Розуміння як геометричної, так і фізичної оптики дозволяє нам вивчати явища, що виникають як з частинок, так і з хвиль аспектів світла.
Властивості світла
Світло рухається у космосі у вигляді електромагнітних хвиль і як частинки. В результаті цього подвійність частинок-хвиля, коли фізики працюють з оптикою (вивченням світла), вони повинні думати про поширення світла одним із двох способів, залежно від застосування.
Думаючи про такі характеристики світла, як перешкоди, поляризація або колір, опис світла як поперечні фронти хвиль - це шлях. Але при побудові телескопа або коригуючої лінзи і визначенні того, як світло буде відбиватися, заломлюватися і передавати, найкращим варіантом є думати про світло як промінь частинок, що рухаються по прямих лініях промені.
Хвильова оптика і хвильова теорія світла
Вивчення фізичної оптики використовує хвильову природу світла для розуміння таких явищ, як інтерференційні картини, спричинені світловими хвилями, що проходять через дифракційні решітки та спектроскопію. Фізична оптика стала полем у 1800-х роках після кількох ключових відкриттів, включаючи існування світла поза видимим спектром сером Фредеріком Вільямом Гершелем.
У фізичній оптиці світло представлено у вигляді поперечного фронту хвилі, як синусоїдальний або "S-крива", яка також описує хвилю, що рухається по воді з гребенями та жолобами (високі та низькі бали). З цією моделлю світлові хвилі дотримуються тих самих правил, що й інші поперечні хвилі - їх частоти та довжини хвиль обернено пропорційні через рівняння швидкості хвилі, і хвильові фронти заважають один одному, де вони перетинаються.
Наприклад, заважають два гребені (високі точки) або два жолоби (низькі точки), які перекриваються конструктивно, роблячи загальний гребінь вище або загальний корито нижче. Там, де хвильові фронти стикаються поза фазою - гребінь і жолоб разом - вони заважають деструктивно, повністю або частково скасовуючи один одного.
Мислення світла як хвилі також є ключовим для розуміння відмінностей між типами світла в електромагнітному спектр, такий як різниця між радіо, видимим та рентгенівським променями, оскільки ці типи класифікуються за їх хвилею властивості. Це також означає, що поводження зі світлом є важливим для фізичної оптики кольору, оскільки це є підмножиною видимої частини спектра.
Геометрична оптика та трасування променів
В геометричній оптиці фізики використовують природу частинок світла, щоб зобразити його шлях прямими лініями, відомими як промені. Геометрична оптика використовується набагато довше, ніж фізична оптика, оскільки люди навчилися конструювати такі пристрої згинати та фокусувати світло для таких цілей, як виготовлення телескопів та коригуючих лінз задовго до того, як вони зрозуміли, що таке світло було. До 1600 року шліфування лінз для сприяння зору людини було звичним явищем.
Світлові промені малюються як прямі лінії, що виходять від джерела світла і вказують напрямок, в якому рухається світло. Промінна діаграма використовується для відображення шляхів декількох репрезентативних світлових променів, коли вони відбиваються, заломлюються і пропускають через різні матеріали для того, щоб визначити такі вимірювання, як фокусна відстань та розмір та орієнтація отриманого зображення.
Простежуючи шляхи променів світла, фізики можуть краще зрозуміти оптичні системи, включаючи формування зображення в тонких лінзах і плоских дзеркалах, оптичних волокнах та інших оптичних приладах. Враховуючи свою довгу історію як поле, геометрична оптика призвела до кількох відомих законів про те, як світло підстрибує і згинається, мабуть, найвідоміший закон заломлення (закон Снелла) і закон відбиття.