Fysisk optikk vs. Geometrisk optikk: Definisjon og forskjeller

En forståelse av både geometrisk og fysisk optikk lar oss studere fenomener som skyldes både partikkel- og bølgeaspekter av lys.

Lys beveger seg gjennom rommet som elektromagnetiske bølger og som partikler. Som et resultat av dette partikkelbølgedualitet, når fysikere jobber med optikk (studiet av lys), må de tenke på forplantningen av lys på en av to måter, avhengig av applikasjonen.

Når du tenker på slike egenskaper ved lys som interferens, polarisering eller farge, er det å beskrive lys som tverrgående bølgefronter. Men når du bygger et teleskop eller en korrigerende linse og bestemmer hvordan lys skal reflektere, brytes og overføre, er det beste alternativet å tenke på lys som en stråle av partikler som beveger seg i rette linjer stråler.

Studiet av fysisk optikk bruker bølgenaturen til lys for å forstå slike fenomener som interferensmønstre forårsaket av lysbølger som passerer gjennom diffraksjonsgitter og spektroskopi. Fysisk optikk tok av som et felt på 1800-tallet etter flere viktige oppdagelser, inkludert eksistensen av lys utenfor det synlige spekteret av Sir Frederick William Herschel.

I fysisk optikk blir lys representert som en tverrgående bølgefront, som sinusformet eller "S-kurve" som også beskriver en bølge som beveger seg gjennom vannet med topper og kummer (høye og lave poeng). Med denne modellen følger lysbølger de samme reglene som andre tverrbølger - deres frekvenser og bølgelengder er omvendt proporsjonalt på grunn av bølgehastighetsligningen, og bølgefronter forstyrrer hverandre der de krysse.

For eksempel forstyrrer to kamper (høye punkter) eller to kummer (lave punkter) konstruktivt, noe som gjør den totale våpenhøyde henholdsvis høyere eller den totale trau. Der bølgefronter møtes ut av fase - et topp og et trau sammen - forstyrrer de destruktivt, enten helt eller delvis avbryter hverandre.

Å tenke på lys som en bølge er også nøkkelen til å forstå forskjellene mellom typer lys i det elektromagnetiske spektrum, slik som forskjellen mellom radio, synlige og røntgenstråler, siden disse typene er klassifisert etter deres bølge eiendommer. Dette betyr også at behandling av lys som en bølge er viktig i den fysiske fargenes optikk, siden det er en delmengde av den synlige delen av spekteret.

I geometrisk optikk bruker fysikere lysets partikkelart for å representere banen i rette linjer kjent som stråler. Geometrisk optikk har vært i bruk lenger enn fysisk optikk, ettersom folk hadde lært å designe enheter som bøy og fokuser lys for formål som å lage teleskoper og korrigerende linser i god tid før de forsto hvilket lys var. I 1600 var det vanlig å male linser med det formål å hjelpe menneskets syn.

Lysstråler tegnes som rette linjer som kommer fra en lyskilde og indikerer retningen lyset beveger seg. Et strålediagram brukes til å vise banene til flere representative lysstråler når de reflekterer, brytes og overføres gjennom forskjellige materialer for å bestemme målinger som brennvidde og størrelsen og retningen på det resulterende bilde.

Ved å spore banene til lysstråler, kan fysikere bedre forstå optiske systemer inkludert bildedannelse i tynne linser og plane speil, optiske fibre og andre optiske instrumenter. Gitt sin lange historie som felt, har geometrisk optikk ført til flere kjente lover om hvor lett spretter og bøyer, kanskje mest kjent, brytingsloven (Snells lov) og refleksjonsloven.