vorm van het oppervlak van een binnenste buis, d.w.z. deze heeft meer kromming in de ene richting dan de andere.

Deze vorm wordt vaak gebruikt in brillen om te corrigeren voor astigmatisme, een aandoening die wazig zicht veroorzaakt als gevolg van de onregelmatige vorm van het hoornvlies, de heldere voorkant van het oog of soms de kromming van de lens in het oog, volgens de Amerikaanse optometrische vereniging. Als u een bril buiten uw gezicht houdt en door één lens kijkt terwijl u deze draait, zorgt de astigmatische lens ervoor dat het beeld van vorm verandert.

Geometrische optica dekt echter niet alle gebieden van de optica. Fysieke optica omvat onderwerpen zoals diffractie, polarisatie, interferentie en verschillende soorten verstrooiing. Quantumoptica richt zich op het gedrag en de eigenschappen van fotonen, waaronder spontane emissie, gestimuleerde emissie (het principe achter lasers) en golf / deeltjes-dualiteit.

Jim Lucas is een freelance schrijver en editor gespecialiseerd in fysica, astronomie en engineering. Hij is algemeen directeur van Lucas Technologies.

Extra middelen

Elektromagnetisme en optica: een inleidende cursus (Richard Fitzpatrick, Universiteit van Texas in Austin)


Video Supplement: Spherical Mirrors.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com