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光学
光学は、光の挙動、特性、現象を研究する物理学の一分野です。光は電磁波ですが、多くの入門コースでは、その挙動を理解するために光線と波に単純化します。このレッスンでは、反射、屈折、レンズと鏡の方程式、波動光学など、光学における基本的な概念をカバーします。
光の性質
光は主に波として、または粒子としてみなすことができます。しかし、この議論のためには、波としての性質に焦点を当て、光のビームとして簡略化して見ていきます。
光の波は横波であり、進行する方向に対して垂直に振動します。真空中での光の速度は約c = 299,792,458 m/sです。他の媒体では、光はその媒体内の粒子との相互作用により遅く進行します。
反射
反射は、光が表面に当たったときに起こります。反射の法則は、入射角は反射角に等しいと述べています。これは次の式で表されます:
入射角 = 反射角
光線が平面鏡に当たる場合、角度 θ i (入射角)は角度 θ r (反射角)に等しくなります。
実例: 自動車のミラーは、反射の原理を使用してドライバーが背後を見るのを助けます。
屈折
屈折は、ある媒体から密度の異なる別の媒体に光が通過する際の曲がりです。光が新しい媒体に入るときの速度の変化により、光が曲がります。
スネルの法則は、入射角と屈折角を2つの媒体の屈折率に関連付けます:
n 1 * sin(θ 1) = n 2 * sin(θ 2)
ここで、nは媒体の屈折率を示します。
実例: 水の入ったグラスに差し込んだストローは、屈折によって水面で曲がって見えます。
レンズ
レンズは、光を収束または発散させるために光を屈折させる透明な物体です。一般的なレンズには、集光させる凸レンズと、発散させる凹レンズがあります。
凸レンズ
凸レンズは中央が厚く、縁が薄いです。並行する光線を逆方に焦点に収束させます。
1/f = (n - 1)(1/r 1 - 1/r 2)
ここで、f は焦点距離、R 1 と R 2 はレンズ表面の曲率半径です。
実例: 拡大鏡は、凸レンズを使用して物体を大きく見せます。
凹レンズ
凹レンズは中央が薄く、縁が厚いです。並行する光線を発散させます。
実例: 近視用眼鏡では凹レンズを使用し、光を眼に到達する前に発散させます。
鏡
凹面鏡
凹面鏡または収束鏡は内側に湾曲しています。光を反射して焦点に収束させます。光を収束させることが有益な用途で使用されます。
凸面鏡
凸面鏡または発散鏡は外側に湾曲した表面を持ちます。光を散乱させ、広い視野を可能にします。
実例: 駐車場ミラーやセキュリティミラーは通常凸面鏡です。
レンズと鏡の方程式
次の鏡とレンズの方程式を使用して、さまざまな特性を解決できます:
1/f = 1/ d + 1/ di
ここで、f は焦点距離、d o は物体距離、d i は像距離です。
波動光学
光のビームモデルは多くの現象を説明するのに役立ちますが、光の波としての性質が顕著な場合には失敗します。そのような場合、干渉、回折、偏光を理解するために波動光学が重要になります。
干渉
干渉は、2つ以上の光波が組み合わさって新しい波形を形成する現象です。これは建設的または破壊的干渉として発生します。
d * sin(θ) = m * λ
ここで、d はスリット間の距離、θは干渉角、mはシーケンス番号、λは光の波長です。
回折
回折は、物体や穴の周りで光の波が曲がる現象です。回折の程度は、物体のサイズと光の波長との相対関係に依存します。
偏光
偏光は、光や他の電磁放射が振動の特定の方向に制限される過程です。これにより、偏光サングラスはグレアを減少させるのに役立ちます。
結論
光学は、光の挙動を探る物理学の広大で魅力的な分野です。反射、屈折、レンズ、鏡、波動光学の原理を理解することで、実際の問題を解決し、さまざまな技術分野で革新することができます。光の研究は自然界の理解の基礎であり、重要な科学的探求の対象であり続けています。
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