मुख्यपृष्ठ सर्व विषय सामान्य विज्ञान (General Science)भौतिकशास्त्र: ध्वनीशास्त्र, प्रकाशशास्त्र, विद्युतधारा, चुंबकत्व व उष्णता (Sound, Optics, Electricity & Magnetism)प्रकाशशास्त्र: परावर्तन, अपवर्तन, पूर्ण अंतर्गत परावर्तन, अपस्करण, दृष्टीदोष (Myopia/Hypermetropia) व भिंगे

📁 सामान्य विज्ञान (General Science) 📖 भौतिकशास्त्र: ध्वनीशास्त्र, प्रकाशशास्त्र, विद्युतधारा, चुंबकत्व व उष्णता (Sound, Optics, Electricity & Magnetism) ⏱️ 30 मिनिटे वाचन 👁️ 102 views

प्रकाशशास्त्र: परावर्तन, अपवर्तन, पूर्ण अंतर्गत परावर्तन, अपस्करण, दृष्टीदोष (Myopia/Hypermetropia) व भिंगे

प्रकाशशास्त्र: परावर्तन, अपवर्तन, पूर्ण अंतर्गत परावर्तन, अपस्करण, दृष्टीदोष (Myopia/Hypermetropia) व भिंगे या घटकामध्ये प्रकाशाचे स्वरूप व गुणधर्म (Nature of Light), प्रकाशाचे परावर्तन (Reflection of Light), प्रकाशाचे अपवर्तन (Refraction of Light) या मुद्द्यांचा सविस्तर समावेश आहे.

लेखक: Mahasarav Team• २५ ऑगस्ट, २०२६

१. प्रकाशाचे स्वरूप व गुणधर्म (Nature of Light)

प्रकाश (Light) ही एक विद्युत चुंबकीय प्रारणे (Electromagnetic Radiations) असून ती अनुप्रस्थ तरंग (Transverse Waves) स्वरूपात प्रवास करते. प्रकाशाला प्रसारणासाठी माध्यमाची गरज नसते.

प्रकाशाचा निर्वात जागेतील वेग: $\mathbf{c = ३ \times १०^८ \text{ m/s}}$ ($३,००,००० \text{ km/s}$).
सूर्यप्रकाश पृथ्वीवर पोहोचण्यासाठी लागणारा वेळ: ८ मिनिटे २० सेकंद (~५०० सेकंद).
चंद्राचा परावर्तित प्रकाश पृथ्वीवर पोहोचण्यासाठी वेळ: १.२८ सेकंद.

२. प्रकाशाचे परावर्तन (Reflection of Light)

प्रकाशाचा किरण चकचकीत पृष्ठभागावर आदळून पुन्हा त्याच माध्यमात परत फिरण्याच्या क्रियेला परावर्तन म्हणतात.

नियम १: आपाती कोन ($i$) आणि परावर्तन कोन ($r$) नेहमी समान असतात ($i = r$).
नियम २: आपाती किरण, परावर्तित किरण आणि स्तंभिका एकाच प्रतलात असतात.

३. प्रकाशाचे अपवर्तन (Refraction of Light)

प्रकाश एका पारदर्शक माध्यमातून दुसऱ्या पारदर्शक माध्यमात जाताना आपली दिशा बदलतो, याला अपवर्तन म्हणतात (माध्यम बदलल्याने प्रकाशाचा वेग बदलतो).

विरल $\rightarrow$ घन माध्यम (हवेतून पाण्यात/काचेत): प्रकाशकिरण स्तंभिकेकडे झुकतो ($i > r$).
घन $\rightarrow$ विरल माध्यम (पाण्यातून हवेत): प्रकाशकिरण स्तंभिकेपासून दूर जातो ($r > i$).
अपवर्तनाची दैनंदिन उदाहरणे:
1. पाण्यात ठेवलेली पेन्सिल किंवा काठी वाकडी दिसणे.
2. पाण्याच्या भांड्याचा तळ वर उचलल्यासारखा दिसणे (नाणे वर आल्यासारखे दिसणे).
3. रात्री ताऱ्यांचे लुकलुकणे (Twinkling of Stars) - वातावरणीय अपवर्तनामुळे.
4. सूर्य प्रत्यक्षात क्षितिजाखाली असतानाही अगोदर दिसणे (आगामी सूर्योदय व विलंबीत सूर्यास्त - दिवसाची लांबी ४ मिनिटांनी वाढते).

