Riflessione e rifrazione

La luce si riflette e viaggia a velocità e direzioni diverse, o rifrange, a seconda del materiale attraverso il quale si sta propagando, provocando molti fenomeni ottici interessanti.

Quando un raggio di luce colpisce la superficie di un mattone di vetro, una parte di esso cambia direzione all'interfaccia per tornare nel mezzo da cui ha avuto origine; Questa è la riflessione. E il resto della luce cambia la sua direzione all'interfaccia e viaggia attraverso il blocco di vetro per conservare energia e slancio; Questa è la rifrazione.

Le lenti che si trovano nei sistemi ottici come i microscopi utilizzano la riflessione e la rifrazione per creare immagini che possono essere percepite dall'occhio umano.

Qui, discuteremo prima i principi e i parametri della riflessione e della rifrazione. Quindi dimostreremo questi fenomeni in un sistema in cui l'aria e l'acqua sono i due mezzi. Successivamente, studieremo i modi in cui le lenti creano immagini, seguiti da alcune applicazioni nel campo dell'ottica.

Per comprendere i principi e i parametri della riflessione e della rifrazione, scegliamo due mezzi: acqua e aria.

Il primo parametro chiave da notare è l'"indice di rifrazione", 'n' - una caratteristica del mezzo attraverso il quale viaggia la luce. È definito come il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto, 'c', e la velocità della luce nel mezzo, 'v'. Poiché l'n dell'aria è inferiore a quella dell'acqua, la luce viaggia più lentamente attraverso l'acqua rispetto all'aria.

Supponiamo ora che i due mezzi, acqua e aria, siano in contatto tra loro lungo un'interfaccia.

Ora, quando la luce viaggia dall'acqua all'aria e colpisce l'interfaccia, una parte di essa viene riflessa all'interfaccia e il resto viene rifratta o piegata di un angolo che dipende dagli indici di rifrazione dei due mezzi. Sia la riflessione che la rifrazione dipendono anche da un altro parametro: l'angolo di incidenza, o ?i.

Questo è l'angolo tra la luce incidente e la normale all'interfaccia aria-acqua all'interno del primo mezzo, l'acqua. L'"angolo di riflessione" è misurato tra la luce riflessa e la stessa normale all'interno del primo mezzo, l'acqua, ed è uguale all'angolo di incidenza. Mentre l'"angolo di rifrazione", o ?r, è l'angolo tra la luce rifratta e la normale all'interfaccia aria-acqua nel secondo mezzo, l'aria.

L'angolo di rifrazione dipende quindi dall'angolo di incidenza e dagli indici di rifrazione dei due mezzi. La legge della rifrazione o legge di Snell fornisce una relazione tra tutti questi parametri.

Ora, se l'angolo di incidenza viene lentamente aumentato, ad un certo punto la luce apparirà lungo l'interfaccia acqua-aria, e l'angolo di rifrazione sarà uguale a 90 gradi. Questo angolo di incidenza è chiamato "angolo critico". Si noti che può accadere solo se l'indice di rifrazione del primo mezzo è maggiore del secondo.

In questa stessa condizione, se l'angolo di incidenza viene ulteriormente aumentato, il raggio di luce viene rifratto così bruscamente da essere completamente riflesso nel primo mezzo da cui la luce ha avuto origine. Questo fenomeno è chiamato Riflessione Interna Totale.

Dopo aver esaminato i parametri che influenzano la riflessione e la rifrazione, vediamo come eseguire un esperimento in un laboratorio di fisica che convalida questi principi. Raccogli tutti i materiali e le attrezzature necessarie, tra cui una vasca di rifrazione specializzata con un raggio di luce.

Riempire metà della vasca di rifrazione con acqua. Accendere il fascio di luce e dirigere il raggio verso metà del serbatoio riempito d'acqua.

