Modelul razelor de lumină

Există trei moduri prin care lumina poate călători de la o sursă la o altă locație (Figura 1.4). Poate veni direct de la sursă prin spațiul gol, cum ar fi de la Soare la Pământ. Sau lumina poate călători prin diverse medii, cum ar fi aerul și sticla, către observator. Lumina poate ajunge și după ce este reflectată, cum ar fi o oglindă. În toate aceste cazuri, putem modela calea luminii ca o linie dreaptă numită rază.

(Trei metode prin care lumina să călătorească de la o sursă la o altă locație. (a) Lumina ajunge în atmosfera superioară a Pământului, călătorind prin spațiul gol direct de la sursă. (b) Lumina poate ajunge la o persoană călătorind prin medii precum aerul și sticla. (c) Lumina se poate reflecta și dintr-un obiect, cum ar fi o oglindă. În situațiile prezentate aici, lumina interacționează cu obiecte suficient de mari încât să se deplaseze în linii drepte, ca o rază.)

Experimentele arată că atunci când lumina interacționează cu un obiect de câteva ori mai mare decât lungimea sa de undă, ea călătorește în linii drepte și acționează ca o rază. Caracteristicile sale de undă nu sunt pronunțate în astfel de situații. Deoarece lungimea de undă a luminii vizibile este mai mică de un micron (o miime de milimetru), aceasta acționează ca o rază în numeroasele situații comune în care întâlnește obiecte mai mari de un micron. De exemplu, atunci când lumina vizibilă întâlnește ceva suficient de mare încât să o putem observa cu ochiul liber, cum ar fi o monedă, ea acționează ca o rază, cu caracteristici de undă în general neglijabile.

În toate aceste cazuri, putem modela calea luminii ca linii drepte. Lumina poate schimba direcția atunci când întâlnește obiecte (cum ar fi o oglindă) sau în trecerea de la un material la altul (cum ar fi trecerea de la aer la sticlă), dar apoi continuă în linie dreaptă sau ca o rază. Cuvântul „rază” provine din matematică și aici înseamnă o linie dreaptă care își are originea la un moment dat. Este acceptabil să vizualizați razele de lumină ca raze laser. Modelul cu raze de lumină descrie calea luminii ca linii drepte.

Deoarece lumina se mișcă în linii drepte, schimbând direcțiile atunci când interacționează cu materialele, calea sa este descrisă prin geometrie și trigonometrie simplă. Această parte a opticii, unde domină aspectul razelor de lumină, este de aceea numită optica geometrică. Două legi guvernează modul în care lumina își schimbă direcția atunci când interacționează cu materia. Acestea sunt legea reflexiei, pentru situațiile în care lumina se reflectă la suprafața materiei, și legea refracției, pentru situațiile în care lumina trece prin materie. Vom examina mai multe despre fiecare dintre aceste legi în secțiunile următoare ale acestui capitol.