Ottica geometrica

Ottica geometrica
I raggi di luce
Un raggio di luce è un fascio molto ristretto che può essere approssimato da una linea
sottile.
In un mezzo omogeneo, i raggi luminosi si propagano in linea retta
Indice di rifrazione: rapporto tra la velocità della luce nel
vuoto e nel mezzo
Velocità della luce
In fisica, la velocità della luce è la velocità di propagazione di un'onda
elettromagnetica, indicata tradizionalmente con la lettera c, dal latino celeritas
("velocità"), da quando nel 1894 fu così rappresentata da Paul Drude. Nel vuoto
assume un valore pari a c=299 792,458 km/s
La velocità della luce nel vuoto è una costante fisica indipendente dalla velocità
dell'oggetto che emette la radiazione, e quindi dal sistema di riferimento utilizzato.
Dal 21 ottobre 1983 si considera il valore c come esatto, ovvero senza errore, e a
partire da esso si definisce la lunghezza del metro nel Sistema Internazionale.
Secondo la relatività ristretta, c è inoltre la velocità massima a cui può viaggiare tutta
l'informazione nell'universo, ed è la velocità nel vuoto di tutte le particelle senza
massa e dei relativi campi
Riflessione dei raggi luminosi
Legge della riflessione: quando un raggio
luminoso incide su una superficie riflettente
Il raggio incidente, il raggio riflesso e la
normale alla superficie riflettente nel punto
di incidenza giacciono sullo stesso piano
L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di
riflessione
Riflessione speculare e
riflessione diffusa
Riflessione speculare: i raggi riflessi sono
paralleli fra loro.
Ciò accade se la superficie è ben levigata
Riflessione diffusa: i raggi sono riflessi in
direzioni diverse.
Questo accade quando la superficie
presenta degli avvallamenti
Gli specchi piani
Uno specchio piano è una superficie riflettente ben levigata e piana.
L’immagine della sorgente che si forma oltre lo specchio non è reale ma virtuale: nel
punto in cui si forma non arrivano i raggi emessi dalla sorgente
L’immagine di una sorgente prodotta da uno specchio piano:
È virtuale
È dritta
Ha le stesse dimensioni della sorgente
Ha la stessa distanza dallo specchio della sorgente
Riflessione totale
Nel passaggio da un mezzo più denso a uno meno
denso (per esempio dal vetro all'aria) la luce raggiunge
la superficie di separazione con un angolo di incidenza
superiore a un valore (caratteristico di ogni sostanza)
detto angolo limite, nel quale il raggio viene
completamente riflesso e non vi è rifrazione. Nel
passare da un mezzo all'altro, la luce si allontana dalla
perpendicolare alla superficie di separazione, quindi
l'angolo di rifrazione è superiore all'angolo di
incidenza.
Dispositivi basati sulla
riflessione
totale
Prismi: i prismi di vetro con angoli di 90°-45°-45° sono
utilizzati in vari dispositivi per deviare o riflettere i raggi
luminosi
Fibre ottiche: una fibra ottica è un sottilissimo cilindro di
materiale trasparente (di vetro o di plastica), il nucleo è
formato da un materiale con indice di rifrazione maggiore
di quello del mantello esterno.
La luce viene trasmessa all’interno della fibra ottica
attraverso continue riflessioni totali
Fenomeni basati sulla
riflessione totale
Miraggi: in un mezzo non omogeneo la traiettoria di un raggio
luminoso può essere curva perché l’indice di rifrazione cambia in
modo graduale da punto a punto. Di conseguenza gli oggetti
possono apparire deformati o collocati in posizioni diverse da
quelle reali
Fata morgana: i raggi di luce sono fortemente incurvati dal
passaggio attraverso strati d'aria a temperature diverse, in
condizioni di inversione termica, in cui la transizione tra gli strati
è caratterizzata da un brusco gradiente termico, con la
formazione di un condotto atmosferico.
La rifrazione dei raggi luminosi
Quando un raggio di luce incide sulla superficie di separazione di due mezzi
trasparenti, si divide in due raggi:
Un raggio riflesso nel mezzo da cui proviene il raggio incidente per il quale
vale la legge di riflessione
Un raggio trasmesso, detto raggio rifratto, che attraversa la superficie di
separazione e si propaga nel secondo mezzo
Legge della rifrazione di Snell
Quando un raggio luminoso passa da un mezzo
con indice di rifrazione n1 a un mezzo con
indice di rifrazione n2
Il raggio incidente, il raggio rifratto e la
normale nel punto di incidenza alla superficie
di separazione dei due mezzi giacciono sullo
stesso piano
L’angolo di incidenza ϴ1 e l’angolo di rifrazione
ϴ2 sono legati dalla relazione:
n1senϴ1=n2senϴ2
Effetti legati alla rifrazione
Oggetti immersi spezzati: i raggi
provenienti dalla parte immersa
dell’oggetto deviano, attraversando
la superficie.
I raggi rifratti sembrano
provenire da punti posti più vicino
alla superficie rispetto a quelli
originali
Effetti legati alla rifrazione (2)
Minore profondità apparente: i
raggi luminosi che giungono agli
occhi sono stati deviati dalla
rifrazione attraversando la
superficie dell’acqua e perciò
sembrano provenire da punti posti a
una profondità minore di quella
reale
Effetti legati alla rifrazione (3)
Lastre di vetro: quando guardiamo attraverso
una finestra, i raggi che giungono ai nostri occhi
hanno subito due rifrazioni passando dall’aria al
vetro e poi dal vetro all’aria: eppure le immagini
non sono deformate in modo apprezzabile.
Ciò accade perché il raggio incidente sul vetro e il
raggio uscente dal vetro sono paralleli.