📚 கற்றல் முதன்மை க.பொ.த. (சா/த) க.பொ.த. (உ/த) பிற 🌐 English உள்நுழைய
சா/த · விஞ்ஞானம் · தரம் 11 · அலகு 5
1️⃣1️⃣ தரம் 11 · அலகு 5

கேத்திர கணித ஒளியியல்

Geometric optics
★★★★★ ஒளிவில்லைஒளிமுறிவு

ஒளி நம் கண்களைச் சென்றடைய மட்டுமே நாம் பார்க்க முடிகின்றது. சூரியனின் ஒளி பூமியை அடைய 8 நிமிடம் ஆகும். ஒளி நேர்க்கோட்டில் செல்லும்; ஒரு கண்ணாடியில் தாக்கினால் எதிரொளிக்கின்றது (reflection); கண்ணாடி வழியாகப் பயணிக்கும்போது வேகம் மாறி முறிகின்றது (refraction); ஒரு வளைந்த கண்ணாடியோ வில்லையோ ஒளியின் திசையை மாற்றி படிமம் (image) உருவாக்குகின்றது. இவ்வலகில் ஒளியின் இவ்விரு அடிப்படை பண்புகளையும், கண்ணாடிகள் (mirrors) + வில்லைகள் (lenses) எவ்வாறு படிமம் உருவாக்குகின்றன என்பதையும், ஒளியின் முழு அக எதிரொளிப்பு (TIR) + நார்த்திரள் (fiber optics) + மனிதக் கண் — எல்லாம் கற்போம்.

படம் 5.1 — ஒளி பொருளில் தாக்கி எதிரொளித்து கண்ணை அடைய — பார்வை.
படம் 5.1 — ஒளி பொருளில் தாக்கி எதிரொளித்து கண்ணை அடைய — பார்வை. NIE பாடநூல், தரம் 11

1. ஒளித் தெறிப்பு / எதிரொளிப்பு (Reflection)

ஒளி ஒரு polished surface (கண்ணாடி, பளிங்கு வாள்) மீது தாக்கும்போது — surface-இல் இருந்து திரும்புதல். Two cardinal laws:

  • Law 1: Incident ray, reflected ray, normal — மூன்றும் ஒரே plane-ல்.
  • Law 2: தாக்கல் கோணம் (i) = எதிரொளிப்புக் கோணம் (r). i = r.

1.1 சமதள கண்ணாடி (Plane mirror)

உங்கள் வீட்டுக் கண்ணாடி. படிமத்தின் பண்புகள்:

  • Object-உக்கும் mirror-உக்கும் உள்ள தூரம் = image-உக்கும் mirror-உக்கும் உள்ள தூரம்.
  • Image is virtual (கண்ணாடிக்கு பின்னால்).
  • Same size as object.
  • Lateral inversion — இடது/வலது swap. அதனாலேயே கண்ணாடியில் "BUS" → "SUB"-ஆகத் தோன்றும்.

1.2 வளை கண்ணாடிகள் (Curved mirrors)

Two types: குழி கண்ணாடி (concave / converging), குவி கண்ணாடி (convex / diverging).

(a) குழி கண்ணாடி (Concave): Reflecting surface ஓரத்தில் (interior of bowl). Parallel rays reflect → converge at focus F. Real, inverted images formed (for objects beyond F). வாகனத்தின் headlight, shaving mirror (close magnify), satellite dish, telescope mirror.

(b) குவி கண்ணாடி (Convex): Outer surface reflects. Parallel rays diverge after reflection. Virtual, erect, smaller image (wide field of view). வாகனத்தின் side mirror, security mirror. "Objects in mirror are closer than they appear" — convex mirror property.

2. ஒளி முறிவு (Refraction)

ஒளி ஒரு medium-ஐ விட்டு வேறு medium-உக்கு (air → glass, glass → water) செல்லும்போது வேகம் மாறி, அதனால் பாதை வளைந்துவிடும். தண்ணீர் கண்ணாடி glass-ல் pencil-ஐ partially நிமிர்த்தினால், pencil bent-ஆக தோன்றுவது இதனாலேயே.

2.1 ஒளி முறிவு விதிகள் (Snell's law)

  • Incident ray, refracted ray, normal — ஒரே plane-ல்.
  • n₁ sin(i) = n₂ sin(r) (Snell's law). n = refractive index.

Refractive index n = c/v = vacuum-ல் ஒளி வேகம் ÷ medium-ல் வேகம். Always n ≥ 1. நீர் n=1.33, glass n=1.5, diamond n=2.42.

2.2 முழு அக எதிரொளிப்பு (Total Internal Reflection — TIR)

Optically denser medium-இலிருந்து (glass) less dense medium-உக்கு (air) ஒளி செல்லும்போது — i ஒரு critical angle θc-ஐ விட அதிகமாக இருந்தால் — ஒளி refract ஆகாமல் முழுவதும் reflect ஆகும். இதே TIR.

