Օպտիկական երևույթներ

Օպտիկական երևույթներ

Լույս: Լույսի տարածումը համասեռ միջավայրում:

 Լույսը շատ կարևոր դեր է կատարում մարդու կյանքում:

Լույսի շնորհիվ մենք կարողանում ենք ճանաչել մեզ շրջապատող աշխարհը:

Լույսն է, որ Արեգակից Երկիր հասնելով մեր մոլորակի վրա կյանքի գոյության համար անհրաժեշտ պայմանններ է ստեղծում:

Իսկ ի՞նչ է լույսը:

Լույսի բնույթի վերաբերյալ առաջին գիտական տեսությունը ստեղծել է Իսահակ Նյուտոնը 17-րդ դարում:

Ըստ Նյուտոնի.

Լույսը կազմված է փոքրիկ մասնիկներից՝ կորպուսկուլներից, որոնք լուսատու մարմինը առաքում է բոլոր ուղղություններով՝ ճառագայթների երկայնքով:

Գրեթե միաժամանակ, հոլանդացի գիտնական Քրիստիան Հյուգենսը առաջարկել է լույսի ալիքային տեսությունը:

Ըստ Հյուգենսի.

Լույսը առաձգական ալիք է՝ լույսի աղբյուրից հեռացող համակենտրոն գնդոլորտների տեսքով:

Վակումում լույսի տարածումը հերքեց լույսի՝ առաձգական ալիք լինելը: Սակայն 19-րդ դարի երկրորդ կեսին, էլեկտրամագնիսական ալիքների փորձնական ստացումը, լույսի և էլետրամագնիսական ալիքների արագության համընկնելը, թույլ տվեց Մաքսվելին և Հերցին իրենց աշխատություններում հաստատել լույսի ալիքային բնույթը և լույսը նույնացնել էլետրամագնիսական ալիքի հետ:

Լույս կամ տեսանելի ճառագայթում են անվանում 400−800ՏՀց (1ՏՀց=1012 Հց) հաճախության էլեկտրամագնիսական ալիքները, որոնք մարդու մոտ կարող են առաջացնել տեսողական զգայություններ:

Տարբեր հաճախությունների ճառագայթումները մարդու մոտ տարբեր գույների զգայություններ են առաջացնում՝ սկսած կարմիրից՝ 400−480ՏՀց, մինչև մանուշակագույն՝ 670−800ՏՀց:

Հետագայում Ալբերտ Այնշտայնը՝ ֆոտոէֆեկտի երևույթը բացատրելիս, նորից անդրադարձավ լույսի մասնիկային բնույթին և ցույց տվեց, որ

ճառագայթելիս և կլանվելիս, լույսը իրենից ներկայացնում է լուսային մասնիկների՝ ֆոտոնների հոսք:

Այսպիսով լույսն ունի հատկությունների երկակիություն:

Սակայն անկախ այն բանից, թե ինչ բնույթ ունի լույսը՝ մասնիկների հոսք է, թե էլեկտրամագնիսական ալիք, այն ներկայացվում է որպես ճառագայթներ, որոնք սկսվում են լուսատու մարմնից և տարածվում բոլոր ուղղություններով՝ ցույց տալով լուսային էներգիայի տարածման ուղղությունը:

Տեսանելի տիրույթում ճառագայթող մարմնին անվանում են լույսի աղբյուր:

Եթե լույսի աղբյուրի չափերը շատ փոքր են մինչև լուսավորվող մարմին ընկած հեռավորության համեմատ, ապա այն անվանում են լույսի կետային աղբյուր: 

Լույսի աղբյուրները բաժանվում են նաև բնական և արհեստական աղբյուրների:

Լույսի բնական աղբյուրներն են՝ Արեգակը, աստղերը, կայծակը, լուսատիտիկը և այլն:

Լույսի արհեստական աղբյուրներն են՝ ջերմային աղբյուրները (շիկացման լամպ, գազայրիչի բոց, մոմի լույս և այլն) և ոչ ջերմային աղբյուրները (ցերեկային լույսի լամպ, լուսադիոդ, լազեր, հեռուստացույցի կամ համակարգչի էկրան):

Լույսի աղբյուր կարող են լինել ոչ միայն լուսատու մարմինները, այլև այն մարմինները, որոնք անրադարձնում են իրենց վրա ընկած լույսը բոլոր ուղղություններով, դարռնալով տեսանելի:

Այդպիսի աղբյուրներ են՝ Լուսինը, մոլորակները և մեր շուրջը գտնվող բոլոր տեսանելի առարկաները:

Լույսի տարածումը համասեռ միջավայրում:

Ֆիզիկայի այն բաժինը, որն ուսումնասիրում է լույսի հետ կապված երևույթները, կոչվում է օպտիկա:

Օպտիկայի այն բաժինը, որն ուսումնասիրում է լուսային ճառագայթների տարածման օրինաչափությունները՝ հաշվի չառնելոով նրանց ալիքային հատկությունները, կոչվում է երկրաչափական օպտիկա: 

