Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Budowlanych im Kazimierza Wielkiego w Szczecinie • ID grupy: • 97/26_mf_g1 • Kompetencja: • Matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: • Zjawiska optyczne w atmosferze • Semestr/rok szkolny: • 2009/2010

3. PLAN PREZENTACJI • OGÓLNE POJĘCIE ŚWIATŁA. • SYLWETKI NAUKOWCÓW ZAJMUJĄCYCH SIĘ • BADANIEM ŚWIATŁA. • OPTYKA GEOMETRYCZNA. • ZWIERCIADŁA. • OPTYKA FALOWA. • ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE.

4. Ogólne pojęcie światła Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień. 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, a wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki.

5. Zakres promieniowania widzialnego

6. Prędkość światła Światło, tak jak i każda fala elektromagnetyczna, rozchodzi się w próżni ze stałą prędkością, która jest równa c=299792 km/s, niezależnie od jego barwy, czyli od długości fali. Prędkość v rozchodzenia się fal w ośrodku innym niż próżnia jest mniejsza i zależy od własności elektrycznych i magnetycznych tego ośrodka. Po raz pierwszy prędkość światła próbował zmierzyć włoski fizyk Galileo Galilei, zwany dziś Galileuszem, jednak nie udało mu się to. Dziś mamy kilka doświadczeń pozwalających nam to uczynić. doświadczenie Romera koła zębate Fizeau wirujące zwierciadła Foucaulta metody rezonatora wnękowego Essena detektor światła modulowanego

7. Sylwetki naukowców zajmujących się badaniem światła • Alhazen • Johann Kepler • Kartezjusz • Galileusz • Olaf Romer • Isaac Newton • Albert Einstein

8. 1. alhazen Zajmował się teorią światła, załamywaniem i rozszczepianiem się promieni słonecznych. Opracował matematyczne podstawy optyki. Jego najważniejsze dzieło to Al-Manzir (Optyka).

9. 2. Johann kepler • Pod wpływem dzieł Alhazena, wyobrażał sobie oko, jako kamerę, do której światło wpada przez źrenicę i tworzy obraz na siatkówce.

10. 3. Kartezjusz • Wyjął oko z martwego wołu, uczynił tylną ściankę przeźroczystą i zobaczył rzeczywisty odwrócony obraz wytworzony na siatkówce. Dzisiaj wiemy, że dzięki obróbce przez mózg zwierząt lub człowieka obrazy powstałe na siatkówce są widziane poprawnie (tj. są ponownie odwracane).

11. 4. Galileusz • Odkrył prawa ruchu wahadła i swobodnego spadania ciał. Próbował po raz pierwszy zmierzyć prędkość światła.

12. 5. Olaf romer • Udowodnił, że światło rozchodzi się z ograniczoną szybkością.

13. 6. Isaac newton • Głosił, że światło ma naturę korpuskularną, czyli że składa się z cząstek. Był pierwszym, który zdał sobie sprawę, że widmo barw obserwowane podczas padania białego światła na pryzmat jest cechą padającego światła, a nie pryzmatu, jak głosił 400 lat wcześniej Roger Bacon.

14. 7. Albert einstein • Twórca ogólnej i szczególnej teorii względności, współtwórca korpuskularno-falowej teorii światła. Laureat Nagrody Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego.

15. Optyka geometryczna Na wstępie należy powiedzieć, że optyką geometryczną rządzą trzy podstawowe i często spotykane prawa, których nie sposób pominąć podczas omawiania tego działu. Są to: • Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła w ośrodkach jednorodnych. • Prawo odbicia światła. • Prawo załamania światła.

16. 1. Prostoliniowe rozchodzenie się światła – powstawanie cienia i półcienia • W ośrodku jednorodnym promień świetlny biegnie po linii prostej • Zwrot biegu promienia jest odwracalny – jeżeli promień poruszał się wzdłuż określonej drogi z punktu A do B, to przebędzie te samą drogę poruszając się z B do A. • Jedną z konsekwencji prostoliniowego rozchodzenia się światła jest powstawanie cienia i półcienia.

17. Powstawanie cienia

18. Powstawanie półcienia

19. 2. Prawo odbicia światła • Promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni granicznej wystawiona w punkcie padania promienia leżą w jednej płaszczyźnie i kąt padania równa się kątowi odbicia α=β. 

20. 3. 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) – Stosunek sinusa kata padania do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka drugiego n2 do bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka pierwszego n1, czyli współczynnikowi względnemu załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego

21. zwierciadła • ZWIERCIADŁO PŁASKIE • ZWIERCIADŁA SFERYCZNE • wklęsłe • wypukłe

22. 1. Zwierciadło PŁASKIE • Wypolerowana płaszczyzna. Poniższy rysunek pokazuje, zgodnie z prawem odbicia światła, schemat konstrukcji obrazu otrzymywanego w tym zwierciadle. Obraz przedmiotu powstaje w miejscu przecięcia się przedłużeń promieni odbitych od zwierciadła płaskiego. Powstały w ten sposób obraz nazywamy obrazem pozornym. Odległość przedmiotu od zwierciadła jest równa odległości obrazu od zwierciadła. Obrazu pozornego nie możemy uwidocznić na ekranie.

