Оптика — це розділ фізики, який вивчає світло та його взаємодію з речовиною. Він охоплює поведінку та властивості світла, включаючи його взаємодію з матеріалами та конструкцію інструментів, які його використовують або виявляють. Оптика є основою багатьох галузей, таких як астрономія, інженерія, фотографія та наука про зір.
Світло — це форма електромагнітного випромінювання, видима людським оком. Він поводиться і як хвиля, і як частинка, ця концепція відома як частково-хвильовий дуалізм. Як хвиля світло характеризується довжиною хвилі ( \(\lambda\) ) і частотою ( \(f\) ), які обернено пропорційні швидкості світла ( \(c\) ) через рівняння \(c = \lambda \cdot f\) . Як частинки, світло складається з фотонів, які переносять енергію.
Відбиття - це процес, за якого світло відбивається від поверхні. Закон відбиття стверджує, що кут падіння ( \(\theta_i\) ) дорівнює куту відбивання ( \(\theta_r\) ). Це можна виразити як \(\theta_i = \theta_r\) .
Заломлення - це згинання світла при переході з одного середовища в інше з іншим показником заломлення. Закон Снелла описує це явище і визначається як \(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)\) , де \(n_1\) і \(n_2\) — показники заломлення середовищ і \(\theta_1\) і \(\theta_2\) – кути падіння та заломлення відповідно.
Лінзи та дзеркала — це оптичні пристрої, які маніпулюють світлом шляхом відбиття та заломлення для формування зображень. Лінзи - це прозорі предмети з вигнутими поверхнями, які заломлюють світло. Залежно від форми вони можуть зближувати (фокусувати світлові промені) або розходити (розповсюджувати світлові промені) світло. Фокусна відстань ( \(f\) ) лінзи є мірою того, наскільки сильно вона збирає або розсіює світло, і обчислюється за формулою виробника лінзи \(\frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right)\) , де \(n\) — показник заломлення матеріалу лінзи, а \(R_1\) і \(R_2\) радіуси кривизни поверхонь лінз.
З іншого боку, дзеркала є відбиваючими поверхнями. Вони можуть бути плоскими (плоскі дзеркала) або криволінійними (сферичні дзеркала). Криві дзеркала також можуть бути як збіжними (увігнуті дзеркала), так і розбіжними (опуклі дзеркала). Фокусна відстань сферичного дзеркала визначається як \(f = \frac{R}{2}\) , де \(R\) — радіус кривизни дзеркала.
Дифракція - це огинання світла навколо кутів перешкоди або отвору. Він демонструє хвильову природу світла і є найбільш помітним, коли розмір перешкоди чи отвору можна порівняти з довжиною хвилі світла. Дифракційну картину можна розрахувати за формулою \(\sin(\theta) = \frac{m\lambda}{d}\) , де \(m\) — порядок максимуму, \(\lambda\) - довжина хвилі, а \(d\) - ширина щілини.
Інтерференція — це явище, коли дві або більше хвиль накладаються, утворюючи результуючу хвилю більшої, меншої або однакової амплітуди. Конструктивна інтерференція виникає, коли хвилі знаходяться в фазі, що призводить до максимуму амплітуди, тоді як деструктивна інтерференція виникає, коли хвилі знаходяться поза фазою, що призводить до мінімуму. Картина інтерференції від двох щілин може бути описана \(\Delta y = \frac{\lambda L}{d}\) , де \(\Delta y\) — відстань між яскравими смугами, \(L\) — відстань до екрана, а \(d\) — відстань між двома щілинами.
Електромагнітний спектр охоплює всі види електромагнітного випромінювання. Видиме світло — це лише невелика частина спектру, яке оточене ультрафіолетовим (УФ) світлом з одного боку та інфрачервоним (ІЧ) світлом з іншого. Спектр коливається від гамма-променів з дуже короткою довжиною хвилі до радіохвиль з дуже довгою довжиною хвилі. Кожен тип електромагнітного випромінювання має своє застосування, від медичних зображень (рентген) до бездротового зв’язку (радіохвилі).
Оптика має численні застосування в різних галузях. У медицині такі оптичні прилади, як мікроскопи та ендоскопи, дозволяють детально досліджувати тканини. У комунікації волоконна оптика використовує принцип повного внутрішнього відбиття для передачі інформації у вигляді світлових імпульсів на великі відстані. У повсякденному житті фотоапарати, окуляри та контактні лінзи допомагають нам знімати зображення, виправляти зір і бачити світ чіткіше.
Підсумовуючи, галузь оптики відіграє вирішальну роль у розумінні поведінки світла та його взаємодії з матерією. Він поєднує фундаментальні фізичні поняття з практичним застосуванням, суттєво впливаючи на технології, науку та наше повсякденне життя.