Երկրաչափական օպտիկայի օրենքներից մի քանիսը հայտնագործվել է լույսի բնույթը պարզելուց շատ առաջ:

Այդպիսի օրենքներից է՝ լույսի ուղղագիծ տարածման օրենքը, որը ձևակերպել է հույն գիտնական Էվկլիդեսը՝ մ. թ. ա. երրորդ դարում:

Համասեռ, թափանցիկ միջավայրում լույսն ուղղագիծ է տարածվում:

Դրանում կարելի է համոզվել փորձերի օգնությամբ, որոնք հարմար է կատարել լազերային ցուցափայտի արձակած ճառագայթով: Այս կերպ կարող ենք տեսնել, որ ապակե անոթի մեջ լցված ջրում՝ համասեռ, թափանցիկ միջավայրում, լազերային ճառագայթը տարածվում է ուղիղ գծով:

Լույսի ուղղագիծ տարածման հետևանք են հստակ ստվերները, որոնք ընկնում են անթափանց մարմիններից, երբ դրանք լուսավորվում են լույսի կետային աղբյուրից:

Օրինակ՝ եթե կետային լույսի աղբյուրի և էկրանի միջև անթափանց գունդ տեղադրենք, ապա էկրանի վրա մուգ շրջանի տեսքով ստվեր կհայտնվի:

Ստվերն այն տեղն է, որտեղ չի ընկնում լույսի աղբյուրի լույսը:

Եթե լույսի կետային աղբյուրի փոխարեն օգտագործվի ավելի մեծ չափեր ունեցող աղբյուր՝ լամպ, ապա հստակ ստվերի փոխարեն լուսավորված ֆոնին կստանանք ստվեր և կիսաստվեր:

Դա ոչ միայն չի հակասում, այլ, ևս մեկ անգամ հաստատում է լույսի ուղղագիծ տարածման օրենքը:

Այն մասում, որտեղ լույս չի ընկնում լամպի և ոչ մի կետից, լիակատար ստվեր է, իսկ այն տիրույթում, որտեղ լույսը միայն որոշ կետերից է ընկնում՝ առաջանում է կիսաստվեր:

Հսկայական չափերի ստվեր և կիսաստվեր գոյանում են Արևի և Լուսնի խավարումների ժամանակ:

Արևի խավարումն առաջանում այն դեպքում, երբ Լուսինը՝ Երկրի շուրջը իր պտույտի ժամանակ, ամբողջովին կամ մասնակիորեն ծածկում է Արեգակը:

Իսկ, երբ Լուսինն է հայտնվում Երկրագնդի առաջացրած ստվերի կոնի մեջ, ապա տեղի ունենում Լուսնի խավարում:

Լուսնի խավարումների ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տվել Արիստոտելին՝ մ. թ. ա. չորրորդ դարում, եզրակացնել, որ Երկիրը գնդաձև է, ինչի վկայությունը Լուսնի վրա Երկրագնդի ստվերի շրջանաձև լինելն է: 

Լույսի անդրադարձման օրենքը

Լույսը ընկնելով մարդու աչքի մեջ առաջացնում է տեսողական զգացողություն, որի հետևանքով մենք տեսնում ենք լույսի աղբյուրը և բոլոր այն մարմիններն ու մակերևույթները, որոնք անդրադարձնում են իրենց վրա ընկնող լուսային ճառագայթները: Լավ անդրադարձնող մակերևույթ է հայելին: 

Այն կարող է անդրադարձնել լուսային էներգիայի մոտ 90%-ը:

Լույսի անդրադարձումը ենթարկվում է որոշակի օրենքի, որը հայտնագործել է Հին Հունաստանի գիտնական Էվկլիդեսը:

 Այս օրենքը սահմանելու համար հարմար է օգտվել օպտիկական սկավառակ կոչվող սարքից:

Օպտիկական սկավառակում լույսի աղբյուր է ծառայում փոքրիկ լամպը, որը գտնվում է շարժական լուսարարի ներսում:

Լուսարարից դուրս եկող լույսի նեղ փունջը՝ AO լույսի ճառագայթը, տարածվում է սկավառակի մակերևույթին և նրա մասնիկների կողմից ցրվելով դառնում է տեսանելի:

Սկավառակի կենտրոնում տեղադրված հարթ հայելուց AO ճառագայթը անդրադառնում է և սկավառակի վրա առաջացնում OBանդրադարձած ճառագայթ:

Ստացված պատկերը վկայում է այն մասին, որ AO ճառագայթը, հայելու հարթությանը տարված OC ուղղահայացը և OB անդրադարձած ճառագայթը գտնվում են միևնույն՝անկման հարթության մեջ:

  Ընկնող ճառագայթի և անդրադարձնող մակերևույթին տարված ուղղահայացի միջև կազմած անկյունը կոչվում է անկման անկյուն՝    α (ալֆա):

Անդրադարձած ճառագայթի և անդրադարձնող մակերևույթին տարված ուղղահայացի միջև կազմած անկյունը կոչվում է անդրադարձման անկյուն՝  ՝γ (գամմա):

Տեղափոխելով լույսի աղբյուրը սկավառակի եզրով կարող ենք համոզվել.

