Zjawiska optyczne
advertisement
Projekt edukacyjny Przyroda, która stworzyła najpiękniejsze góry świata nie poskąpiła nam też innych doznań, które nie istotne w zwykłej szarej codzienności, nabierają innego wymiaru. Na co dzień możemy obserwować różnorakie zjawiska optyczne w przyrodzie. Zjawiskiem optycznym możemy nazwać wszystkie tęcze na niebie, zachody i wschody słońca itp. Któż z nasz fascynuje się burzą stojąc w korku, lub poranną rosą na trawniku? W górach można spotęgować swoje doznania upajając się nie tylko pięknymi widokami, ale także niesamowitymi zjawiskami meteo na ich tle. Zjawiskiem optycznym możemy nazwać każde zjawisko dotyczące światła z materią. Niektóre z nich powtarzają się bardzo często, inne są wielką rzadkością i trzeba mieć dużo szczęścia, aby je zobaczyć. 1. Czym jest światło? 2. Co to jest zwierciadło optyczne? 3. Jak działa soczewka? 4. Gdzie i jak występuje fatamorgana? 5. Co to jest pryzmat? Czym jest światło? 1. Światło potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm. 2. W nauce pojęcie światła jest jednak szersze (używa się pojęcia promieniowanie optyczne), gdyż nie tylko światło widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień można obserwować i mierzyć korzystając z podobnego zestawu przyrządów, a wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki. 3. W naukach ścisłych używa się określenia promieniowanie optyczne tj. promieniowania podlegającego prawom optyki geometrycznej oraz falowej. Przyjmuje się, że promieniowanie optyczne obejmuje zakres fal elektromagnetycznych o długości od 10 nm. do 1 mm, podzielony na trzy zakresy – podczerwień, światło widzialne oraz ultrafiolet. 4. Nauka zajmująca się badaniem światła to optyka. Współczesna optyka, zgodnie z dualizmem korpuskularno-falowym, postrzega światło jednocześnie jako falę elektromagnetyczną oraz jako strumień cząstek nazywanych fotonami. 5. Światło porusza się w próżni zawsze z taką samą prędkością zwaną prędkością światła. Jej wartość oznaczana jako c jest jedną z podstawowych stałych fizycznych i wynosi 299 792 458 m/s. Prędkość światła w innych ośrodkach jest mniejsza i zależy od współczynnika załamania danego ośrodka. 6. Światło widzialne – ta część promieniowania elektromagnetycznego, na którą reaguje siatkówka oka człowieka w procesie widzenia. Dla człowieka promieniowanie to zawiera się w przybliżeniu w zakresie długości fal 380780 nm (co najmniej), dla różnych zwierząt zakres ten bywa nieco odmienny lecz o zbliżonych wartościach. 7. Energia promieniowania słonecznego (irradiancja) zawiera się w większości pomiędzy falami o długości 280-4000 nm. i odpowiada dość dokładnie promieniowaniu ciała doskonale czarnego w temperaturze około 6000 K. W tabeli podany jest podział promieniowania słonecznego w różnych pasmach. Około połowy energii całkowitego promieniowania słonecznego znajduje się w świetle widzialnym i ultrafiolecie, a druga połowa znajduje się w bliskiej i średniej podczerwieni (700-4000 nm). Transmisja światła widzialnego w atmosferze i wodzie 8. Światło widzialne jest w małym stopniu absorbowane zarówno przez atmosferę ziemską, jak i przez wodę. Rysunek stałych optycznych wody (od 200 nm do 200 μm) przedstawia absorpcję w dużym zakresie długości fal. Na wykresie widać, że zakres światła widzialnego jest wyjątkowy. Współczynnik absorpcji jest kilka rzędów wielkości mniejszy w świetle widzialnym niż w paśmie ultrafioletu lub podczerwieni. Tylko w tym zakresie światło może przenikać w głąb oceanu (do około 100 m), tworząc tzw. strefę eufotyczną i dostarczając niezbędnej energii do produkcji fitoplanktonu. Jak wyjątkowy jest zakres 400-700 nm można ocenić przez kontrast z promieniowaniem w bliskiej podczerwieni, które jest absorbowane przez warstwę około jednego milimetra na powierzchni oceanu (innymi słowy powierzchnia oceanu jest czarna w tym zakresie widmowym). Zakres 380–710 nm to równocześnie zakres promieniowania czynnego fotosyntetycznie. 9. Podobnie jest w atmosferze ziemskiej – w świetle widzialnym absorpcja przez gazy i chmury jest stosunkowo mała (porównaj rysunek), co umożliwia dotarcie promieniowania widzialnego do powierzchni ziemi i oceanu. Obszary (długości fali) dużej transmisji nazywamy oknami atmosferycznymi. W świetle widzialnym (VIS) promieniowanie słoneczne jest stosunkowo mało absorbowane (okno światła widzialnego). W bliskiej podczerwieni (IR) widać szereg pasm absorpcyjnych pary wodnej. Znaczna część promieniowania słonecznego jest pochłaniana lub odbijana przez ziemską atmosferę. Ultrafiolet pochłaniany jest w dużej mierze przez tlen, zwłaszcza w postaci ozonu (ozonosfera), podczerwień przez gazy cieplarniane (metan, podtlenek azotu, dwutlenek węgla, para wodna). W związku z tym atmosfera ziemska jest przezroczysta głównie dla światła widzialnego. Wobec tego, fizjologia oka (to, że dobrze widzimy w paśmie ok. 400-700 nm) może być związana z faktem, że woda morska transmituje światło widzialne. Można również doszukiwać się powiązań ewolucyjnych między wykorzystywaniem światła przez barwniki fotosyntetyczne, fitochromy i fotoreceptory. Odbicie światła Światło padające na granicę dwóch ośrodków może ulec odbiciu. Dzieje się tak bardzo często, przy czym dodatkowo część wiązki świetlnej może dodatkowo ulegać załamaniu Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że powraca ona do medium, z którego pochodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła. Odbicie wazy w lustrze Prostopadła do powierzchni odbijającej w punkcie padania promienia zwana jest normalną padania. Kąt padania to kąt między promieniem padającym a normalną do powierzchni (osią prostopadłą do powierzchni) Kąt odbicia to kąt między promieniem odbitym a normalną do powierzchni (osią prostopadłą do powierzchni) Prawo odbicia światła β=α Promień odbity jest równy promieniowi padającemu. Kąt odbicia równy jest kątowi padania. Kąty - padania i odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. Warto zwrócić uwagę na fakt, że zarówno kąt padania, jaki i odbicia liczone są od normalnej, a nie od powierzchni rozgraniczającej ośrodki. Typowe, najbardziej nam znane odbicie zachodzi wtedy, gdy drugi ośrodek jest w ogóle nieprzepuszczalny dla światła. Jeżeli dodatkowo w tym drugim ośrodku światło nie jest pochłaniane, to cała wiązka ulega odbiciu. W ten sposób otrzymujemy zwierciadło. Odbicie zwierciadlane może mieć miejsce na gładkiej powierzchni oddzielającej dwa różne materiały, np. lustro wody albo metalizowana powierzchnia. Rozproszenie światła Światło odbite przez ciało (rozproszone na jego powierzchni) jest odbijane przez lustro i dociera do naszych oczu. Nam wydaje się, że światło zostało wysłane przez ciało znajdujące się za lustrem, to \"nieprawdziwe\" ciało nazywamy obrazem. Ponieważ obraz ciała znajduje się za powierzchnią zwierciadła, nazywamy go obrazem pozornym. Załamanie światła Załamanie różni się zdecydowanie od odbicia, ponieważ w jego wyniku światło zmienia ośrodków jakim się rozchodzi. Wraz ze zmianą ośrodka dochodzi najczęściej do zmiany kierunku rozchodzenia się światła. Załamanie światła powoduje szereg ciekawych efektów - m.in. złudzenie "złamania" łyżeczki od herbaty umieszczonej w szklance, nieprawidłowej lokalizacji dna jeziora, gdy patrzymy na nie z brzegu. Załamanie światła jest wykorzystywane do budowy soczewek stosowanych w okularach, obiektywach aparatów, lunetach i innych przyrządach optycznych. Załamanie występuje m.in. gdy światło przechodzi: z powietrza do wody z wody do powietrza ze szkła do powietrza z powietrza do szkła z warstwy powietrza gęstszego do rzadszego itd... Ogólnie - światło będzie się załamywać prawie zawsze gdy zmienia się ośrodek. Warto dość mocno skojarzyć sobie załamanie ze zmianą ośrodka, bo istnieje podobne w nazwie zjawisko optyczne – ugięcie, które może się pomylić z załamaniem. Ugięcie ma inną naturę (zachodzi w jednym ośrodku) i inaczej przebiega, tak więc pomylenie tych zjawisk byłoby poważnym błędem. Załamanie światła jest podstawowym zjawiskiem na którym opiera się funkcjonowanie soczewek i pryzmatów. Z załamaniem światła wiąże się dodatkowy efekt związany z tym, że promienie o różnych barwach dość często załamują się różnie. PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA Zmiana kierunku promieni świetlnych podczas załamania nie jest przypadkowa. Opisuje to prawo załamania światła nazywane niekiedy prawem Snelliusa* *Prawo Snelliusa (załamania, refrakcji, Snella) – prawo fizyki opisujące zmianę kierunku biegu promienia światła przy przejściu przez granicę między dwoma ośrodkami przezroczystymi o różnych współczynnikach załamania. Prawo znane jest jako prawo Snella (holenderski astronom i matematyk), który jako pierwszy opublikował poprawne rozumowanie dotyczące zagadnienia w roku 1621. Prawo załamania światła Gdzie: α–kąt padania β–kąt załamania v1–prędkość światła w ośrodku 1 v2–prędkość światła w ośrodku 2 Stosunek sinusa kąta padania, do sinusa kąta załamania jest dla danych ośrodków stały i równy stosunkowi prędkości fali w ośrodku pierwszym, do prędkości fali w ośrodku drugim. Kąty padania i załamania leżą w tej samej płaszczyźnie Co to jest zwierciadło optyczne? 1. Zwierciadło optyczne, lustro – 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 możemy podzielić ze względu na kształt powierzchni. 2. Wyróżniamy zatem zwierciadła płaskie (stosowane głównie w celu zmienienia kierunku biegu bądź też rozdzielenia promieni świetlnychtzw. zwierciadła półprzepuszczalne; w zwierciadle płaskim obraz obiektu znajduje się poprzez wykonanie odbicia symetrycznego względem płaszczyzny zwierciadła powstały obraz jest pozorny, prosty i tej samej wielkości), wklęsłe/skupiające (obraz pozorny, prosty i powiększony) oraz wypukłe/rozpraszające (służące ogniskowaniu czy też rozogniskowywaniu promieni świetlnych, przy czy pełnią rolę analogiczną jak w przypadku soczewek optycznych, z tym, że zwierciadła wklęsłe są odpowiednikiem soczewek skupiających, natomiast zwierciadła wypukłe pełnią rolę analogiczną do soczewek rozpraszających). Kolejnym kryterium podziału zwierciadeł