Zakoni geometrijske optike

Svjetlost je transverzalni elektromagnetski val. To znači da električno i magnetsko polje koji tvore valove svjetlosti titraju okomito na smjer širenja svjetlosti. Svjetlost se kao i drugi elektromagnetski valovi može širiti i vakuumom te je najbrža u njemu, a njezina se brzina i valna duljina mijenjaju (smanjuju) prelaskom u drugo sredstvo. Brzina širenja svjetlosti u vakuumu je konstanta i iznosi:

Zakon pravocrtnog širenja svjetlosti i neovisnost svjetlosnih snopova

Širenje svjetlosti kroz neko sredstvo opisujemo valnom zrakom. To je širenje pravocrtno. Kada imamo više različitih snopova svjetlosti oni se prostorom šire neovisno jedan o drugome.

Zakon refleksije (odbijanja) svjetlosti

Svjetlost se kao i drugi valovi može odbijati nailaskom na određenu površinu. Površine koje reflektiraju svjetlosne zrake zovemo zrcala.

Zraka svjetlosti koja dolazi iz izvora i nailazi na površinu od koje se reflektira zove se upadna zraka, a zraka koja se odbija zove se reflektirana zraka. Kut koji upadna zraka zatvara s okomicom na sredstvo refleksije \(\alpha\) jednak je kutu koji reflektirana zraka zatvara s istom okomicom \(\beta\) - zakon refleksije svjetlosti.

Zakon loma (refrakcije) svjetlosti

Kada svjetlost nailazi na granicu dvaju prozirnih sredstava dolazi do loma svjetlosti. Lom svjetlosti ovisi o optičkoj gustoći sredstava koju nazivamo indeksom loma. Indeks loma nam govori koliko će se puta brzina svjetlosti u nekom sredstvu smanjiti u odnosu na brzinu svjetlosti u vakuumu:

Indeks loma vakuuma (zraka) iznosi \(n=1\). Svjetlost se kroz svako drugo sredstvo giba sporije i manjom valnom duljinom. Općenito, što je veći indeks loma to su manja brzina i valna duljina svjetlosti u tom sredstvu. Pri svakom prelasku svjetlosti iz jednog u drugo sredstvo imamo zraku loma, ali i reflektiranu zraku. Kut između upadne zrake i okomice na granicu dvaju sredstava nazivamo upadni kut \(\alpha\). Kut koji zraka u drugom sredstvu (zraka loma) zatvara s istom granicom zovemo kut loma \(\beta\). Kut reflektirane zrake u odnosu na okomicu jednak je upadnom kutu.

Pri prelasku iz optički rjeđeg u optički gušće sredstvo, tj. pri prelasku iz sredstva manjeg u sredstvo većeg indeksa loma svjetlost se lomi "prema okomici". Kut loma tada je manji od upadnog kuta te se brzina i valna duljina svjetlosti smanjuju.

Pri prelasku iz optički gušćeg u optički rjeđe sredstvo, svjetlost se lomi "od okomice". Kut loma je veći od upadnog kuta pa su se brzina i valna duljina svjetlosti u rjeđem sredstvu povećale.

Snellov zakon loma

Općenito, umnožak indeksa loma sredstva iz kojeg svjelost dolazi i sinusa upadnog kuta jednak je umnošku indeksa loma sredstva u koje svjetlost prolazi i sinusa kuta loma - Snellov zakon loma.

Totalna refleksija

Pri prelasku svjetlosti iz optički gušćeg u optički rjeđe sredstvo kut loma je veći od upadnog kuta i svjetlost se lomi "od okomice". Ako povećavamo upadni kut time povećavamo i kut loma te u jednom trenutku možemo postići da je kut loma jednak 90°. Tada svjetlost ne prolazi u drugo sredstvo već kažemo da se sva reflektira na granici i tu pojavu zovemo totalna refleksija. Minimalni kut pri kojemu dolazi do pojave totalne refleksije zovemo graničnim kutem totalne refleksije \(\alpha_g\) i iz Snellovog zakona možemo doći do izraza za njega: