Oglinzi și lentile: reflexia și refracția luminii

Oglinzile și lentilele sunt cele mai cunoscute dispozitive optice, iar ambele se bazează pe felul în care lumina își schimbă direcția la întâlnirea cu o suprafață. Oglinda o întoarce înapoi, prin reflexie. Lentila o îndoaie, pe măsură ce lumina trece prin ea, prin refracție. Din aceste două fenomene derivă ochelarii, microscopul, aparatul foto și telescopul.

Dacă ai pus vreodată o lingură într-un pahar cu apă și ai văzut-o „ruptă” la suprafața lichidului, ai observat refracția. Dacă te-ai uitat în oglinda de baie, ai observat reflexia. Mai jos vezi legile simple din spatele lor și felul în care le folosim.

Ce este reflexia luminii și care este legea ei?

Reflexia este întoarcerea luminii de la o suprafață și respectă o regulă simplă: unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie. Unghiurile se măsoară față de perpendiculara pe suprafață, numită normală.

Dacă trimiți o rază de lanternă spre o oglindă sub un anumit unghi, ea pleacă pe partea opusă, sub același unghi. Pe o suprafață foarte netedă, razele paralele rămân paralele după reflexie și vezi o imagine clară. Și sunetul se reflectă după reguli asemănătoare, de aici ecoul din articolul despre sunet. Pe o suprafață aspră, precum o foaie de hârtie, razele pleacă în toate direcțiile; asta este reflexia difuză și e motivul pentru care poți citi o pagină din orice unghi.

Oglinda plană dă o imagine virtuală, de aceeași mărime cu obiectul, aflată în spatele oglinzii la aceeași distanță cu a obiectului în fața ei. „Virtuală” înseamnă că razele nu trec cu adevărat prin locul imaginii: ochiul le interpretează ca și cum ar veni de acolo.

Ce este refracția și de ce pare frântă lingura în apă?

Refracția este schimbarea direcției luminii la trecerea dintr-un mediu transparent în altul, pentru că lumina are viteze diferite în medii diferite. Lingura pare frântă pentru că razele de la partea scufundată se îndoaie la ieșirea din apă în aer.

Lumina merge mai repede în aer decât în apă sau în sticlă. Când intră oblic într-un mediu în care înaintează mai încet, raza se apropie de normală; când iese, se depărtează. Raportul dintre viteza luminii în vid și viteza ei într-un material se numește indice de refracție.

Refracția explică și de ce o piscină pare mai puțin adâncă decât este și de ce diamantul scânteiază atât de puternic: indicele mare îndoaie lumina intens și o face să se reflecte de mai multe ori înăuntru. La nivel de culori, refracția diferită pentru fiecare lungime de undă desparte lumina albă într-un curcubeu, fenomen pe care îl găsești descris în articolul despre lumină și culori.

Cum formează imagini o lentilă?

O lentilă formează imagini deoarece două suprafețe curbe refractă razele care trec prin ea și le fac să se adune sau să se împrăștie. Lentila convergentă este mai groasă la mijloc, iar cea divergentă este mai subțire la mijloc.

O lentilă convergentă adună razele paralele într-un punct numit focar. Distanța de la lentilă la focar este distanța focală. Când pui un obiect mai aproape de lentilă decât distanța focală, obții o imagine mărită, dreaptă și virtuală, ca la lupă. Când îl pui mai departe, imaginea este reală, întoarsă cu susul în jos și poate fi proiectată pe un ecran, ca în aparatul foto sau în ochiul tău.

O lentilă divergentă face razele să pară că pornesc dintr-un punct, dând întotdeauna o imagine mai mică și virtuală.

Cum funcționează ochelarii și ochiul?

Ochiul are o lentilă naturală, cristalinul, care proiectează imaginea pe retină, iar ochelarii adaugă o lentilă corectoare ca imaginea să cadă exact pe retină. Cine vede neclar de departe, cu miopie, are nevoie de lentile divergente; cine vede neclar de aproape, cu hipermetropie, are nevoie de lentile convergente.

La un ochi miop imaginea se formează în fața retinei, iar lentila divergentă împinge focarul în spate. La un ochi hipermetrop, imaginea cade în spatele retinei, iar lentila convergentă o aduce în față. Dioptria este unitatea cu care se măsoară puterea lentilei: inversul distanței focale în metri.

Atenție: alegerea ochelarilor se face doar după un consult oftalmologic. Ochelarii nepotriviți nu repară problema și pot da dureri de cap.

Ce instrumente se bazează pe oglinzi și lentile?

Aproape toate instrumentele optice combină lentile, oglinzi sau ambele. Diferența stă în ce vrei să obții: mărire, adunare de lumină sau proiecție.

• Lupa este o lentilă convergentă prin care privești un obiect aflat mai aproape decât focarul.
• Microscopul folosește două sisteme de lentile, obiectivul și ocularul, ca să mărească de mii de ori obiecte mici.
• Aparatul foto are un obiectiv cu mai multe lentile care proiectează imaginea pe un senzor.
• Telescopul reflector are o oglindă curbă mare care adună lumina, iar o oglindă mică o trimite spre ocular. Pe acest principiu funcționează multe dintre instrumentele despre care citești în ghidul despre alegerea unui telescop.
• Periscopul folosește două oglinzi plane, așezate la 45 de grade, ca să vezi peste un obstacol.

Telescoapele mari mizează pe oglinzi, nu pe lentile, pentru că o oglindă se poate susține pe toată suprafața ei, în timp ce o lentilă mare s-ar deforma sub propria greutate și ar absorbi o parte din lumină.

Ce este reflexia totală și unde se folosește?

Reflexia totală apare când lumina încearcă să iasă dintr-un mediu cu indice mare spre unul cu indice mic, sub un unghi mai mare decât unghiul limită; atunci nu mai iese deloc, ci se întoarce integral. Pe acest efect se bazează fibra optică.

Într-o fibră optică, lumina intră pe la un capăt și se reflectă la nesfârșit pe pereții interiori, ajungând la celălalt capăt chiar dacă fibra este curbată. Prin astfel de fibre călătoresc astăzi semnalele de internet, dar și lumina folosită în endoscoapele medicale. Aceeași idee, într-o formă simplă, o vezi în prismele unor binocluri. Dacă te interesează cum se schimbă lumina unei surse în mișcare, citește despre efectul Doppler, iar pentru context general, fizica pe înțeles.