Gaismas atstarošanās likumi

• Optisko instrumentu principiālās shēmas un raksturlielumi tiks pētīti.
• Redzes leņķim jābūt pietiekami lielam, lai varētu saskatīt, fotografēt vai iegūt informāciju no tālu esošiem vai maziem priekšmetiem.
• Acs spēj izšķirt priekšmeta divus punktus, ja to attēli nokļūst uz divām blakus esošām tīklenes šūnām.
• α ir leņķis, kura virsotne ir acs optiskajā centrā, bet stari vērsti uz priekšmeta galējiem punktiem.

Gaismas atstarošanās

• Gaismas atstarošanās notiek, gaismai sasniedzot robežvirsmu starp diviem materiāliem.
• Gaismas stari viendabīgā vidē izplatās taisnā virzienā.
• Krītošais stars ir apzīmēts ar "k", atstarotais - ar "a".
• Krišanas leņķis (α) ir leņķis starp krītošo staru un perpendikulu pret virsmu krišanas punktā.
• Krišanas plakne ir plakne, kurā atrodas krītošais stars un perpendikuls pret virsmu.
• Atstarošanās leņķis (β) ir leņķis starp atstaroto staru un perpendikulu pret virsmu.
• Krītošais stars, perpendikuls un atstarotais stars atrodas vienā plaknē.

Gaismas atstarošanās likums

• Atstarošanās leņķis (β) ir vienāds ar krišanas leņķi (α).

Spoguļatstarošanās

• Notiek, kad paralēli stari pēc atstarošanās no virsmas turpina izplatīties paralēli, mainot virzienu.
• Jebkura gludi nopulēta virsma, kuras nelīdzenumi nepārsniedz gaismas viļņa garumu, var kalpot par spoguļvirsmu.

Difūzā atstarošanās

• Notiek, kad paralēli stari, krītot uz nelīdzenas virsmas, izkliedējas dažādos virzienos.
• To var novērot no matētām virsmām.
• Pateicoties izkliedētai gaismai, mēs varam saredzēt ķermeņus.

Attēla konstruēšana plakanā spogulī

• Lai ieraudzītu attēlu, skatāmies pretī atstarotajiem stariem un turpinām tos aiz spoguļa.
• Stari no priekšmeta punkta P atstarojas atbilstoši atstarošanās likumam; atstaroto staru turpinājumi krustojas punktā A, kur acs saskata punkta P attēlu.
• Attēls A atrodas uz perpendikula pret spoguli AP, tikpat lielā attālumā no spoguļa, kā punkts P.
• Pietiek uzzīmēt divus no priekšmeta uz spoguli krītošus starus, lai konstruētu spoguļattēlu.
• Ja stari pēc atstarošanās krustojas, veidojas reāls attēls; ja krustojas to turpinājumi aiz spoguļa, veidojas šķietams attēls.
• Reālu attēlu var projicēt uz ekrāna, šķietamu - redzēt tikai ar aci.
• Plakanā spogulī attēls ir vienliels ar priekšmetu, šķietams un tiešs.
• Priekšmeta un attēla attālumi līdz spogulim ir vienādi.
• Lai redzētu sevi pilnā augumā, nepieciešams spogulis, kura augstums ir puse no cilvēka auguma.

Sfērisks spogulis

• Sfēriska spoguļa atstarojošā virsma ir sfēras segments.
• Sfēras centrs (O) ir spoguļa centrs.
• Spoguļa segmenta centrs (P) ir spoguļa virsotne.
• Attālums starp O un P ir sfēras rādiuss (R).
• Simetrijas ass caur O un P ir galvenā optiskā ass.
• Citas taisnes caur O, kas šķērso spoguļa virsmu, ir optiskās blakusasis.
• Ieliekts spogulis: atstarojošā ir segmenta iekšējā virsma.
• Izliekts spogulis: atstarojošā ir segmenta ārējā virsma.

Ieliekts spogulis

• Galvenie raksturlielumi: spoguļa centrs O, spoguļa fokuss F, fokusa attālums F, liekuma rādiuss R.
• Galvenā īpašība: sakopo paralēlu staru kūli.
• Paralēlu staru kūlis, kas krīt tuvu galvenajai asij, atstarojas un krustojas fokusā F.
• Fokuss F atrodas fokusa attālumā F no spoguļa virsotnes.

Attēla konstruēšana ieliektā spogulī

• Konstruē vismaz divu staru gaitu no priekšmeta punkta.
• Stars, kas iet paralēli galvenajai asij, atstarojas caur fokusu.
• Stars, kas iet caur fokusu, atstarojas paralēli galvenajai asij.
• Stars, kas iet caur spoguļa centru, atstarojas atpakaļ caur centru.
• Attēls ir atkarīgs no priekšmeta attāluma līdz spogulim.

Spoguļa formula

• Saista fokusa attālumu F, priekšmeta attālumu d un attēla attālumu f.
• Ieliekta spoguļa fokusa attālums F ir pozitīvs.
• Reāla attēla attālums f ir pozitīvs, šķietama - negatīvs.