Glass-ல் θc ≈ 42°; diamond-ல் θc ≈ 24° — அதனாலேயே diamond brilliantly sparkle. ஒளி அதிக angles-ல் உள்ளே bounce ஆகி, ஒரே ஒரு face-ஆல் வெளியேற்றப்படுகின்றது.

2.3 நார்த்திரள் (Fiber optics)

நுண்ணிய glass நார்-ஊடாக ஒளி total internal reflection-ஆல் kilometers தூரம் எடுத்துச் செல்லப்படுகின்றது. Communication revolution: Internet backbone (Atlantic submarine cables), endoscope (உடல் உள் பார்த்தல்), decorative lighting.

படம் 5.13 — Fiber optic நார்த்திரள் — ஒளி TIR-ஆல் நார்வழி.
படம் 5.13 — Fiber optic நார்த்திரள் — ஒளி TIR-ஆல் நார்வழி. NIE பாடநூல், தரம் 11

3. வில்லைகள் (Lenses)

3.1 குவி வில்லை (Convex / converging lens)

நடுவில் தடித்து, ஓரத்தில் மெல்லியது. Parallel rays focal point F-ல் converge செய்யும். Magnifying glass, camera lens, eye lens, projector — எல்லாம் convex.

படம் 5.18 — குவி வில்லையில் parallel rays focal point-ல் converge.
படம் 5.18 — குவி வில்லையில் parallel rays focal point-ல் converge. NIE பாடநூல், தரம் 11

3.2 குழி வில்லை (Concave / diverging lens)

நடுவில் மெல்லியது, ஓரத்தில் தடித்தது. Parallel rays diverge, virtual focal point உருவாக்கும். Spectacles for myopia (short-sightedness), binoculars eyepiece.

படம் 5.19 — குழி வில்லையில் parallel rays divergence.
படம் 5.19 — குழி வில்லையில் parallel rays divergence. NIE பாடநூல், தரம் 11

3.3 Lens formula + magnification

1/v − 1/u = 1/f           (sign convention crucial)
m = h_image / h_object = v/u
  
  • u = object distance from lens
  • v = image distance from lens
  • f = focal length
  • m = magnification (negative = inverted, |m| > 1 enlarged)

4. மனிதக் கண் (Human eye)

இயற்கையின் கச்சித camera. Cornea + lens convex system → retina-ல் inverted real image. மூளை upright-ஆகப் interpret செய்கின்றது.

படம் 5.20 — மனிதக் கண்: cornea, lens, retina, optic nerve.
படம் 5.20 — மனிதக் கண்: cornea, lens, retina, optic nerve. NIE பாடநூல், தரம் 11

4.1 கண் பகுதிகள்

  • Cornea (கண் சுவர்): 70% refraction இங்கேதான்.
  • Iris (கரு விழி): Pupil-ஐ adjust செய்து வரும் ஒளி அளவை control.
  • Lens (கண் வில்லை): Focal length adjustable (accommodation) — ciliary muscle-ஆல்.
  • Retina (விழித்திரை): Rod (light/dark) + cone (color) photoreceptors.
  • Optic nerve: Signal → brain.

4.2 பார்வை குறைபாடுகள்

  • தூரப்பார்வை குறைபாடு (Hypermetropia / hyperopia): அருகே உள்ள பொருள் blur. Concave instead → wait, actually convex lens spectacles needed.
  • குறுகியப்பார்வை குறைபாடு (Myopia / short-sight): Distant objects blur. Concave lens spectacles needed.
  • முதிர்வுப் பார்வை (Presbyopia): Old age accommodation loss. Bifocal lens.
  • Astigmatism: Cornea irregular curvature. Cylindrical lens correction.

5. கருவிகள் (Instruments)

  • Camera: Convex lens → film/sensor. Aperture (like pupil), focus (like accommodation), shutter (no biological equivalent).
  • Magnifying glass: Single convex lens, object within f.
  • Compound microscope: Objective + eyepiece — high magnification.
  • Telescope: Large objective + small eyepiece — distant viewing.
  • Periscope: Two mirrors at 45°, submarine vision.
  • Projector: Convex lens projects enlarged image of slide/transparency.
படம் 5.21 — Camera + film: object → lens → upside-down image.
படம் 5.21 — Camera + film: object → lens → upside-down image. NIE பாடநூல், தரம் 11

✅ விரைவுச் சோதனை

முக்கியக் கருத்துக்களை உறுதிப்படுத்துங்கள். தவறான விடைகள் உங்கள் தவறுக் குறிப்பேட்டில் சேமிக்கப்படும்.

🖊 கட்டுரை வினாக்கள் (பகுதி II)

பரீட்சை வடிவில் கட்டமைப்பு வினாக்கள். முதலில் நீங்களே எழுதுங்கள்; பின்னர் மாதிரி விடையைத் திறந்து சரிபாருங்கள்.

1. (அ) ஒளியின் தெறிப்பு விதிகளை (laws of reflection) தருக. (3)
(ஆ) சமதள கண்ணாடியில் (plane mirror) உருவாகும் படிமத்தின் 4 பண்புகளை விளக்குக. (4)
(இ) குழி + குவி கண்ணாடிகளின் தினசரி பயன்பாட்டை ஒவ்வொன்றுக்கும் தருக. (3) (10 புள்ளி)
2. (அ) ஒளி முறிவு (refraction) என்றால் என்ன? (2) (ஆ) Snell's law சமன்பாட்டை எழுதி, refractive index வரையறையை தருக. (3) (இ) முழு அக எதிரொளிப்பு (TIR) நிபந்தனைகள் + critical angle சமன்பாடு. (3) (ஈ) TIR-ஐ அடிப்படையாகக் கொண்ட 2 முக்கிய பயன்பாடுகளை விளக்குக. (2) (10 புள்ளி)
3. (அ) குவி + குழி வில்லைகளின் (lenses) வேறுபாட்டை structure + parallel ray behavior மூலம் விளக்குக. (4)
(ஆ) Lens formula 1/v − 1/u = 1/f பயன்படுத்தி: ஒரு 20 cm focal length convex lens முன்னால் 30 cm-ல் object இருந்தால் image distance + magnification கணக்கிடுக. (4)
(இ) Lens power (dioptre) என்றால் என்ன? +2D + −1D ஆகியவற்றின் focal lengths. (2) (10 புள்ளி)
4. மனிதக் கண் — (அ) 4 முக்கிய பகுதிகளை function-உடன் தருக. (4) (ஆ) Myopia, Hyperopia, Presbyopia, Astigmatism — நான்கின் காரணம் + lens correction. (6) (10 புள்ளி)
5. Total Internal Reflection-ன் 3 முக்கிய பயன்பாடுகளை — Fiber optics, Endoscope, Diamond brilliance — விரிவாக விளக்குக. ஒவ்வொன்றிலும் physics principle, structure, real-world impact. (10 புள்ளி)
6. Camera, Magnifying glass, Compound Microscope, Astronomical Telescope, Slide Projector — ஐந்து optical instruments-ன் principle + lens configuration + main use-ஐ ஒப்பிட்டுக் காட்டுக. (10 புள்ளி)
7. வானவில் (Rainbow) — ஒரு beautiful optical phenomenon. அதன் formation-ஐ refraction, dispersion, total internal reflection ஆகியவற்றோடு step-by-step விளக்கி, primary + secondary rainbow வேறுபாட்டை குறிப்பிடுக. (10 புள்ளி)

🔥 மீட்டல் மையம்

பரீட்சைக்கு முன் இறுதி ஒரு நிமிடம் — மறக்கக்கூடாதவை மட்டும்.

  • Reflection 2 laws: (1) i, r, normal same plane (2) i = r.
  • Plane mirror: Virtual, erect, same size, lateral inversion.
  • Concave mirror: Converging. Headlight, shaving, telescope.
  • Convex mirror: Diverging. Vehicle side mirror, security.
  • Refraction: Speed change crossing media → bending. n₁ sin i = n₂ sin r.
  • n = c/v. Vacuum=1, water=1.33, glass=1.5, diamond=2.42.
  • TIR: Denser → rarer + i > θc. sin θc = n₂/n₁. Glass 42°, diamond 24°.
  • TIR uses: Fiber optic, endoscope, diamond brilliance, periscope.
  • Convex lens: Center thick, converges, magnifier/camera/eye.
  • Concave lens: Center thin, diverges, myopia spectacles.
  • Lens formula: 1/v − 1/u = 1/f. m = v/u.
  • Power P = 1/f(m). Convex+, Concave−. Unit = Dioptre (D).
  • Eye: Cornea (70% refraction) + iris (pupil) + lens (accommodation) + retina (rods+cones).
  • Defects: Myopia → concave. Hyperopia → convex. Presbyopia → bifocal. Astigmatism → cylindrical.

அலகின் முதுகெலும்பு — கருத்துக்களும் தொடர்புகளும்.