Utilizzando un goniometro, misurare l'angolo di incidenza del raggio di luce o l'angolo misurato nell'acqua tra il raggio di luce e la normale all'interfaccia aria-acqua. Inoltre, misurare l'angolo di rifrazione o l'angolo misurato in aria tra il raggio di luce e la normale all'interfaccia aria-acqua

Ora, all'aumentare dell'angolo di incidenza, si raggiunge un punto in cui il raggio di luce appare lungo l'interfaccia aria-acqua. Prendere nota di questo angolo di incidenza, in quanto è l'angolo critico per la riflessione interna totale.

Successivamente, continuare ad aumentare l'angolo di incidenza ruotando la sorgente luminosa in senso antiorario. Il raggio rifratto viene ora completamente riflesso nell'acqua, dimostrando la Riflessione Interna Totale.

Successivamente, spostare la sorgente luminosa in modo che il raggio entri nella metà dell'aria della vasca prima di entrare in acqua. Ripetere il protocollo per il nuovo percorso del raggio di luce per vari angoli di incidenza e registrare l'angolo di rifrazione corrispondente.

Parliamo ora delle lenti, che sfruttano la riflessione e la rifrazione della luce per creare immagini reali e virtuali degli oggetti. Tutte le lenti, sia convesse che concave, hanno una lunghezza focale "f", che è la distanza dalla lente alla quale i raggi luminosi provenienti da una distanza infinitamente lontana verranno focalizzati dopo essere passati attraverso la lente. Per le lenti convesse f è positivo e per le lenti concave f è negativo.

Quando un oggetto viene posizionato davanti a una lente, crea un'immagine. La "Thin Lens Equation", fornisce una relazione matematica tra la lunghezza focale 'f', la distanza tra l'oggetto e l'obiettivo, 'o', e la distanza tra l'obiettivo e l'immagine, 'i'.

È questa distanza matematica dell'immagine 'i' che ci dice se un'immagine formata dalla lente è reale o virtuale. Se la 'i' calcolata matematicamente è positiva, allora l'immagine formata sarà reale, e se è negativa l'immagine sarà virtuale.

Per una lente convessa, quando la distanza dell'oggetto 'o' è maggiore della lunghezza focale 'f', la distanza dell'immagine calcolata matematicamente 'i' sarà positiva e si formerà un'immagine reale. Ciò è dovuto alla convergenza fisica dei raggi di luce che provengono dall'oggetto, come l'immagine catturata da una fotocamera o da un microscopio.

Tuttavia, quando la distanza dell'oggetto 'o' è inferiore alla lunghezza focale 'f', la distanza dell'immagine calcolata matematicamente 'i' è negativa e si forma un'immagine virtuale. Questo perché i raggi di luce sembrano convergere ma in realtà divergono fisicamente, e i nostri occhi costruiscono un punto di origine per loro. Questo si osserva nel caso di una lente d'ingrandimento, dove si forma un'immagine virtuale ingrandita.

Per le lenti concave, i raggi luminosi che provengono dall'oggetto passano attraverso la lente e divergono sempre. Pertanto, la 'i' calcolata è sempre negativa e l'immagine creata è sempre virtuale.

In questa sezione, convalideremo la formazione di immagini reali e virtuali utilizzando semplici lenti convesse e concave. Raccogli i materiali necessari, vale a dire una lente convessa, una lente concava, un foglio di carta bianca, un piccolo oggetto distintivo e un morsetto per tenere la carta verticalmente

Per prima cosa, posiziona la lente convessa tra l'oggetto e il pezzo di carta. Assicurati che siano tutti in linea e alla stessa altezza.

Spostare l'oggetto e la carta finché non viene visualizzata un'immagine nitida dell'oggetto sulla carta. Questa immagine vista sulla carta è un'immagine reale, in quanto può essere catturata su uno schermo.

Ora misura la distanza tra l'obiettivo e l'oggetto e tra l'obiettivo e la carta. Utilizzare l'equazione della lente sottile per determinare la lunghezza focale della lente.