Izliekts spogulis

• Gaismas stari izkliedējas.
• Attēls vienmēr ir šķietams, tiešs, samazināts, neatkarīgs no priekšmeta attāluma.
• Fokusa attālums F un attēla attālums f spoguļa formulā ir negatīvi.

Spoguļu izmantošana

• Plakani spoguļi: vienlielu attēlu iegūšanai vai gaismas virziena maiņai.
• Sfēriski spoguļi: virsmu apgaismojuma palielināšanai vai palielināta/samazināta attēla iegūšanai.
• Sfēriskiem/paraboliskiem spoguļiem var ievērojami palielināt virsmas apgaismojumu, novietojot gaismas avotu fokusā.
• Gaismas avotam atrodoties ieliekta spoguļa fokusā, atstarotie stari veido galvenajai asij paralēlu staru kūli.
• Šo īpašību izmanto automašīnu lukturos un prožektoros.
• Optiskajos teleskopos par objektīvu izmanto lielu, ieliektu spoguli ar alumīnija pārklājumu.

Gaismas Laušana

• Gaisma izplatās tikai caurspīdīgā vidē.
• Gaiss, ūdens un stikls ir caurspīdīgi redzamajai gaismai.
• Vakuumā gaismas ātrums ir vienāds ar c ≈ 3 ⋅ 108 m/s.
• Vidē gaismas ātrums ir mazāks un vienāds ar v = c/n.
• n ir videi raksturīgs gaismas laušanas koeficients.
• Gaismas laušanas koeficients dotajā vidē rāda, cik reizes gaismas ātrums vidē ir mazāks nekā vakuumā.

Gaismas laušanas koeficients

• Norāda, cik reizes viendabīgā, caurspīdīgā vidē gaismas izplatīšanās ātrums ir mazāks nekā vakuumā.

Lēcas

• Lēcas maina gaismas staru gaitu un iegūst attēlus.
• Par lēcu var izmantot jebkuru gaismai caurspīdīgu ķermeni ar liektām virsmām, uz kurām notiek gaismas staru lūšana.
• Lēcas iedala izliektās (biezākas vidū) un ieliektās (plānākas vidū) lēcās.
• Lēcā gaismas stari lūst divreiz: ieejot un izejot no lēcas.
• Plānas lēcas ir tad, kad lēcas biezums strauji mainās no centra uz malām.

Savācējlēcas

• Izliektas lēcas ir savācējlēcas.
• Paralēli stari, kas krīt uz izliektas lēcas paralēli tās galvenajai optiskajai asij, pēc iziešanas caur lēcu savācas un krustojas lēcas fokusā (F).

Izkliedētājlēcas

• Ieliektās lēcas ir izkliedētājlēcas.
• Paralēlu staru kūlis, izejot caur ieliektu lēcu, izkliedējas, un izklīstošo staru turpinājumi krustojas lēcas pretējās puses fokusā.

Staru gaita lēcās

• Ja uz lēcu krītošs paralēls staru kūlis pēc laušanas kļūst saejošs, tad lēca ir savācējlēca.
• Ja paralēls staru kūlis pēc laušanas lēcā izkliedējas, tad lēca ir izkliedētājlēca.

Attēla konstruēšana lēcās

• Lai konstruētu attēlu, no katra raksturīgā priekšmeta punkta jānovelk vismaz divi uz lēcu krītošie stari.
• Jāatrod tiem atbilstošie lauztie stari vai šo staru turpinājumi.
• Attēla punkti ir lauzto staru krustpunkti.
• Konstruēšanai ieteicams izvēlēties starus, kuru gaita lēcā ir iepriekš zināma.

Lēcas formula

• Priekšmeta un attēla savstarpējo novietojumu plānai lēcai nosaka trīs attālumi: lēcas fokusa attālums (F), priekšmeta attālums līdz lēcas centram (d) un attēla attālums līdz lēcas centram (f).
• Šos attālumus saista formula: ​ 1/F = 1/d + 1/f
• Reālo lielumu skaitliskās vērtības jāņem ar plusa zīmi, bet šķietamo - ar mīnusa zīmi.
• Savācējlēcas fokusa attālums (F) ir pozitīvs, bet izkliedētājlēcas fokusa attālums (F) ir negatīvs.

Lēcas lineārais palielinājums

• Attiecību starp attēla augstumu (H) un priekšmeta augstumu (h) sauc par lēcas lineāro palielinājumu.
• H/h = f/d

Optiskie Instrumenti

• Biežāk izmantotie optiskie instrumenti ir lupa, mikroskops, tālskatis, teleskops, lādiņsaites matrica, fotoaparāts, projektors.
• Acs spēj izšķirt priekšmeta divus punktus, ja to attēli nokļūst uz divām blakus esošām tīklenes šūnām.
• Redzes leņķis α ir leņķis, kura virsotne atrodas acs optiskajā centrā, bet stari ir vērsti uz priekšmeta galējiem punktiem.