  • 1. Reflection laws: Coplanar; i = r relative to normal.
  • 2. Plane mirror: Virtual image equal distance behind, erect, same size, lateral inversion (left-right swap). \"BUS\" → \"SUB\". Ambulance front mirror = \"ECNALUBMA\".
  • 3. Concave (converging) mirror: Reflective inner curved surface. Parallel rays converge at focus F = R/2. Real inverted image (object > f), virtual erect magnified (object < f). Uses: shaving, vehicle headlight, telescope reflector, solar concentrator.
  • 4. Convex (diverging) mirror: Reflective outer curved surface. Diverges rays — virtual erect reduced image. Wide field of view. Uses: vehicle side mirror, security mirror, ATM lobby.
  • 5. Refraction: Light bending across boundary due to v-change. Air to denser (glass) → bend toward normal. Denser to air → bend away.
  • 6. Snell's law: n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Refractive index n = c/v_medium. Larger n = optically denser = slower light.
  • 7. Refractive indices: Vacuum/air ≈ 1.00; water 1.33; window glass 1.5; flint glass 1.6; diamond 2.42.
  • 8. TIR conditions: (a) Light going denser → rarer medium. (b) i > critical angle θc. sin θc = n_rarer / n_denser. Glass θc=42°. Diamond θc=24°.
  • 9. TIR applications: Fiber optics (internet, FTTH), Endoscope (medical visualization), Diamond brilliance (engineered cut), Periscope (submarine via prism), Atmospheric mirage.
  • 10. Convex lens: Center thick. Converges parallel rays at F. f positive. Real or virtual image depending on object position.
  • 11. Concave lens: Center thin. Diverges parallel rays — virtual F behind lens. f negative. Always virtual, erect, reduced image.
  • 12. Lens formula: 1/v − 1/u = 1/f (with sign convention). Magnification m = v/u = h_image / h_object. Negative m = inverted.
  • 13. Lens Power: P = 1/f(m). Unit = Dioptre. Convex P+, Concave P−. Spectacle prescription dioptres.
  • 14. Eye structure: Cornea (70% refraction), Iris+Pupil (light control), Lens (accommodation), Retina (rods 125M + cones 6M), Optic nerve.
  • 15. Vision defects:
    • Myopia (short-sight): long eyeball → image before retina → concave lens.
    • Hyperopia (long-sight): short eyeball → image behind → convex lens.
    • Presbyopia (age 40+): accommodation lost → bifocal.
    • Astigmatism: irregular cornea → cylindrical lens.
  • 16. Optical instruments: Camera (single convex), Magnifier (single convex inside f), Compound microscope (2 convex short-f, 100×-2500×), Telescope (long-f objective + short-f eyepiece), Projector (convex, slide 1
  • 17. Dispersion + rainbow: White light through prism splits VIBGYOR. Rainbow = refraction + dispersion + TIR + refraction in water droplets. Primary 42° red outer; secondary 51° reversed.

பரீட்சைக்கு முந்தின இரவு முழு அலகையும் ஓட்டிப் பார்.

  • Reflection: i = r at smooth surface. Plane mirror = virtual erect same-size lateral-inverted.
  • Concave mirror = converging. Headlight, shaving, telescope.
  • Convex mirror = diverging. Side mirror, security.
  • Refraction: n₁ sin i = n₂ sin r. n = c/v. Bigger n → slower light → more bending.
  • Common n values: Air 1.0, Water 1.33, Glass 1.5, Diamond 2.42.
  • TIR conditions: Denser → rarer + i > θc. sin θc = n₂/n₁. Glass 42°, diamond 24°.
  • TIR uses: Fiber optic (internet, endoscope), diamond brilliance, periscope, mirage.
  • Convex lens (center thick) — converges, real or virtual image.
  • Concave lens (center thin) — diverges, only virtual image.
  • Lens formula: 1/v − 1/u = 1/f. m = v/u. Power P = 1/f (dioptre).
  • Eye parts: Cornea (refraction) + iris+pupil (light) + lens (accommodation) + retina (rods+cones).
  • Vision defects + correction:
    • Myopia → concave lens.
    • Hyperopia → convex lens.
    • Presbyopia (old age) → bifocal.
    • Astigmatism → cylindrical lens.
  • Instruments: Camera + magnifier + microscope + telescope + projector + periscope.
  • Rainbow: Refraction + dispersion + TIR + refraction in water droplets. Red outer 42°, violet inner 40°.
  • ⚠ Real image = on screen (camera, projector). Virtual = behind (mirror, magnifier).
  • ⚠ Lateral inversion = left-right swap (mirror).
  • ⭐ Sign convention crucial in lens formula. Inverted real image has m negative.
  • 📋 Glossary: ஒளி = light; எதிரொளிப்பு = reflection; ஒளிமுறிவு = refraction; குழி கண்ணாடி = concave mirror; குவி கண்ணாடி = convex mirror; குவி வில்லை = convex lens; குழி வில்லை = concave lens; கண் சுவர் = cornea; விழித்திரை = retina.
📝 மேலும் பயிற்சி