23. 2. Zwierciadła sferyczne • a) wklęsłe – powierzchnią odbijającą jest wewnętrzna strona sfery

24. b) wypukłe – powierzchnią odbijającą jest zewnętrzna strona sfery

25. Przykład konstrukcji obrazów w zwierciadłach, odpowiednio wklęsłym i wypukłym

26. Rodzaje obrazów powstających w zwierciadłach • Weźmy pod uwagę trzy kryteria: powiększenie, obraz i orientacja obrazu. • Patrząc na kryterium które nazwaliśmy powiększenie obraz może być powiększony, pomniejszony bądź tej samej wielkości. • Możemy otrzymać obrazy rzeczywiste – powstaje wskutek przecięcia promieni świetlnych lub pozorne - powstaje w wyniku przecięcia się przedłużeń promieni świetlnych. • Ze względu na ostatnie kryterium obraz może być prosty lub odwrócony.

27. Optyka falowa • Potwierdzeniem falowej natury promieniowania świetlnego są zjawiska dyfrakcji (ugięcia) i interferencji światła. • Zjawisko dyfrakcji można zaobserwować przy przejściu światła przez wąskie szczeliny lub przeszkody. Interferencję światła można uzyskać przez rozdwojenie wiązki promieni pochodzących z jednego źródła i wytworzenie między nimi różnicy dróg, wskutek czego do określonego punktu powierzchni oświetlonej docierają fale świetlne o jednakowej długości i różnicy faz. Po raz pierwszy uzyskał tą metodą interferencję światła Young przez ugięcie fal na dwóch szczelinach.

28. Wiązkę światła jednobarwnego rzucamy przez niewielką szczelinę Q na przesłonę P zaopatrzoną w dwie bardzo wąskie i blisko siebie położone szczeliny (1 i 2). Na ekranie E ustawionym za przesłoną nie otrzymujemy jednak obrazu szczelin, którego można się było spodziewać, lecz wiele jasnych prążków J, zwanych prążkami interferencyjnymi - oddzielonych od siebie ciemnymi przerwami C. Jest to wynik zjawiska interferencji.

29. Zjawiska optyczne w atmosferze • WIENIEC • GLORIA • HALO • IRYZACJA • TĘCZA • ZORZA POLARNA • SŁUP ŚWIATŁA • WIDMO BROCKENU • ZAĆMIENIE SŁOŃCA • TROCHĘ O MIRAŻACH

30. 1. Wieniec To zjawisko zachodzi wówczas, gdy Słońce lub Księżyc są przesłonięte cienką, półprzeźroczystą warstwą chmury lub mgły, zwykle ma postać barwnej poświaty (aureoli) wokół tarczy Słońca lub Księżyca, niebieskiej od strony wewnętrznej, czerwonej na zewnątrz. Często poświata jest otoczona słabo zabarwionymi, koncentrycznymi kręgami o tym samym układzie barw, niekiedy pojawiają się tylko pierścienie, a poświata nie występuje. Wieńce powstają wskutek dyfrakcji światła w warstwie chmury lub mgły.

31. 2. Gloria Zjawisko optyczne polegające na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Gloria powstaje na skutek dyfrakcji (ugięcia fal) i odbicia światła na kroplach wody. Jest podobna do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego.

32. 3. HALO • Zjawisko optyczne zachodzące w atmosferze ziemskiej. Jest to świetlisty, biały lub zawierający kolory tęczy (wewnątrz czerwony, fioletowy na zewnątrz), pierścień widoczny wokół słońca lub księżyca. Część nieba wewnątrz kręgu jest tak samo ciemna jak na zewnątrz. Zjawisko wywołane jest załamaniem na kryształach lodu i odbiciem wewnątrz kryształów lodu znajdujących się w chmurach lub we mgle lodowej.

33. 4. IRYZACJA • To zjawisko optyczne polegające na powstawaniu tęczowych barw w wyniku interferencji światła białego odbitego od przezroczystych lub półprzezroczystych ciał składających się z wielu warstw substancji o różnych własnościach optycznych. Występuje m.in. na powierzchni minerałów, plamach cieczy (np. benzyny), bańkach mydlanych a czasem w atmosferze – na chmurach. Bywa też wywoływane sztucznie i wykorzystywane przy produkcji ozdobnych iryzowanych wyrobów szklanych i ceramicznych

34. 5. TĘCZA Zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego gdy Słońce oświetla krople wody w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła załamującego się i odbijającego się wewnątrz kropli wody (np. deszczu) o kształcie zbliżonym do kulistego. Rozszczepienie światła jest wynikiem zjawiska dyspersji, powodującego różnice w kącie załamania światła o różnej długości fali przy przejściu z powietrza do wody i z wody do powietrza.

