optyka- podsumowanie

Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem natury
światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie
się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez
materię.
Światło jest to fala elektromagnetyczna o długości
zawartej pomiędzy 380nm a 780nm, czyli promieniowanie
widzialne odbierane przez siatkówkę oka.
Właściwości światła
-c=300 000 km/s,
- źródłem światła jest każde ciało wysyłające promieniowanie widzialne,
- promień świetlny jest to wąska wiązka światła (linia wzdłuż której rozchodzi się światło),
- w jednorodnym ośrodku optycznym światło rozchodzi się po liniach prostych,
- cień to obszar powierzchni do którego nie dochodzi światło,
- światło jest falą elektromagnetyczną o długości 380 – 780 nm,
Gdy źródło światła ma pewną szerokość, porównywalną z szerokością przeszkody,
albo gdy mamy więcej źródeł światła. Powstaje wtedy oprócz cienia także półcień.
Zaćmienie słońca
1. Dlaczego piłkarze grający przy sztucznym oświetleniu rzucają cztery cienie?
2. Wymień kilka przykładów, w których zaobserwować można prostoliniowe
rozchodzenie się światła.
3. Opisz działanie zegara słonecznego.
Źródła światła –
to ciała świecące własnym światłem:
• sztuczne – ciała rozgrzane do wysokiej temperatury
( żarówka),
• naturalne – gwiazdy ( Słońce),
• pobudzone do świecenia cząsteczki gazów w polu elektrycznym
( neonówki),
• w wyniku reakcji chemicznych - ( płomień świecy, organizmy żywe)
• pochłaniane promieniowanie ultrafioletowe tzw. luminofor
w świetlówkach.
Odbicie i rozproszenie światła
Kąt padania α jest równy kątowi odbicia β.
Promień padający, promień odbity i normalna do
Powierzchni leżą w jednej płaszczyźnie.
ZADANIE
Kąt padania promienia świetlnego na lustro jest o 100 mniejszy niż kąt między promieniem
padającym a lustrem. Oblicz kąt odbicia.
Odbicie i rozproszenie światła
Kątem padania nazywamy kąt
pomiędzy promieniem padającym
na powierzchnię odbijającą, a
normalną (prostą prostopadłą do
powierzchni odbijającej).
Kątem odbicia nazywamy kąt
pomiędzy promieniem odbitym, a
normalną.
Kąt padania i kąt odbicia liczone
są od normalnej.
Kąt padania α jest równy kątowi odbicia β.
Promień padający, promień odbity i normalna do
Powierzchni leżą w jednej płaszczyźnie.
ZADANIE
Kąt padania promienia świetlnego na lustro jest o 100 mniejszy niż kąt między promieniem
padającym a lustrem. Oblicz kąt odbicia.
• Z rysunku widać, że oprócz przedmiotu A
pojawiają się w naszym polu widzenia trzy
jego obrazy: B, C i D
Oświetlone miejsce widzimy z dowolnego miejsca, pod dowolnym kątem. Zjawisko
takie nazywamy rozpraszaniem. Mamy z nim do czynienia gdy światło pada na
chropowatą powierzchnię. Promienie światła odbijają się we wszystkie strony od
rozmieszczonych w różny sposób nierówności.
Zwierciadła
• Zwierciadło optyczne jest to gładka powierzchnia
o nierównościach mniejszych niż długość fali
świetlnej.
Z tego względu zwierciadło w
minimalnym stopniu rozprasza światło, odbijając
większą jego część. Dawniej zwierciadła
wykonywano poprzez polerowanie metalu,
później
została
opanowana
technologia
nakładania na taflę szklaną cienkiej warstwy
metalicznej
(zwykle
srebra)
metodami
chemicznymi. Obecnie lustra produkuje się
poprzez próżniowe naparowanie na szkło cienkiej
warstwy metalu (najczęściej glinu).