może być rodzaj krzywizny, jaką powodują. I tak, wyróżniamy zwierciadła sferyczne (o powierzchni będącej fragmentem sfery, wykorzystuje się je podobnie jak soczewkę), cylindryczne, paraboliczne/paraboloidalne (o krzywiźnie będącej fragmentem paraboloidy obrotowej), czy hiperboliczne (hiperboloidalne). Zwierciadło płaskie W zwierciadle płaskim obraz obiektu znajduje się poprzez wykonanie odbicia symetrycznego względem płaszczyzny zwierciadła. Tak, więc w zwierciadle płaskim obraz przedmiotu jest: - pozorny, czyli został utworzony przez przedłużenia promieni świetlnych. - prosty, czyli nie odwrócony. O obrazie odwróconym będziemy mówili np. w przypadku zwierciadeł - tej samej wielkości, czyli powiększenie obrazu (stosunek wysokości przedmiotu do wysokości obrazu, H/h=1) Bieg promieni w zwierciadle płaskim. A – obiekt, A – obraz pozorny Zastosowanie zwierciadeł płaskich Płaskie zwierciadło służy głownie do zmiany kierunku biegu promieni świetlnych i wykorzystujemy je miedzy innymi: 1. W lusterkach wstecznych w samochodzie 2. W zwierciadłach zmieniających kierunek wiązki w teleskopach (szczególnie zwierciadlanych) współpracują z wklęsłymi. 3. W peryskopach - często zamieniane pryzmatami 4. W aparatach fotograficznych, tzw. lustrzankach 5. W precyzyjnych przyrządach wskazówkowych, jako cześć skali dla uniknięcia zjawiska paralaksy. 6. W telewizorach projekcyjnych ( z tylna projekcja na matówkę) 7. W przyrządach pomiarowych, w których wskazówka jest promień świetlny odchylany obracającym sie lustrem 8. W najnowszych telewizorach w technolog DLP, gdzie miliony miniaturowych lusterek modulują strumień światła 9. W łazience i zakładzie fryzjerskim 10. W dyskotece, gdzie SA kule oblepione takimi lusterkami 11. I w wielu innych miejscach... Zwierciadło kuliste /sferyczne Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni kuli. Jeśli jako zwierciadło wykorzystujemy wewnętrzną powierzchnię kuli, to jest to zwierciadło wklęsłe. Konstrukcją obrazów powstałych w zwierciadle wklęsłym. Zwierciadło sferyczne ma powierzchnię będącą fragmentem sfery. Promienie biegnące równolegle do osi symetrii sfery, po odbiciu od lustra przechodzą przez lub w pobliżu ogniska optycznego (pod warunkiem, że biegną dostatecznie blisko osi symetrii). Odległość ogniskowa mierzona jako odległość ogniska od wierzchołka zwierciadła (czyli najgłębiej położonego punktu czaszy zwierciadła), wynosi f=R/2, gdzie R jest promieniem krzywizny. Dzięki temu lustro sferyczne może być wykorzystywane w podobny sposób jak soczewka. Zwierciadło kuliste wklęsłe jest fragmentem sfery, w której powierzchnią odbijającą jest powierzchnia wewnętrzna. Typowe parametry zwierciadeł wklęsłych to: – promień krzywizny r – promień sfery, której fragmentem jest zwierciadło, – główna oś optyczna – prosta przechodząca przez środek krzywizny zwierciadła i przez geometryczny środek zwierciadła, – środek krzywizny zwierciadła – środek sfery, – ognisko F – punkt, w którym skupiają się promienie odbite od zwierciadła, biegnące przed zwierciadłem równolegle do jego osi optycznej, – ogniskowa f – odległość ogniska od środka zwierciadła. • Obrazy w zwierciadle kulistym wklęsłym mogą być rzeczywiste i pozorne, proste i odwrócone oraz powiększone i pomniejszone. Charakter obrazu zależy od odległości x przedmiotu od zwierciadła. • Zwierciadło kuliste wypukłe jest