Choosing kinematic equations | One-dimensional motion | AP Physics 1 | Khan Academy (מאי 2024)
השתקפות ושבירה
קרני אור משנות כיוון כאשר הן משתקפות מעל פני שטח, עוברות ממדיום שקוף אחד למשנהו או עוברות דרך מדיום שהרכבו משתנה ללא הרף. חוק ההשתקפות קובע כי בהשתקפות משטח חלק, הזווית של הקרן המשתקפת שווה לזווית של קרן האירוע. (על פי המוסכמה, כל הזוויות באופטיקה גיאומטרית נמדדות ביחס לנורמלי לפני השטח - כלומר לקו הניצב לפני השטח.) הקרן המשתקפת נמצאת תמיד במישור המוגדר על ידי הקרן המקרית והנורמלי לפל. משטח. ניתן להשתמש בחוק ההשתקפות להבנת התמונות המיוצרות על ידי מראות מטוסות ומעוקלות. שלא כמו מראות, רוב המשטחים הטבעיים מחוספסים בקנה מידה של אורך הגל של האור, וכתוצאה מכך קרני אור מקריות משתקפות בכיוונים רבים ושונים, או באופן מפוזר. השתקפות מפוזרת אחראית ליכולת לראות את המשטחים המוארים ביותר מכל תנוחה - קרניים מגיעות לעיניים לאחר השתקפות מכל חלק משטח.
כאשר האור הנע במדיום שקוף אחד נתקל בגבול עם מדיום שקוף שני (למשל, אוויר וכוס), חלק מהאור משתקף וחלק מועבר למדיום השני. כאשר האור המועבר נע לתווך השני, הוא משנה את כיוון הנסיעה שלו; כלומר הוא מופר. חוק השבירה, המכונה גם החוק של סנל, מתאר את הקשר בין זווית השכיחות (θ 1) לזווית השבירה (θ 2), הנמדדת ביחס לרגיל ("קו אנכי") אל פני השטח, בתוך מונחים מתמטיים: n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2, כאשר n 1 ו- n 2 הם אינדקס השבירה של המדיה הראשונה והשנייה בהתאמה. מדד השבירה עבור כל מדיום הוא קבוע נטול ממדים השווה ליחס של מהירות האור בוואקום למהירותו באותה המדיום.
בהגדרה, מדד השבירה עבור ואקום הוא בדיוק 1. מכיוון שמהירות האור במדיום שקוף היא תמיד פחות ממהירות האור בוואקום, מדדי השבירה של כל המדיות גדולים מאחד, עם מדדים עבור חומרים שקופים טיפוסיים בין אחד לשניים. לדוגמא, מדד שבירה של אוויר בתנאים סטנדרטיים הוא 1.0003, מים הוא 1.33, וזכוכית היא בערך 1.5.
התכונות הבסיסיות של השבירה נגזרות בקלות מחוקו של סנל. כמות הכיפוף של קרן אור כאשר היא חוצה גבול בין שני אמצעי תקשורת מוכתבת על ידי ההבדל בשני מדדי השבירה. כאשר האור עובר למדיום צפוף יותר, הקרן כפופה לעבר הרגיל. לעומת זאת, האור המגיע בצורה אלכסונית מתווך צפוף יותר מתכופף מהנורמלי. במקרה המיוחד בו קרן האירוע היא בניצב לגבול (כלומר, שווה למקובל), אין שינוי בכיוון האור כאשר הוא נכנס למדיום השני.
החוק של סנל מסדיר את תכונות ההדמיה של עדשות. קרני אור העוברות דרך העדשה כפופות בשני משטחי העדשה. בעזרת תכנון נכון של עקומות המשטחים ניתן לממש אפקטים של מיקוד שונים. לדוגמה, קרניים שהתחלנו בתחילה ממקור אור בנקודה ניתנות לניתוב על ידי עדשה להתכנס בנקודה בחלל, ויוצרות תמונה ממוקדת. האופטיקה של העין האנושית מתרכזת בתכונות המיקוד של הקרנית והעדשה הגבישית. קרני אור מחפצים מרוחקים עוברות דרך שני המרכיבים הללו וממוקדות לתמונה חדה ברשתית הרגיש לאור. מערכות הדמיה אופטיות אחרות נעות בין יישומים פשוטים לעדשות יחיד, כגון זכוכית המגדלת, המשקפיים ועדשות המגע, ועד לתצורות מורכבות של עדשות מרובות. אין זה יוצא דופן שלמצלמה מודרנית יש כחצי תריסר מרכיבי עדשות נפרדים או יותר, שנבחרו לייצר הגדלות ספציפיות, למזער אובדי אור באמצעות השתקפויות לא רצויות ולמזער את עיוותי התמונה הנגרמת על ידי סטיות עדשות.