Zwierciadła płaskie
A
obiekt
A’
obraz pozorny
Zwierciadła :
 wklęsłe
 wypukłe
Zwierciadło sferyczne wklęsłe
• Zwierciadło
sferyczne
wklęsłe
stanowi
wewnętrzną powierzchnie sfery. Kierujemy na
nie wiązkę promieni równoległych.
• Możemy stwierdzić, że:
• odległość OA jest równa długości promienia sfery - R
• punkt F nazywamy ogniskiem zwierciadła, przecinają się w nim
promienie wiązki równoległej odbite od zwierciadła, leży on w
połowie odcinka OA
• odcinek FA nazywamy ogniskową zwierciadła i oznaczamy f.
• Obrazy powstałe w zwierciadle sferycznym zależą od położenia
przedmiotu względem soczewki.
• Przyjmijmy oznaczenia:
x - odległość przedmiotu od zwierciadła
h - wysokość przedmiotu
y - odległość obrazu od zwierciadła
H - wysokość obrazu
f - ogniskowa
p - powiększenie
• Równanie obrazu
• Powiększenie obrazu
1 1 1
 
x y f
y H
p 
x h
Obraz dla x > 2f
(odległość przedmiotu dużo większa od podwójnej ogniskowej)
Rodzaj obrazu:
Odległość obrazu:
• rzeczywisty
• f< y< 2f
• odwrócony,
• pomniejszony (p < 1)
Obraz dla x = 2f
(odległość przedmiotu równa podwójnej ogniskowej)
Rodzaj obrazu:
Odległość obrazu:
• rzeczywisty
• y = 2f
• odwrócony,
• takich samych rozmiarów (p = 1)
Obraz dla f < x < 2f
(odległość przedmiotu większa od ogniskowej i mniejsza od
podwójnej ogniskowej)
Rodzaj obrazu:
• rzeczywisty
Odległość obrazu:
• odwrócony,
• y > 2f
• powiększony (p > 1)
Obraz dla x = f
(odległość przedmiotu równa ogniskowej)
Rodzaj obrazu:
• brak obrazu
Obraz dla x < f
(odległość przedmiotu mniejsza od ogniskowej)
Rodzaj obrazu:
Odległość obrazu:
• pozorny
•y<0
• prosty (nieodwrócony)
• powiększony (p > 1)
Zwierciadło sferyczne wypukłe
Obraz dla x = f
(odległość przedmiotu równa ogniskowej)
Rodzaj obrazu:
Odległość obrazu:
• pozorny,
•y<0
• prosty,
• pomniejszony (p < 1)
Obrazy urojone
(pozorne) są
zawsze proste, a
obrazy
rzeczywiste są
zawsze
odwrócone.
Rodzaj otrzymanego obrazu w zwierciadle wklęsłym
zależy od wartości ogniskowej (f) oraz odległości
przedmiotu od zwierciadła.
Oto przykłady otrzymanych obrazów:
• x>2f - obraz rzeczywisty, pomniejszony, odwrócony
• x = 2f - obraz rzeczywisty, o tych samych rozmiarach,
odwrócony
• f < x < 2f - obraz rzeczywisty, powiększony, odwrócony
• x = f - brak obrazu
• x < f - obraz pozorny, pomniejszony, prosty
Zastosowania zwierciadeł
•
•
•
•
•
•
Zwierciadła płaskie są typem najczęściej
spotykanym w życiu codziennym:
lustra i lusterka powszechnego użytku
(ścienne, łazienkowe, kieszonkowe,
dekoracyjne itp.),
lustra fenickie (często mylnie nazywane
lustrem weneckim) – odmiana lustra, która
odbija część światła, a część
przepuszcza,
w lustrzankach jako element kierujący
światło do wizjera, podnoszony na czas
robienia zdjęcia,
w laserach jako elementy ograniczające wnękę
rezonansową,
jako elementy zmieniające bieg światła w
urządzeniach optycznych
• Zwierciadła wypukłe i wklęsłe
stosowane są między innymi w:
teleskopach
obiektywach lustrzanych
„powiększających” lusterkach kosmetycznych,
samochodowych lusterkach wstecznych,
lustrach ustawionych przy drogach w miejscach szczególnie
niebezpiecznych o ograniczonej widoczności
• lampach i reflektorach,
• lupach, mikroskopach,
• aparatach fotograficznych
•
•
•
•
•
ZAŁAMANIE ŚWIATŁA
Jeżeli wiązka światła pada ukośnie na granicę
dwóch ośrodków, to ulega załamaniu. Promień
padający, normalna do powierzchni granicznej
i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie
powietrze
kąt
padania
normalna
promień
załamany
szkło
kąt
załamania
Względny współczynnik załamania ośrodka 2 (do którego światło weszło)
względem ośrodka 1 (z którego światło wyszło) jest równy stosunkowi
prędkości światła w ośrodku 1 do prędkości światła w ośrodku 2.