fragmentem sfery, w której powierzchnią odbijającą jest powierzchnia zewnętrzna. Zwierciadło wypukłe posiada ognisko pozorne. Jest to punkt, w którym przecinają się przedłużenia promieni odbitych od zwierciadła (wiązka odbita jest bowiem rozbieżna). • Obraz w zwierciadle kulistym wypukłym ma zawsze te same cechy: jest pozorny, prosty i pomniejszony. Jego wielkość wzrasta, gdy przedmiot zbliżamy do zwierciadła. Konstrukcję typowego obrazu w takim zwierciadle przedstawiono na rysunku. Zastosowanie zwierciadeł kulistych: Zwierciadło kuliste wklęsłe: - reflektor samochodowy - teleskop zwierciadlany - lampa halogenowa - latarka - grafoskop (rzutnik pisma na ścianę) - mikroskop itp. Zwierciadła wypukłe: - sklepy spożywcze - skrzyżowania ulic z miejscami o ograniczonej widoczności - lusterka samochodowe zewnętrzne - lusterka kosmetyczne - obiektyw lustrzany - okulary itp. Jak działa soczewka? 1. Soczewka to proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku sklejonych razem bloków przezroczystego materiału (zwykle szkła, ale też różnych tworzyw sztucznych, żeli, minerałów, a nawet parafiny ). Istotą soczewki jest to, że przynajmniej jedna z jej powierzchni roboczych jest zakrzywiona, np. jest wycinkiem sfery, innej obrotowej krzywej stożkowej jak parabola, hiperbola lub elipsa, albo walca. 2. Typy soczewek Najczęściej spotykany typ soczewki to soczewka sferyczna, której przynajmniej jedna powierzchnia jest wycinkiem sfery. Każda z powierzchni takiej soczewki może być wypukła, wklęsła lub płaska i stąd mówi się o soczewkach dwuwypukłych, płasko-wklęsłych itd. 3. Ognisko i ogniskowa Podstawową funkcją soczewek jest symetryczne względem osi skupianie lub rozpraszanie światła. Stąd każda soczewka posiada oś optyczną i punkt, w którym skupia się wiązka równoległa do osi optycznej, zwany ogniskiem soczewki. Odległość ogniska od środka optycznego soczewki nazywa się jej ogniskową. Ogniskowa f zależy od promieni krzywizny obu powierzchni roboczych R1 i R2 oraz współczynników załamania: materiału, z którego zrobiona jest soczewka n i otoczenia nm (dla powietrza i wzór upraszcza się). Wzór stosuje się zarówno do wklęsłych, jak i wypukłych soczewek. Przyjęto w nim następującą konwencję: dla powierzchni wypukłej promień krzywizny jest dodatni, a dla wklęsłej ujemny. Jeżeli któraś z powierzchni jest płaska, to jej promień krzywizny jest nieskończony, a jego odwrotność wynosi zero. Rozważmy dwa proste przykłady: po pierwsze, soczewkę wypukło-wypukłą o takich samych promieniach krzywizny R > 0. Zgodnie z konwencją w powyższym wzorze wstawiamy R1 = R2 = R i przyjmując nm = 1 otrzymujemy Dla większości materiałów n > 1, więc taka soczewka będzie miała dodatnią ogniskową i będzie soczewką skupiającą. Im większy współczynnik załamania i mniejszy promień krzywizny, tym krótsza będzie ogniskowa soczewki. Analogicznie, soczewka wklęsło-wklęsła będzie soczewką rozpraszającą. Odwrotność ogniskowej nazywa się zdolnością zbierającą soczewki i jest mierzona w dioptriach. 4. Zastosowanie 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 Gdzie i jak występuje fatamorgana? 