35. 6. ZORZA POLARNA • Wiadomo tylko tyle, że przyczyną powstawania zorzy polarnej jest wiatr słoneczny, zatrzymywany w rozciągliwym magnetycznym ogonie ciągnącym się na setki tysięcy kilometrów w nocnym cieniu naszego globu. Co jakiś czas ogon ten staje się zbyt rozciągnięty i jak napięta gumka wraca, wystrzeliwując w kierunku Ziemi cały przechowywany ładunek protonów i elektronów. Zjawisko to trwa to od 10 minut do kilku godzin, w czasie których na ziemskich biegunach pojawiają się zorze. Światło jest skutkiem zderzeń rozpędzonych cząstek z atomami atmosferycznych gazów.

36. 7. Słup światła W chmurach piętra górnego zbudowanych z kryształków lodowych, zwłaszcza w chmurach warstwowo-pierzastych, powstają zjawiska, zwane halo. Tak nazywają się przede wszystkim jasne pierścienie (kręgi) o środkach, położonych centralnie w Słońcu lub Księżycu. Oprócz pierścieni, które są podstawowymi postaciami zjawisk halo występują również pionowe słupy świetlne, przechodzące przez tarczę Słońca lub Księżyca i obserwowane powyżej i poniżej tych ciał niebieskich, oraz bezbarwny poziomy krąg przysłoneczny, położony na tej samej wysokości kątowej co Słońce. Słup światła występuje przy chmurach typu Cirrus i Altocumulus.

37. 8. Widmo brockenu • Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym rzadko występującym w atmosferze ziemskiej. Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem, gdy powiększony do nadnaturalnej wielkości cień obserwatora pojawia się na rozpostartych wprost przed nim, albo niżej od niego chmurach warstwowych, zalegających w dolinach (tzw. morze chmur, morze mgieł). Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a spełniającymi rolę potężnego ekranu chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury. Cień często otoczony jest barwną aureolą. Jeżeli w "widowisku" bierze udział kilka osób, to każda z nich widzi jedynie swoją aureolę.

38. 9. ZAĆMIENIE SŁOŃCA Zaćmienie Słońcapowstaje, gdy Księżyc znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią i tym samym przesłoni światło słoneczne Rodzaje zaćmień Słońca a) zaćmienie częściowe b) zaćmienie całkowite c) zaćmienie obrączkowe - zwane również zaćmieniem pierścieniowym d) zaćmienie hybrydowe Całkowite zaćmienie Słońca 29 marca 2006 r. (zdjęcie NASA) Schemat zaćmienia Słońca (rysunek z podręcznika J. Gintera)

39. 10. Trochę O MIRAŻACH • … Cud wielki ukazał się nad Kijowem. Zjechali panowie i hetmani cud ten podziwiać: oto stały się widoczne wszystkie krańce świata. Zasiniał Liman w oddali, za Limanem widniało Morze Czarne. Ludzie bywali rozpoznawali i Krym wznoszący się nad morzem, i błoniasty Siwasz. Po lewicy można było dostrzec Ziemię Halicką. • - A co to takiego? – pytali starych ludzi zebrani wskazując majaczące na tle nieba i raczej obłokom podobne siwe i białe szczyty. • -To góry Karpackie – mówili starzy ludzie … • Mikołaj W. Gogol Straszna Zemsta • Gdyby ktoś się zastanawiał to nie bajki a opowieści o rzeczywistych zjawiskach atmosferycznych – mirażach.

40. Miraże atmosferyczne dzielimy zazwyczaj na trzy kategorie. Do pierwszej z nich zaliczamy tak zwane miraże jeziorne budzące tak wiele nadziei i przynoszące tak wiele rozczarowań wędrowcom na pustyniach. Miraże drugiej kategorii to miraże górne. Oto opis takiego mirażu Na Lazurowym Wybrzeżu we Francji wczesnym, pogodnym rankiem z wód Morza Śródziemnego wznosi się na horyzoncie ciemny łańcuch gór, w którym mieszkańcy Riwiery rozpoznają Korsykę. Odległość do Korsyki wynosi stąd 200 km … Miraże trzeciej kategorii – skrajnie dalekiego widzenia. „Opierając się na świadectwie kilku osób, zasługujących na zaufanie – pisze K. Flammarion w książce Atmosfera – mogę poinformować o mirażu, który widziano w mieście Verviers (Belgia) w czerwcu 1815 roku. Pewnego razu mieszkańcy miasta ujrzeli rankiem na niebie wojsko, tak wyraźnie, że można było rozróżnić mundury artylerzystów, działo, od którego odpadło właśnie złamane koło … Był to poranek bitwy Waterloo!” (odległość między miastami wynosi w linii prostej 105 km)

41. BIBLIOGRAFIA • http://uci.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/a_e_fizyka/index0.htm • http://www.optyka.if.pwr.wroc.pl/ • http://pl.wikipedia.org/ • www.phys.uni.torun.pl/~andywojt • ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE, WIKIENTIJ BUŁAT • FIZYKA DOŚWIADCZALNA, SZCZEPAN SZCZENIOWSKI • WSTĘP DO OPTYKI, JURGEN R. MEYER-ARENDT