Lupa

• Vienkāršākais instruments redzes leņķa palielināšanai ir lupa - ietvarā nostiprināta neliela savācējlēca.
• Lupu tur tuvu acīm, lai aplūkojamais priekšmets atrastos pirms lupas fokusa.
• Lupa veido šķietamu, tiešu un palielinātu attēlu, kas atrodas labākās redzes attālumā.
• Acs saskata attēlu lielākā redzes leņķī αL nekā pašu priekšmetu.
• Lupas palielinājumu aprēķina pēc formulas Γ = d0/F, kur d0 = 0,25 m ir labākais redzes attālums, bet F ir lēcas fokuss.

Mikroskops

• Lai iegūtu lielāku leņķisko palielinājumu, izmanto optiskos mikroskopus, kuros ir divas lēcu sistēmas - objektīvs un okulārs.
• Objektīvs ir lēca, pirms kuras novieto aplūkojamo priekšmetu, bet okulārs ir lēca, kurā skatās.
• Abas lēcu sistēmas ir ievietotas kopējā tubusā un darbojas kā savācējlēcas.
• Novērojamo objektu novieto pirms objektīva priekšējā fokusa, bet okulāru novieto tā, lai priekšmeta reālais un apgrieztais attēls atrastos ļoti tuvu okulāra galvenajam fokusam.
• Mikroskopā redz šķietamu, apgrieztu un palielinātu attēlu.
• Mikroskopa palielinājumu aprēķina pēc formulas Γ = (L*d0) / (Fob * Fok), kur d0 ir labākais redzes attālums, L ir attālums starp objektīva aizmugurējo fokusu un okulāra priekšējo fokusu, Fob ir objektīva fokusa attālums, bet Fok ir okulāra fokusa attālums.

Tālskatis

• Lai palielinātu tālu priekšmetu redzes leņķi, izmanto tālskatus un binokļus, kuru galvenās sastāvdaļas ir objektīvs un okulārs.
• Tālskatī no tāla priekšmeta nākošais paralēlais staru kūlis arī pēc iziešanas caur optisko sistēmu paliek paralēls, savietojot objektīva aizmugurējo fokusu ar okulāra priekšējo fokusu.
• No tāla priekšmeta nākošie stari veido šķietamu, apgrieztu priekšmeta attēlu, kas atrodas tuvu objektīva aizmugurējai fokālajai plaknei un kuru aplūko caur okulāru.
• Okulārs darbojas kā lupa un palielina redzes leņķi. Šādu teleskopisku sistēmu sauc par Keplera tālskati.
• Lai attēlu pagrieztu, tālskatī ievieto papildus lēcas vai prizmas.
• Tālskata palielinājumu aprēķina pēc formulas Γ = Fob / Fok, kur Fob ir objektīva fokusa attālums, bet Fok ir okulāra fokusa attālums.
• Galileja tālskatī kā okulāru izmanto izkliedētājlēcu.

Teleskops

• Teleskops savāc vājo zvaigžņu gaismu vienkopus un koncentrē spīdošā punktā ar milzīgas lēcas vai spoguļa palīdzību.
• Teleskopa galvenās sastāvdaļas ir objektīvs un starojuma uztvērējs.
• Mūsdienu optiskajos teleskopos par objektīvu izmanto lielu, ieliektu spoguli, un šādus teleskopus sauc par reflektoriem.
• Spoguli izgatavo no stikla un pārklāj ar plānu alumīnija kārtiņu, kas labi atstaro gaismu.
• Par starojuma uztvērējiem optiskajos teleskopos izmanto lādiņsaites matricas.
• Lādiņsaites matrica ir plāksnīte, kas sastāv no daudzām sīkām, gaismjutīgām silīcija pusvadītāju šūnām jeb pikseļiem, kuros gaismas informācija tiek pārvērsta elektriskajos signālos.

Fotoaparāts

• Fotoaparāts jeb fotokamera ir sadzīvē vispazīstamākā ierīce, kurā ir lēcas.
• Mūsdienu fotokamerās un videokamerās objektīvi ir vairāku lēcu sistēmas, kurās lēcu skaits ir no trīs līdz sešām lēcām, un tās var būt gan savācējlēcas, gan izkliedētājlēcas.
• Ass attēls veidojas objektīva fokālajā plaknē jeb fokusa attālumā no objektīva optiskā centra, kurā atrodas fotojūtīgais materiāls (fotofilma) vai lādiņsaites matrica.

Projektors

• Projektors ir ierīce, ar kuras palīdzību uz ekrāna var iegūt palielinātu attēlu.
• Projektorā ir gaismas avots — speciāla spuldze, kas apgaismo matricu, uz kuras tiek elektroniski izveidots attēls atkarībā no ienākošajiem videosignāliem.
• Optiskā sistēma, kurā ietilpst gan spogulis, gan lēcas, šo attēlu projicē uz ekrāna.