Percorsi di luce

L'ottica geometrica è quella branca della fisica che si occupa della riflessione e della rifrazione, due fenomeni che descrivono il comportamento della luce attraverso mezzi trasparenti diversi dall'aria.

Nella riflessione i raggi luminosi rimbalzano e tornano indietro con lo stesso angolo, come nel caso degli specchi, e risultano anche complanari.

Nella rifrazione i raggi luminosi deviano quando cambiano mezzo di propagazione perché la luce varia la sua velocità in funzione della densità del mezzo: più il mezzo è denso e più la luce è deviata. La misura della deviazione della luce è indicata da un numero chiamato indice di rifrazione, caratteristico di ogni sostanza.

Nel vuoto la luce viaggia a 300.000 km/sec; entrando in un mezzo rallenta e “sceglie” il percorso in modo da attraversarlo nel minor tempo possibile. La cannuccia che sembra spezzarsi in un bicchiere d'acqua ne è un esempio: benché percorra un tragitto più lungo della linea retta, tale percorso sarà quello più veloce per la luce. Questo principio è noto come “principio di Fermat”. Per analogia puoi paragonare la luce a un bagnino che per salvare un turista in difficoltà in mare sceglie il percorso più veloce. Immagina che il turista si trovi in mare lateralmente rispetto alla posizione del bagnino sulla spiaggia; per soccorrerlo, il bagnino segue una traiettoria non rettilinea, ma spezzata, in cui compie più strada sulla sabbia (dove è più veloce) e meno nell'acqua (dove è ovviamente più lento).

La rifrazione ha un angolo limite oltre il quale la luce che normalmente viene rifratta, passando da un mezzo più denso a uno meno denso, viene riflessa dalla superficie di separazione. E' il fenomeno per cui davanti a un acquario, se ci incliniamo oltre a un certo limite, vedremo il suo fondale. Sulla riflessione totale si basa il principio di funzionamento delle fibre ottiche: la luce che viaggia all'interno del tubicino trasparente della fibra rimane intrappolata al suo interno per una serie di riflessioni totali e può viaggiare da un capo all'altro della fibra senza perdere di intensità e di informazione.

 

You can see how light passes through transparent materials other than air. In particular, you will experience the laws concerning reflection and refraction.

Reflection occurs when light rays bounce back with the same angle, just like in mirrors.

Refraction occurs when light rays change direction because they travel from one medium to a different one according to density. The denser the medium, the bigger the change in direction. The index of refraction is a way of measuring the speed of light in a material.

In vacuum, light travels at 300.000 km/sec, but it slows down when enters in a medium. Generally speaking, in a medium light “chooses” the faster path. In optics, this is called Fermat’s principle: the path taken between two points by a ray of light is the path that can be traversed in the least time. Sometimes the Fermat’s principle is described as the Baywatch principle. Imagine there’s a lifeguard on the beach who spots someone drowning sideways. His natural inclination is to take the quickest path towards that person which is not a straight line. In fact, the best way is to run a bit further along the beach (where he goes faster) in order to shorter the distance through water and get to the person in trouble in the least time. So does the light: it takes the Baywatch route arriving in the minimum time. An example is the straw that appears to be broken in a glass of water.

When light traveling in an optically dense medium hits a boundary at a steep angle (larger than the critical angle for the boundary), the light is completely reflected. This is called total internal reflection. This effect is used in optical fibers to confine light in the core. Light travels through the fiber core, bouncing back and forth off the boundary between the core and cladding.

 

Sala
Luce