४. पूर्ण अंतर्गत परावर्तन (Total Internal Reflection - TIR)

जेव्हा प्रकाशकिरण घन माध्यमातून विरल माध्यमात जाताना आपाती कोन क्रांतिक कोनापेक्षा (Critical Angle) मोठा होतो, तेव्हा प्रकाश विरल माध्यमात न जाता पूर्णपणे घन माध्यमातच परावर्तित होतो.

TIR ची प्रमुख उदाहरणे व अनुप्रयोग:

हिऱ्याचे चमकणे (Brilliance of Diamond): हिऱ्याचा क्रांतिक कोन सर्वात कमी ($२४.४^\circ$) असतो.
वाळवंटातील किंवा डांबरी रस्त्यावरील मृगजळ (Mirage).
ऑप्टिकल फायबर (Optical Fiber Cable - OFC): हाय-स्पीड इंटरनेट व एंडोस्कोपी (वैद्यकीय तपासणी) मध्ये प्रकाश लहरींचे वहन करण्यासाठी.

५. प्रकाशाचे अपस्करण व विकिरण (Dispersion & Scattering)

अपस्करण (Dispersion of Light): पांढऱ्या प्रकाशाचे त्याच्या सात घटक रंगांमध्ये विभाजन होणे (न्यूटनचा लोलक).
रंगक्रम: तांबडा, नारंगी, पिवळा, हिरवा, निळा, पारवा, जांभळा (VIBGYOR).
- तांबडा रंग (Red): सर्वाधिक तरंगलांबी ($\approx 700 nm$), सर्वात कमी विचलन/अपवर्तन. (म्हणून धोक्याचे दिवे लाल असतात).
- जांभळा रंग (Violet): सर्वात कमी तरंगलांबी ($\approx 400 nm$), सर्वाधिक विचलन.
- इंद्रधनुष्य (Rainbow): अपवर्तन, अपस्करण आणि पूर्ण अंतर्गत परावर्तन (किंवा अंतर्गत परावर्तन) या तिन्हीचे एकत्रित परिणाम.
प्रकाशाचे विकिरण (Scattering of Light / Rayleigh Scattering):
- आकाशाचा रंग निळा दिसणे (Rayleigh Scattering): लहरींच्या लांबीच्या चौथ्या घाताच्या व्यस्त प्रमाणात ($I \propto 1/\lambda^4$) विकिरण होते. जांभळा (Violet) प्रकाशाची तरंगलांबी सर्वात कमी असल्याने त्याचे विकिरण निळ्या रंगापेक्षाही जास्त होते; परंतु सौर वर्णपटात (Solar Spectrum) निळ्या प्रकाशाचे प्रमाण अधिक असणे आणि मानवी डोळ्यांची संवेदनशीलता (Human eye sensitivity) जांभळ्यापेक्षा निळ्या रंगासाठी जास्त असणे यामुळे आकाश निळे दिसते.
- सूर्योदय व सूर्यास्ताच्या वेळी सूर्य लाल दिसणे.
- रमन इफेक्ट (Raman Effect - २८ फेब्रुवारी १९२८): प्रकाशाचे रेण्वीय विकिरण (या शोधासाठी डॉ. सी. व्ही. रमन यांना १९३० मध्ये नोबेल पारितोषिक मिळाले; २८ फेब्रुवारी हा 'राष्ट्रीय विज्ञान दिन' म्हणून साजरा केला जातो).