gdzie: v1, v2 – prędkości światła w ośrodkach 1 i 2,
λ1, λ2 – długości fal świetlnych w ośrodkach 1 i 2
Bezwzględny współczynnik załamania danego ośrodka jest równy stosunkowi
prędkości światła w próżni do prędkości w danym ośrodku.
gdzie: c – prędkość światła w próżni, v – prędkość światła w danym
ośrodku.
Soczewki – ciała przezroczyste ograniczone z dwóch stron
powierzchnią kulistą lub jedną kulistą a drugą płaską.
skupiające
rozpraszające
Tak zachowuje się światło po przejściu przez
soczewkę:
skupiającą
rozpraszającą
Soczewka skupiająca
Soczewka rozpraszająca
Obrazy otrzymywane za pomocą soczewek zależą
od odległości x przedmiotu od soczewki.
X > 2f obraz : rzeczywisty,zmniejszony, odwrócony
f< x < 2f
obraz : rzeczywisty, powiększony, odwrócony
x< f
obraz: pozorny, powiększony, prosty
Jak za pomocą soczewki skupiającej otrzymać
wiązkę promieni równoległych ?
Należy źródło światła umieścić w ognisku soczewki.
Ognisko soczewki – w optyce, punkt, w
którym przecinają się promienie
świetlne, początkowo równoległe do
osi optycznej, po przejściu przez układ
optyczny skupiający (ognisko
rzeczywiste) lub punkt, w którym
przecinają się przedłużenia tych
promieni po przejściu przez
rozpraszający układ optyczny (ognisko
pozorne).
Ogniskowa– odległość pomiędzy ogniskiem układu optycznego a
punktem głównym układu optycznego, np. odległość środka soczewki
od punktu, w którym skupione zostaną promienie świetlne, które przed
przejściem przez soczewkę biegły równolegle do jej osi.
Zdolność skupiająca – wielkość definiowana dla pojedynczych soczewek
i dla układu optycznego oznaczająca odwrotność ogniskowej soczewki lub
układu. Zdolność zbierającą mierzy się w dioptriach.
Wymiarem dioptrii jest odwrotność metra
• Soczewki są stosowane w wielu przyrządach
optycznych do tworzenia obrazu lub
kształtowania wiązki światła:
* mikroskopach
* lunetach
* lornetkach
* lupach
* okularach leczniczych
* soczewkach kontaktowych
* spektrofotometrach
* aparatach fotograficznych
* kamerach filmowych
* druku soczewkowym
* świetlnych semaforach kolejowych
Pryzmat - bryła z materiału przezroczystego o co najmniej dwóch ścianach płaskich
nachylonych do siebie pod kątem (tzn. kątem łamiącym pryzmatu).
Światło białe wchodząc do pryzmatu, ulega rozszczepieniu,
ponieważ każdej barwie odpowiada inna długość fali, a więc
różna prędkość w ciałach przezroczystych i zgodnie z prawem załamania każda
barwa załamie się pod innym kątem – powstanie widmo ciągłe.
długość fal świetlnych
800 nm
Najbardziej odchyli się barwa fioletowa, najmniej czerwona
.
400 nm