Quindi, metti da parte la carta e avvicina l'oggetto all'obiettivo finché la distanza tra l'obiettivo e l'oggetto non è inferiore alla lunghezza focale dell'obiettivo. Guarda attraverso l'obiettivo e osserva l'immagine.

Sostituire la lente convessa con una concava. Guarda attraverso la lente concava e osserva l'immagine virtuale degrandita.

Ora che abbiamo completato il protocollo sperimentale, esaminiamo come analizzare i dati ottenuti. Nel primo esperimento, abbiamo misurato l'angolo di incidenza e l'angolo di rifrazione all'interfaccia acqua-aria.

Usando la legge di Snell e sostituendo i valori di questi angoli nell'equazione, insieme all'indice di rifrazione dell'aria, possiamo calcolare l'indice di rifrazione dell'acqua, che risulta essere 1,33.

Questo calcolo può quindi essere ripetuto per i vari angoli di incidenza e rifrazione. La media di tutti gli indici di rifrazione calcolati fornirà una misurazione più accurata dell'indice di rifrazione dell'acqua.

Possiamo anche calcolare l'angolo critico per la riflessione interna totale usando la legge di Snell. Questo è l'angolo di incidenza quando l'angolo di rifrazione è uguale a 90 gradi. Riorganizza questa equazione per risolvere l'angolo critico.

Utilizzando la media precedentemente calcolata per l'indice di rifrazione dell'acqua, la legge di Snell prevede che l'angolo critico di incidenza sia di 48,8 gradi. Questo è molto vicino all'angolo misurato sperimentalmente, verificando così la legge di Snell.

Quando il raggio di luce viene proiettato dall'aria all'acqua, la riflessione interna totale non si verifica nemmeno ad angoli superiori a 48,8 gradi, poiché la luce sta ora viaggiando da un mezzo di indice inferiore a uno superiore.

Nell'esperimento con le lenti, l'equazione della lente sottile rivela che per una distanza dell'oggetto di 11,02 centimetri dalla lente e una distanza dell'immagine di circa 9,21 centimetri, la lunghezza focale della lente è di circa 5,02 centimetri.

Nel caso in cui l'oggetto venga osservato attraverso una lente convessa, a una distanza inferiore alla sua lunghezza focale, si osserva una versione ingrandita dell'oggetto. Si tratta di un'immagine virtuale, in quanto non può essere catturata su uno schermo. Allo stesso modo, quando si utilizza la lente concava, si osserva un'immagine virtuale degrandificata dell'oggetto.

L'ottica, in particolare le lenti ottiche, viene utilizzata in ogni ambito della vita, dalla fotografia all'imaging medico all'occhio umano.

Le fibre ottiche sono utilizzate per la trasmissione di dati in molte applicazioni odierne, come la trasmissione di segnali telefonici. Queste fibre sono costituite da un nucleo, un rivestimento e un rivestimento esterno protettivo o tampone e altri strati di rinforzo.

Il rivestimento guida i dati sotto forma di impulsi luminosi lungo il nucleo utilizzando il metodo della riflessione interna totale. Questa proprietà della trasmissione dei dati consente alle telecamere in fibra ottica utilizzate dai medici di visualizzare spazi ristretti nel corpo umano.

La microscopia è il campo dell'utilizzo dei microscopi per visualizzare oggetti che non sono visibili ad occhio nudo. La microscopia ottica o ottica prevede il passaggio della luce visibile, che viene rifratta o riflessa dal campione, attraverso una o più lenti per consentire una visione ingrandita del campione. L'immagine risultante può essere rilevata direttamente dall'occhio o catturata digitalmente.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla riflessione e alla rifrazione. A questo punto dovresti comprendere i principi della rifrazione, la legge di Snell e la riflessione interna totale, nonché la teoria alla base delle lenti e il modo in cui creano le immagini. Come sempre, grazie per la visione!