1. Miraż/fatamorgana to zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości. Początkowo fatamorganą nazywano miraże pojawiające się w Cieśninie Mesyńskiej, gdzie są one najefektowniejsze. W Polsce pojawiają się na Pustyni Błędowskiej oraz na Wyżynie Śląskiej. Miraże dzielą się na 2 rodzaje – miraż dolny i górny. Miraż dolny obserwuje się pod horyzontem. Decydującym czynnikiem warunkującym jego powstawanie jest dostatecznie silne nagrzanie dużej powierzchni podłoża (np. piasku na pustyni, asfaltowej szosy, ściany dużego budynku itp.). Promienie świetlne są wówczas zakrzywiane w górę, ku chłodniejszemu, a więc gęstszemu powietrzu. Sytuacja taka ma na przykład miejsce na obszarach pustynnych, gdzie pod wieczór piasek oddaje swe ciepło, ogrzewając warstwę powietrza tuż nad swoją powierzchnią, podczas gdy wyższa warstwa jest już chłodna. Zakrzywione promienie docierają do oka obserwatora pozornie z innego kierunku co wywołuje powstanie obrazu zwierciadlanego. Miraże dolne mogą być odwrócone lub proste. Podobnie powstaje miraż obserwowany na rozgrzanej drodze. Wygląda on jak kałuża wody, w której widzimy odbicie. Jest to efekt pozornych odbić dalekiego krajobrazu. Miraż górny to zjawisko załamania występujące wielokrotnie w kolejnych warstwach powietrza, powodujące że światło rozchodzi się po linii krzywej. Jeżeli obserwator znajdzie się w miejscu, gdzie dochodzi światło odbite od statku, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka, zobaczy prosty obraz statku na tle nieba. Miraż górny najczęściej jest obserwowany w wysokich szerokościach geograficznych. Co to jest pryzmat? Pryzmat – bryła z materiału przezroczystego o co najmniej dwóch ścianach płaskich nachylonych do siebie pod kątem (tzn. kątem łamiącym pryzmatu). Używany w optyce do zmiany kierunku biegu fal świetlnych, a poprzez to, że zmiana kierunku zależy od długości fali, jest używany do analizy widmowej światła. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia pozwala użyć pryzmatu jako idealnego elementu odbijającego światło. Pryzmaty wykorzystywane są w produkcji wielu urządzeń optycznych, np.: lornetek, peryskopów. Szczegółowe rozwiązania geometryczne takich pryzmatów to: - pryzmat prostokątny (γ = 90°, światło pada i wydostaje się prostopadle do ścianek, wykorzystuje się tu odbicie całkowite wewnętrzne), - pryzmat achromatyczny (sklejony z dwóch pryzmatów wykonanych z różnych gatunków szkła o tak dobranych n i γ, by kąty odchylenia dla światła czerwonego i niebieskiego były sobie równe), - pryzmat rombowy (w przekroju romb, złożenie dwóch pryzmatów prostokątnych), - pryzmat pentagonalny (o przekroju pięciokątnym, dwa całkowite wewnętrzne odbicia), - pryzmat à vision directe (pryzmat o przekroju trapezowym, sklejony z 3 lub 5 pryzmatów trójgraniastych wykonanych z różnych gatunków szkła, dobranych tak, by promień o wybranej barwie przechodził bez odchylenia. Modyfikacje: pryzmat Amiciego i pryzmat Dollonda), pryzmat Porro (dwa pryzmaty prostokątne, których krawędzie łamiące są wzajemnie prostopadłe, wykorzystywany jako układ odwracający.), itd. Działanie pryzmatu: Promień światła jednobarwnego (monochromatycznego) przechodząc przez pryzmat załamuje się dwa razy; raz ku prostopadłej, gdy wchodzi do pryzmatu, a następnie od prostopadłej – gdy wychodzi z pryzmatu. W efekcie promień po przejściu przez pryzmat jest odchylony od kierunku pierwotnego. Koniec Dziękujemy za uwagę Projekt wykonali: 1. Mateusz Babacz 2. Kamil Ciszak 3. Marcel Koziorowski 4. Tomasz Szydlarek 5. Kamil Świątek 6. Jonasz Witasik Nauczyciel prowadzący: Mgr Agnieszka Hildebrandt