६. मानवी डोळा, दृष्टीदोष व भिंगे (Eye Defects & Lenses)

दृष्टीदोष (Eye Defect)	काय होते?	प्रतिमा कोठे बनते?	निवारणासाठी भिंग (Corrective Lens)
१. निकटदृष्टीता / मायोपिया (Myopia / Near-sightedness)	जवळचे स्पष्ट दिसते, पण दूरचे अस्पष्ट दिसते. (नेत्रगोल लांबट होणे).	दृष्टीपटलाच्या (Retina) पुढे बनते.	अंतर्वक्र भिंग (Concave Lens / ऋण शक्ती - Negative Power)
२. दूरदृष्टीता / हायपरमेट्रोपिया (Hypermetropia / Far-sightedness)	दूरचे स्पष्ट दिसते, पण जवळचे अस्पष्ट दिसते. (नेत्रगोल चपटे होणे).	दृष्टीपटलाच्या (Retina) मागे बनते.	बहिर्गोल भिंग (Convex Lens / धन शक्ती - Positive Power)
३. वृद्धदृष्टीता (Presbyopia)	वाढत्या वयामुळे डोळ्याची समायोजन क्षमता (Power of Accommodation) कमी होऊन प्रामुख्याने जवळची दृष्टी अस्पष्ट होणे (इतर दोष नसल्यास दूरची दृष्टी सामान्य राहू शकते).	-	द्विकेंद्री भिंग (Bifocal Lens: वरचा भाग दूरच्या दृष्टीसाठी व खालचा भाग जवळच्या दृष्टीसाठी वाचनाकरिता; निकटदृष्टिता असल्यास वर अंतर्वक्र व खाली बहिर्गोल वापरतात).
४. दृष्टिवैषम्य (Astigmatism)	कॉर्नियाची वक्रता असमान झाल्याने आडव्या व उभ्या रेषा एकाच वेळी स्पष्ट न दिसणे.	-	दंडगोलाकार भिंग (Cylindrical Lens)
५. मोतीबिंदू (Cataract)	डोळ्याचे नैसर्गिक भिंग दुधाळ/अपारदर्शक होणे.	-	शस्त्रक्रिया करून कृत्रिम भिंग (IOL) बसवणे.

७. भिंगाची शक्ती (Power of a Lens)

$$P = \frac{1}{f \text{ (मीटरमध्ये)}}$$

एकक: डायॉप्टर (Dioptre - D).
बहिर्गोल भिंगाची शक्ती: धन (+D).
अंतर्वक्र भिंगाची शक्ती: ऋण (-D).
स्पष्ट दृष्टीचे किमान अंतर: २५ सेमी (25 cm).

👁️ मानवी डोळा, प्रमुख दृष्टीदोष व भिंगाचे उपाय (Human Eye & Defects of Vision)

मानवी डोळ्यामध्ये नैसर्गिक द्विबहिर्गोल भिंग (Double Convex Lens) असते, जे दृष्टिपटलावर (Retina) वस्तूची वास्तव व उलटी (Real & Inverted) प्रतिमा तयार करते. परीक्षेत वारंवार विचारले जाणारे दृष्टीदोष खालीलप्रमाणे आहेत:

दृष्टीदोषाचे नाव	लक्षणे (काय दिसते / दिसत नाही)	नेत्रगोलाची स्थिती व प्रतिमेचे स्थान	निवारणासाठी वापरले जाणारे भिंग
१) निकटदृष्टीता (Myopia / Short-sightedness)	जवळच्या वस्तू स्पष्ट दिसतात, परंतु दूरच्या वस्तू अस्पष्ट दिसतात.	नेत्रगोल लांबट होते; भिंगाची वक्रता वाढते; प्रतिमा रेटिनाच्या पुढे (Before Retina) तयार होते.	अंतर्वक्र भिंग (Concave Lens - ऋण शक्ती / Negative power)
२) दूरदृष्टीता (Hypermetropia / Long-sightedness)	दूरच्या वस्तू स्पष्ट दिसतात, परंतु जवळच्या वस्तू अस्पष्ट दिसतात.	नेत्रगोल उभट/चपटे होते; भिंगाची वक्रता कमी होते; प्रतिमा रेटिनाच्या मागे (Behind Retina) तयार होते.	बहिर्गोल भिंग (Convex Lens - धन शक्ती / Positive power)
३) वृद्धदृष्टीता (Presbyopia)	वाढत्या वयामुळे डोळ्यातील सिलिअरी स्नायू दुर्बल झाल्याने जवळचे व दूरचे दोन्ही अस्पष्ट दिसते.	भिंगाची समायोजन शक्ती कमी होते (वयाच्या चाळिशीनंतर).	द्विकेंद्री भिंग (Bifocal Lens - वरचा भाग अंतर्वक्र, खालचा भाग बहिर्गोल)
४) अबिंदुकता (Astigmatism)	एकाच वेळी क्षितीजसमांतर व उभे अक्ष स्पष्ट दिसत नाहीत.	पारपटल (Cornea) पूर्णपणे गोल नसून विषम वक्र असते.	दंडगोलाकार भिंग (Cylindrical Lens)

🌈 प्रकाशाचे अपस्करण व इंद्रधनुष्य (Dispersion)

• पांढरा प्रकाश लोलकातून (Prism) जाताना ७ रंगांमध्ये विभागला जातो: ता ना पी ही नी पा जा (VIBGYOR).

• तांबडा रंग: तरंगलांबी सर्वात जास्त ($\sim 700\text{ nm}$), विचलन सर्वात कमी.

• जांभळा रंग: तरंगलांबी सर्वात कमी ($\sim 400\text{ nm}$), विचलन सर्वात जास्त.

• इंद्रधनुष्य: पाण्याच्या थेंबामध्ये अपवर्तन (Refraction), अपस्करण (Dispersion) व पूर्ण अंतर्गत परावर्तन (Total Internal Reflection) या तिन्ही प्रक्रिया एकत्र होतात.

💎 पूर्ण अंतर्गत परावर्तन (Total Internal Reflection)

• जेव्हा प्रकाश घन माध्यमातून विरल माध्यमात जाताना आपाती कोन क्रांतिक कोनापेक्षा (Critical angle) मोठा असतो, तेव्हा प्रकाश पूर्णपणे घन माध्यमात परावर्तित होतो.

• उदाहरणे:

1. वाळवंटातील व डांबरी रस्त्यावरील मृगजळ (Mirage).

2. हिऱ्याचा प्रचंड लखलखाट (हिऱ्याचा अपवर्तनांक २.४२, क्रांतिक कोन २४.४°).

3. ऑप्टिकल फायबर केबल्स (Optical Fiber): हायस्पीड इंटरनेट व वैद्यकीय एन्डोस्कोपी (Endoscopy).

🌌 प्रकाशाचे विकिरण व रमन इफेक्ट (Scattering of Light)

रॅलेच्या नियमानुसार विकिरणाची तीव्रता तरंगलांबीच्या चौथ्या घाताशी व्यस्त प्रमाणात असते ($I \propto 1/\lambda^4$). कमी तरंगलांबीच्या रंगांचे विकिरण सर्वाधिक होते:

आकाशाचा निळा रंग: वातावरणातील नायट्रोजन व ऑक्सिजन रेणू कमी तरंगलांबीच्या निळ्या रंगाचे जास्त विकिरण करतात.

सूर्योदय व सूर्यास्ताचा तांबडा रंग: तांबड्या रंगाची तरंगलांबी जास्त असल्याने त्याचे विकिरण कमी होते व तो डोळ्यांपर्यंत पोहोचतो.

धोक्याचे दिवे लाल रंगाचे: धुके व पावसातून तांबडा रंग कमी विखुरला जाऊन लांबवरूनही स्पष्ट दिसतो.

👮‍♂️ पोलीस भरती व सरळसेवा 'गोल्डन' वन-लाइनर तथ्ये (Optics Facts)

📌 प्रकाशाचा निर्वात जागेतील वेग: $3 \times 10^8$ मीटर/सेकंद (सुमारे ३ लाख किमी/सेकंद).

📌 सूर्याचा प्रकाश पृथ्वीवर पोहोचण्यास लागणारा वेळ: ८ मिनिटे २० सेकंद (सुमारे ५०० सेकंद).

📌 चंद्राचा प्रकाश पृथ्वीवर पोहोचण्यास लागणारा वेळ: १.२८ सेकंद.

📌 वाहनांच्या हेडलाईटमध्ये कोणता आरसा वापरतात: अंतर्वक्र आरसा (Concave Mirror - समांतर प्रकाशझोत मिळवण्यासाठी).

📌 वाहनांचा बाजूचा आरसा (Rear View Mirror): बहिर्गोल आरसा (Convex Mirror - मोठी दृश्य व्याप्ती मिळते, प्रतिमा आभासी व सुलट).

📌 दंतवैद्य (Dentist) कोणता आरसा वापरतात: अंतर्वक्र आरसा (दाताची मोठी प्रतिमा पाहण्यासाठी).

📌 दाढी करण्याचा आरसा (Shaving Mirror): अंतर्वक्र आरसा.

📌 ताऱ्यांचे लुकलुकणे कोणत्या घटनेमुळे होते: वातावरणीय अपवर्तन (Atmospheric Refraction).

📌 डोळ्यांचे दान (Eye Donation) करताना कोणता भाग दान केला जातो: कॉर्निया (पारपटल - Cornea).

📌 डोळ्याचा रंग कशामुळे ठरतो: बुबुळामधील (Iris) मेलॅनिन रंगद्रव्यामुळे.

📌 सुस्पष्ट दृष्टीचे किमान अंतर: २५ सेंटीमीटर (25 cm).

📌 प्राथमिक रंग (Primary Colors): तांबडा (Red), हिरवा (Green) व निळा (Blue) - RGB.

📝 MPSC Combine व राज्यसेवा सराव प्रश्न

प्र. १. एका व्यक्तीला जवळचे पुस्तक वाचताना त्रास होतो, परंतु दूरच्या वस्तू स्पष्ट दिसतात; तर त्या व्यक्तीला कोणता दृष्टीदोष आहे व त्यासाठी कोणते भिंग वापरावे? [MPSC Group B]

(A) निकटदृष्टीता — अंतर्वक्र भिंग

(B) दूरदृष्टीता — बहिर्गोल भिंग

(D) अबिंदुकता — दंडगोलाकार भिंग

उत्तर: (B) दूरदृष्टीता — बहिर्गोल भिंग. स्पष्टीकरण: दूरदृष्टीतेमध्ये (Hypermetropia) जवळच्या वस्तूंची प्रतिमा रेटिनाच्या मागे तयार होते. ती रेटिनावर केंद्रित करण्यासाठी अभिसारी म्हणजेच बहिर्गोल भिंग (Convex lens) वापरावे लागते.

प्र. २. फायबर ऑप्टिक्स तंत्रज्ञान (Optical Fiber) हे प्रकाशाच्या कोणत्या गुणधर्मावर कार्य करते? [MPSC State Service]

(A) प्रकाशाचे अपवर्तन

(B) प्रकाशाचे अपस्करण

(D) प्रकाशाचे विवर्तन

उत्तर: (C) पूर्ण अंतर्गत परावर्तन. स्पष्टीकरण: ऑप्टिकल फायबरच्या गाभ्यातून (Core) प्रकाश प्रवास करताना क्रांतिक कोनापेक्षा जास्त कोनाने आदळतो, ज्यामुळे ऊर्जा न गमावता पूर्ण अंतर्गत परावर्तनाद्वारे (TIR) संदेश वेगाने वाहून नेले जातात.

🎯 सराव परीक्षा (Practice Quiz)