Անդրադարձած ճառագայթն ընկած է անկման հարթության վրա, ընդ որում անկման անկյունը հավասար է անդրադարձման անկյանը՝ α=γ : 

Փորձնական տվյալների վրա հիմնված այս օրենքը կոչվում է անդրադարձման օրենք:

Նկատենք նաև, որ եթե փորձում լույսի ճառագայթը ընկնի անդրադարձնող մակերևույթի վրա BO ուղղությամբ, ապա անդրադառնալուց հետո այն կանցնի OA ուղղությամբ: Այս հատկությունը կոչվում է լուսային ճառագայթների շրջելիություն:

Հարթ հայելի:

Առօրյա կյանքում մեծ կիրառություն ունեն հարթ, անդրադարձնող մակերևույթները, որոնց անվանում ենք հարթ հայելի:

Երբ առարկան գտնվում է հայելու առաջ, ապա թվում է, թե հայելու հետևում նույնպիսի առարկա է գտնվում: Այն ինչ մենք տեսնում ենք հայելում, կոչվում է առարկայի պատկեր: 

Հասկանալու համար, թե ինչպես է առաջանում առարկայի պատկերը հարթ հայելիում, հետևենք հայելու դիմաց տեղադրված S լույսի կետային աղբյուրից դուրս եկող SO1 և SO2 ճառագայթներին: Այդ ճառագայթները հասնելով հարթ հայելուն՝ նրանից կանդրադառնան համաձայն անդրադարձման օրենքի, այսինքն նույն անկյան տակ, ինչ անկյան տակ որ ընկնում է հարթ հայելու վրա:

Անդրադարձումից հետո ճառագայթները տարամիտող փնջով ընկնում են դիտողի աչքի մեջ: Դիտորդը լույսի աղբյուրը կտեսնի այն կետում, որ կետում կհատվեն այդ տարամիտող ճառագայթների մտովի շարունակությունները (կետագծերով նշված), այսինքն S1 կետում:

Այդ կետն էլ՝ S1-ը, հենց S կետային աղբյուրի պատկերն է հարթ հայելում:

S1 պատկերը կոչվում է կեղծ, քանի որ ստացվում է ոչ թե լույսի իրական ճառագայթների այլ դրանց երևակայական շարունակությունների հատումից:

Այսպիսով, հարթ հայելում պատկերը միշտ կեղծ է լինում: 

Օգտվելով եռանկյունների հավասարության հայտանիշներից կարելի է ապացուցել, որ S1O=SO

Սա նշանակում է. հարթ հայելում պատկերն նրանից գտնվում է նույն հեռավորության վրա, ինչ հեռավորության վրա նրա դիմաց գտնվում է լույսի աղբյուր:

Կատարելով փորձ հարթ թափանցիք ապակու, վառվող և հանգած մոմերով: Փորձով կարելի է համոզվել, որ վառվող մոմի պատկերը այդ՝ մասամբ անդրադարձնող ապակու մյուս կողմում կեղծ է, քանի որ, եթե պատկերի երևացող բոցի վրա թղթի կտոր պահենք այն չի այրվի:

Կատարելով համապատասխան չափումներ քանոնով կարելի է համոզվել, որ վառվող մոմը և նրա կեղծ պատկերը ապակուց գտնվում են նույն հեռավորության վրա:

Փորձը ցույց է տալիս նաև, որ մոմի պատկերի բարձրությունը հավասար է իրական մոմի բարձրությանը;

Արդյունքները ամփոփելով կարելի ասել, որ հարթ հայելում առարկաների պատկերները միշտ լինում են.

Ուշադրություն

1. կեղծ

2. ուղիղ (չշրջված)

3. չափերով հավասար առարկայի

4. հայելուց նույն հեռավորության վրա, ինչ հեռավորության վրա նրա դիմաց տեղադրված  է առարկան:

Այլ կերպ ասած՝ հարթ հայելում առարկայի պատկերը համաչափ է առարկային հայլելու հարթության նկատմամբ:

Սակայն հայելում առարկայի պատկերի և առարկայի միջև կան նկատվող տարբերություններ: Հայելային անդրադարձումը միշտ աջը ձախ է փոխում և հակառակը:

Այդ պատճառով հնարավոր չէ հայելում կարդալ տեքստերը:

Հայելին ունի մեծ կիրառություններ կենցաղում, տարբեր օպտիկական սարքերում: Այդպիսի հայտնի սարքերից է պերիսկոպը, որը կիրառվում է տանկերից, սուզանավերից, խրամատներից, տարբեր թաքստոցներից նայելու համար: