06 Geometrin e optika 1

Σχετικά έγγραφα
Matematika 1 4 dalis

Dviejų kintamųjų funkcijos dalinės išvestinės

04 Elektromagnetinės bangos

I.4. Laisvasis kūnų kritimas

LIETUVOS JAUNŲ J Ų MATEMATIKŲ MOKYKLA

I dalis KLAUSIMŲ SU PASIRENKAMUOJU ATSAKYMU TEISINGI ATSAKYMAI

1 TIES ES IR PLOK TUMOS

FDMGEO4: Antros eilės kreivės I

X galioja nelygyb f ( x1) f ( x2)

Elektronų ir skylučių statistika puslaidininkiuose

Matematika 1 3 dalis

Specialieji analizės skyriai

ANALIZINĖ GEOMETRIJA III skyrius (Medžiaga virtualiajam kursui)

GEOMETRINĖS OPTIKOS PAGRINDAI

Vilniaus universitetas. Edmundas Gaigalas A L G E B R O S UŽDUOTYS IR REKOMENDACIJOS

0.1. Bendrosios sąvokos

1. Individualios užduotys:

Paprastosios DIFERENCIALINĖS LYGTYS

Specialieji analizės skyriai

0.1. Bendrosios sąvokos

Paprastosios DIFERENCIALINĖS LYGTYS

Įžanginių paskaitų medžiaga iš knygos

4.1 Skaliarinė sandauga erdvėje R n Tarkime, kad duota vektorinė erdvė R n. Priminsime, kad šios erdvės elementai yra vektoriai vektoriu

2015 M. MATEMATIKOS VALSTYBINIO BRANDOS EGZAMINO UŽDUOTIES VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinė sesija. I dalis

MATEMATINĖ LOGIKA. Įžanginių paskaitų medžiaga iš knygos

2.5. KLASIKINĖS TOLYDŽIŲ FUNKCIJŲ TEOREMOS

FUNKCIJOS. veiksmu šioje erdvėje apibrėžkime dar viena. a = {a 1,..., a n } ir b = {b 1,... b n } skaliarine sandauga

1.4. Rungės ir Kuto metodas

LIETUVOS ŽEMĖS ŪKIO UNIVERSITETAS Vandens ūkio ir žemėtvarkos fakultetas Fizikos katedra. Juozas Navickas FIZIKA. I dalis MOKOMOJI KNYGA

ŠVIESOS SKLIDIMAS. FOTOMETRIJA. LĘŠIAI IR OPTINIAI PRIETAISAI. ŠVIESOS BANGINĖS SAVYBĖS

Kompiuterinė lazerių fizika. Viktorija Pyragaitė

1 Tada teigini Ne visi šie vaikinai yra studentai galima išreikšti formule. 2 Ta pati teigini galima užrašyti ir taip. 3 Formulė U&B C reiškia, kad

t. y. =. Iš čia seka, kad trikampiai BPQ ir BAC yra panašūs, o jų D 1 pav.

Spalvos. Šviesa. Šviesos savybės. Grafika ir vizualizavimas. Spalvos. Grafika ir vizualizavimas, VDU, Spalvos 1

Paprastosios DIFERENCIALINĖS LYGTYS

IV. FUNKCIJOS RIBA. atvira. intervala. Apibrėžimas Sakysime, kad skaičius b yra funkcijos y = f(x) riba taške x 0, jei bet kokiam,

Papildomo ugdymo mokykla Fizikos olimpas. Mechanika Dinamika 1. (Paskaitų konspektas) 2009 m. sausio d. Prof.

VIII. FRAKTALINĖ DIMENSIJA. 8.1 Fraktalinės dimensijos samprata. Ar baigtinis Norvegijos sienos ilgis?

ŠVIESOS SKLIDIMAS IZOTROPINĖSE TERPĖSE

TRANSPORTO PRIEMONIŲ DINAMIKA

MECHANINIS DARBAS, GALIA, ENERGIJA. TVERMĖS DĖSNIAI MECHANIKOJE. HIDRODINAMIKA

15 darbas ŠVIESOS DIFRAKCIJOS TYRIMAS

1 iš 15 RIBOTO NAUDOJIMO

Elektrotechnikos pagrindai

2009 m. matematikos valstybinio brandos egzamino VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinė sesija 1 6 uždavinių atsakymai

Kodėl mikroskopija? Optinė mikroskopija: įvadas. Žmogaus akis. Žmogaus akis. Žmogaus akis. Vaizdo formavimasis žmogaus akyje

2008 m. matematikos valstybinio brandos egzamino VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinė sesija

1 Įvadas Neišspręstos problemos Dalumas Dalyba su liekana Dalumo požymiai... 3

AUTOMATINIO VALDYMO TEORIJA

. (2 taškai) (1 taškas) . (2 taškai) . (2) (2 taškai)

Arenijaus (Arrhenius) teorija

Balniniai vožtuvai (PN 16) VRG 2 dviejų eigų vožtuvas, išorinis sriegis VRG 3 trijų eigų vožtuvas, išorinis sriegis

Matematinis modeliavimas

III. MATRICOS. DETERMINANTAI. 3.1 Matricos A = lentele žymėsime taip:

V skyrius ĮVAIRŪS PALŪKANŲ APSKAIČIAVIMO KLAUSIMAI

Temos. Intervalinės statistinės eilutės sudarymas. Santykinių dažnių histogramos brėžimas. Imties skaitinių charakteristikų skaičiavimas

III.Termodinamikos pagrindai

Gabija Maršalkaitė Motiejus Valiūnas. Astronomijos pratybų užduočių komplektas

EKONOMETRIJA 1 (Regresinė analizė)

PNEUMATIKA - vožtuvai

1. Įvadas. Laisvųjų dalelių kvantinės mechanikos elementai

2014 M. FIZIKOS VALSTYBINIO BRANDOS EGZAMINO UŽDUOTIES VERTINIMO INSTRUKCIJA Pagrindinė sesija

Ketvirtos eilės Rungės ir Kutos metodo būsenos parametro vektoriaus {X} reikšmės užrašomos taip:

Remigijus Leipus. Ekonometrija II. remis

AIBĖS, FUNKCIJOS, LYGTYS

Taikomieji optimizavimo metodai

A priedas. Diagnostikoje naudojami tarptautiniai ISO standartai

XXXVII TARPTAUTINĖ FIZIKOS OLIMPIADA 2006 m. liepos 8 17 d., Singapūras

KADETAS (VII ir VIII klasės)

M A T E M A T I K O S P R A K T I K U M A S S U M A T H C A D

Ekonometrija. Trendas ir sezoninė laiko eilutės komponentė

Analizės uždavinynas. Vytautas Kazakevičius m. lapkričio 1 d.

VI SKYRIUS VI SKYRIUS OPTINĖ HOLOGRAFIJA

1. Vektoriu veiksmai. Vektoriu skaliarinė, vektorinė ir mišrioji sandaugos

ELEMENTARIOJI TEORIJA

, t.y. per 41 valandą ir 40 minučių. (3 taškai) v Braižome h = f(t) priklausomybės grafiką.

Matematinės analizės konspektai

DISKREČIOJI MATEMATIKA

1. Pirštu atspaudu atpažinimas

Statistinė termodinamika. Boltzmann o pasiskirstymas

II dalis Teisingas atsakymas į kiekvieną II dalies klausimą vertinamas 1 tašku g/mol

Vilius Stakėnas. Kodavimo teorija. Paskaitu. kursas

Vilniaus universitetas Matematikos ir informatikos fakultetas Informatikos katedra. Gintaras Skersys. Mokymo priemonė

Taikomoji branduolio fizika

. Variklio veikimo trukę laikome labai maža. ir β ir apskaičiuokite jo skaitinę vertę esant β = 1/ 4 ( )

KAIP VYKSTA FOTOSENSIBILIZACIJA BIOLOGINĖSE SISTEMOSE?

VILNIAUS UNIVERSITETAS MATEMATIKOS IR INFORMATIKOS FAKULTETAS PROGRAMŲ SISTEMŲ KATEDRA. Algoritmų teorija. Paskaitų konspektas

LIETUVOS RESPUBLIKOS ÐVIETIMO IR MOKSLO MINISTERIJA NACIONALINIS EGZAMINØ CENTRAS 2014 METŲ MATEMATIKOS VALSTYBINIO BRANDOS EGZAMINO REZULTATŲ

XI. MIKROSKOPAI OPTINĖS SISTEMOS. XI. Mikroskopai. sites.google.com/site/optinessistemos/ 2016 pavasario semestras

Šotkio diodo voltamperinės charakteristikos tyrimas

Elektroninio mikroskopo tyrimas

Puslaidininkių fizikos laboratoriniai darbai

Fizika. doc. dr. Vytautas Stankus. Fizikos katedra Matematikos ir gamtos mokslų fakultetas Kauno Technologijos Universitetas

Lina Ragelienė, Donatas Mickevičius. Fizikin chemija. Praktiniai darbai

Balniniai vožtuvai (PN 16) VRB 2 dviejų angų, vidiniai ir išoriniai sriegiai VRB 3 trijų angų, vidiniai ir išoriniai sriegiai

ELEKTRONIKOS VADOVĖLIS

Matematinė logika. 1 skyrius Propozicinės formulės. žodį, Graikiškas žodis logos (λóγoς) reiškia

Π Ο Λ Ι Τ Ι Κ Α Κ Α Ι Σ Τ Ρ Α Τ Ι Ω Τ Ι Κ Α Γ Ε Γ Ο Ν Ο Τ Α

AVIACINĖS RADIOLOKACINĖS SISTEMOS

ATSITIKTINIAI PROCESAI. Alfredas Račkauskas. (paskaitų konspektas 2014[1] )

Transcript:

06 Geometrinė optika 1

0.1. EIKONALO LYGTIS 3 Geometrinėje optikoje įvedama šviesos spindulio sąvoka. Tai leidžia Eikonalo lygtis, kuri išvedama iš banginės lygties monochromatinei bangai - Helmholtco lygties. Remdamiesi Eikonalo lygtim bei Ferma principu išvesime Snelijaus šviesos lūžimo dėsnį. Pritaikysime jį užrašant plonojo lęšio matricą, kurią žinodami išvesime gerai žinomus plonojo lęšio dėsnius. 0.1 Eikonalo lygtis 04 dalyje, nagrinėjant elektromagnetinį lauką, buvo gauta banginė lygtis: 2 Φ 1 c 2 2 t 2 Φ 0, 1 kur Φ - elektrinio lauko stipris E arba magnetinė indukcija B. Terpėje šviesos greitis sumažėja n kartų palyginus su greičiu vakuume c. Čia n - lūžimo rodiklis. Taigi terpėje banginė lygtis užrašoma taip: 2 Φ 1 2 Φ 0. 2 v 2 t 2 Čia v - bangos sklidimo greitis. Matėme 05 dalis, kad bet koks signalas gali būti išskaidytas į monochromatinių bangų komponentus. Monochromatinės bangos dažnio ω atveju Φ Ψre iωt, 3 kur Ψr yra funkcija nuo radius vektoriaus r. Įrašę 3 išraišką į 2 lygtį, gauname 2 Ψ + k0ψ 2 0. 4 Čia k 0 ω/c. 4 lygtis yra vadinama Helmholtco lygtimi. Išvesime Eikonalo lygtį. Remdamiesi matematiniu sąryšiu perrašom 4 lygtį 1 2 Ψ Ψ x 2 2 x 2 ln Ψ + x ln Ψ 2 1 Ψ 2 Ψ + k0 2 2 ln Ψ + [grad ln Ψ] 2 + k0 2 0. 6 Ieškosime šios lygties sprendinio pavidalu 5 Ψr Are isr. 7 Čia A yra ieškoma funkcija nuo r, Sr vadinamas Eikonalu. Įrašę 7 sprendinį į 6 lygtį, gauname lygtį 2 ln A + [grad ln A] 2 grad S 2 + k 2 0 +i [ 2 S + 2grad ln A grad S] 0. 8

4 Atskirę realią bei menamąją šios lygties dalis, gauname bei 2 ln A + [grad ln A] 2 grad S 2 + k 2 0 0 9 2 S + 2grad ln A grad S 0. 10 Tai yra dvi lygtys dviejų kintamųjų - A ir S - atžvilgiu. Plokščios bangos atveju turėtume grads k 1/λ, kur k nk 0 - banginis skaičius bangos, sklindančios terpėje. Tegul dydis A kinta daug lėčiau negu S, t. y. jo kitimas žymus atstume l λ. Tuomet, remdamiesi 5 sąryšiu, gauname Iš 9 lygties tuomet seka 2 ln A + [grad ln A] 2 1 A 2 A 1 l 2 1 λ 2. 11 grad S 2 k 2 0. 12 Tai yra Eikonalo lygtis. Prisiminkime, kad Helmholtco lygties 4 sprendinys yra 7 išraiška. Lygtis Sr const 13 yra paviršiaus, vadinamo bangos frontu, lygtis. Vektorius grad Sr yra statmenas tam paviršiui vektorius. Jis nurodo šviesos spindulio kyptį taške r. 0.2 Ferma principas 1: pav. Šviesos spindulio trajektorija netolydžioje terpėje.

0.3. SNELIJAUS DĖSNIS 5 Panagrinėkime, kokia bus šviesos spindulio trajektorija, sujungianti taškus P 1 ir P 2 netolydžioj terpės, kurioje lūžimo rodiklis nr nepastovus 1 paveikslėlis. Funkcijos Ψ fazės pokytis išilgai trajektorijos l yra ds grad S dr grad S dr k 0 nrdl. 14 Suintegravę ds nuo taško P 1 iki taško P 2, gauname P2 P 1 ds k P2 0 P 1 nrdl k 0 c P 2 dl P ω P 2 dl 1 v P. 15 1 v Integralas P 2 dl P 1 yra laikas, per kurį šviesa nusklinda nuo pirmojo taško iki antrojo. Ferma principas teigia, kad šviesa renkasi tokį kelią, kad ši trukmė būtų mini- v mali. 0.3 Snelijaus dėsnis 2: pav. Snelijaus dėsnio išvedimui. Panagrinėkime šviesos spindulio lūžimą, sklindant iš vieno optinio tankio terpės į kito tankio terpę. Pasinaudokime Ferma principu, kad įrodytume Snelijaus dėsnį.

6 Tegu pirmosios terpės lūžimo rodiklis, kitos -, šviesa sklinda iš taško P 1 į tašką P 2 2 pav.. Keičiant atstumą x, keičiasi sklidimo trukmė. Išdiferencijavę trukmę pagal x ir prilyginę išvestinę nuliui, gausim lygtį x vertei, kuri atitinka minimaliąją trukmę. Taigi, sklidimo iš taško P 1 į tašką P 2 trukmė t yra lygi t c l 2 1 + x 2 + c l 2 2 + a x 2. 16 Čia l 1, l 2 yra statmenys į terpes ribojantį pavirčių. Iš sąlygos gauname Iš 2 brėžinio matome, kad t 0 17 x x a x 0. 18 c l1 2+x2 c l2 2+a x2 x sin θ l 2 i, 1 +x 2 a x sin θ l 2 t. 2 +a x 2 19 Čia θ 1, θ t yra atitinkamai kritimo ir lūžimo kampai. Iš 19 ir 18 lygybių gauname sin θ i sin θ t. 20 Ši formulė yra Snelijaus dėsnis. 0.4 Matricinė optika 0.4.1 Laisvojo sklidimo matrica Perejęs kokią nors optinę sistemą, spindulys pakeičia koordinatę y bei sklidimo kampą θ. Optinė sistema charakterizuojama ABCD matrica, kuri susieja naujus koordinatę bei kampą su senais. Šis sąryšis užrašomas taip: y2 A B y1. 21 θ 2 C D θ 1 Paprasčiausias pavyzdys - laisvojo sklidimo ABCD matrica. Iš 3 schemos matome, kad y 2 y 1 + θ 1 d, 22 θ 2 θ 1.

0.4. MATRICINĖ OPTIKA 7 3: pav. Laisvasis sklidimas. Čia d yra laisvojo sklidimo atstumas. Pirmoji 22 lygybė galioja esant pakankamai mažiems sklidimo kampams. Taigi, laisvojo sklidimo ABCD matrica yra A B C D 1 d 0 1 0.4.2 Spindulio lūžimo terpių sandūroje matrica. 23 4: pav. Lūžimas terpių sandūroje. Spindulio lūžimas terpių sandūroje pavaizduotas 4 paveikslėlyje. Mažų kampų atveju iš Snelijaus dėsnio 20 seka θ 2 θ 1. 24

8 Pasinaudoję 24 formule bei sąryšiu y 1 y 2, galime užrašyti lūžimo matricą: A B 1 0 C D 0 n. 25 1 Pasinaudoję Snelijaus lūžimo dėsniu užrašysime plonojo lęšio matricą. 0.4.3 Plonojo lęšio matrica 5: pav. Lęšio matricos išvedimui. Šviesos spindulio sklidimas lęšiu pavaizduotas 5 paveikslėlyje. Lęšio paviršius yra dviejų sferų, radiusų r 1 bei r 2, paviršiai. Rasime kampo θ 2 sąryšį su kampu θ 1. Mažų kampų atveju iš Snelijaus dėsnio turime Iš brėžinio matome, kad Įrašę 27 lygybes į 26 lygtį, gauname Tačiau todėl Iš šios lygties gauname sąryšį tarp kampų: α 1 α 2. 26 α 1 θ 1 + ϕ, α 2 θ 2 + ϕ. 27 θ 1 + ϕ θ 2 + ϕ. 28 ϕ y 1 r 1, 29 θ1 + y 1 r 1 n2 θ2 + y 1 r 1. 30 θ 2 r 1 y 1 + θ 1. 31

0.5. PLONOJO LEŠIO SAVYBES 9 Taigi, lūžimo pimajame paviršiuje matrica užrašoma taip y2 1 0 y1. 32 θ 2 r 1 Po lūžimo spingulys sklinda lęšiu atstumą. Sklidimą bendru atveju aprašo 23 matrica, kurioje d. Tačiau, jei lęšis plonas ir galim tarti, kad 0, tuomet sklidimą aprašo vienetinė matrica. 32 formulėje sukeitę su bei vietoj r 1 užrašę r 2, gauname lūžimo matricą antrajame paviršiuje: r 2 1 0 r 2 r 1 θ 1. 33 Beliko sudauginti 32 ir 33 matricas, kad gautume plonojo lęšio matricą M L : 1 0 1 0 1 0 M L. 34 1/f 1 Čia 1 1 1 f r 1 1 r 2. 35 Matysime, kad f turi lęšio židinio nuotolio prasmę. 0.5 Plonojo lęšio savybes 6: pav. Lygiagretaus optinei ašiai spindulio lūžimas. Panagrinėkime atvejį, kai spindulio sklidimo kampas prieš lęšį θ 1 0, 6 paveikslėlis. Pasinaudoję lęšio matricos išraišką 34 bei 21 formule, gauname y 2 y 1, θ 2 y 1 f. 36

10 Mažų kampų atveju θ 2 tan θ 2, todėl f yra atstumas nuo lęšio iki taško optinėje ašyje, kurioje kertasi lygiagretūs spinduliai. Šis taškas vadinamas lęšio židiniu. 7: pav. Spindulio sklidimas per optinį centrą. Kitas galimas atvejis - sklidimas per optinį centrą, 7 paveikslėlis. sąlygos y 1 0 ir lygties y2 θ 2 1 0 1/f 1 0 θ 1 Vien iš. 37 gauname y 2 0, θ 2 θ 1. Vadinasi per optinį centrą spindulys sklinda nekeisdamas krypties. 38 8: pav. Plonojo lęšio formulės išvedimui.

0.6. UŽDUOTIS 11 Žinodami pastarąsias dvi plonojo lęšio savybes, galime išvesti plonojo lęšio formulę. Iš 8 paveikslėlio matome, kad yra dvi poros panašių trikampių. Jiems galiioja sąryšiai: h 1 d 1 h 2 d 2, h 1 f h 2 Išreiškę iš abiejų lygybių santykį h 1 /h 2, gauname Apvertę šią lygybę gauname arba Pastaroji lygybė yra plonojo lęšio formulė. 0.6 Užduotis d 2 f. 39 d 1 d 2 f. d 2 f 40 d 2 f 1 d 2 d 1 41 1 f 1 d 1 + 1 d 2. 42 Rasti 9 paveikslėlyje pavaizduotos sistemos ABCD matricą. 9: pav. Dviejų lęšių sistema.