OPTYKA

1. OPTYKA

2. OPTYKA czyli nauka o świetle

3. ŹRÓDŁA ŚWIATŁA Źródłami światła są wszystkie ciała świecące światłem własnym. Najsilniejszymi źródłami światła docierającymi do Ziemi są gwiazdy. Źródłami są również inne ciała wysyłające światło w wyniku: • Podgrzania do wysokiej temperatury (żarówka), • Pobudzenia do świecenia cząsteczek gazów w silnym polu elektrycznym (neonówka), • Pochłaniania promieniowania ultrafioletowego (luminofor), • Reakcji chemicznych (płomień świecy).

4. Czym jest światło? • W XVII wieku istniały dwie teorie na temat tego czym jest światło: • 1. Isaac Newton uważał, że światło jest strumieniem korpuskuł • (czyli poruszających się cząstek), • 2. Christiaan Huygens twierdził, że jest to fala. • Dziś wiemy, że światło ma dwoistą naturę. • Możemy je uważać zarówno za: • falę elektromagnetyczną • strumień fotonów(cząstek będących kwantem energii promieniowania świetlnego). W przypadku światła mówimy, o dualizmie korpuskularno-falowym.

5. Światło jest falą elektromagnetyczną o długości od 400 nm do 800 nm. Światło rozchodzi się w próżni i ciałach przezroczystych. Biegnie prostoliniowo i przenosi energię ze źródła do ciała na które pada. Światło rozchodzi się w próżni z szybkością 300 000 km/s.

6. Natura światła Fale długie ujawniają bardziej właściwości falowe, natomiast im krótsze fale to bardziej ujawniają się właściwości kwantowe czyli korpuskularne (wtedy energia fotonu jest większa). Klasyfikację fal elektromagnetycznych według ich długości w próżni (częstotliwości) nazywamy widmem fal elektromagnetycznych. Nasze oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne o długości od około 4x10-7 m do około 7x10-7 m. Najlepiej widzimy w środku zakresu dla barwy żółtozielonej (długość około 550nm), a najgorzej na końcach. Zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach, np.: pszczoły "widzą" promieniowanie nadfioletowe.

7. PROSTOLINIOWE ROZCHODZENIE SIĘ ŚWIATŁA W ośrodkach jednorodnych (np. w próżni) światło porusza się po liniach prostych. Jeżeli światło na swej drodze napotyka ciało nieprzezroczyste, na ekranie powstaje cień tego ciała.

8. Prostoliniowe rozchodzenie się światła    O prostoliniowym rozchodzeniu się światła możesz przekonać się również, wykorzystując tzw. kamerę otworkową. Powstawanie cienia

9. Jeżeli światło napotyka na swej drodze gładki (wypolerowany) przedmiot zwany lustrem lub zwierciadłem, wówczas odbija się od niego. ODBICIE ŚWIATŁA

10. Odbicie światła NORMALNA- prosta prostopadła do powierzchni odbijającej Kąt padania, to kąt pomiędzy promieniem padającym na powierzchnię odbijającą, a normalną. a a Kąt odbicia, to kąt pomiędzy promieniem odbitym, a normalną. Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Promień fali padającej, promień fali odbitej i normalna, leżą w jednej płaszczyźnie..

11. normalna promień odbity promień padający • Rys. Zjawisko odbicia fal Bartosz Jabłonecki

12. Prawo odbicia W zjawisku odbicia fal kąt odbicia jest równy kątowi padania. Promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbijającej, wystawiona w punkcie padania, leżą w jednej płaszczyźnie Bartosz Jabłonecki

13. Przedmioty, które nie są źródłami światła, widzimy dlatego, że padające na nie światło zostaje rozproszone i część promieni świetlnych dociera do naszych oczu.

14. Peryskop

15. Zjawisko załamania fal polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fal na granicy dwóch ośrodków, przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego, na skutek różnej prędkości fali w tych ośrodkach. Willebrord van Roijen Snell (1580-1626) źródło: http://de.wikipedia.org/wiki/Willebrord_van_Roijen_Snell Bartosz Jabłonecki

16. Załamanie światła 1      Jeśli światło pada na granicę dwóch przezroczystych ośrodków, to zwykle jego część odbija się (zgodnie z prawem odbicia), a część wchodzi do drugiego ośrodka. Mówimy, że światło załamuje się

17. Załamanie światła 2     Promień świetlny po przejściu z powietrza do wody zmienia kierunek. Mówimy, że światło uległo załamaniu. Zjawisko załamania światła występuje wtedy, gdy światło przechodzi z jednego ośrodka przezroczystego do drugiego.

18. a V1 powietrze woda V2 b Załamanie światła Światło przechodząc przez granicę dwóch ośrodków ulega załamaniu. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania, zwanywspółczynnikiem załamania nośrodka drugiego względem pierwszego, jest równy stosunkowi prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku pierwszym, do prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku drugim. W obu ośrodkach promień fali padającej, promień fali załamanej i prosta prostopadła (normalna) do granicy ośrodków leżą w jednej płaszczyźnie.

19. promień padający ośrodek I ośrodek II promień załamany normalna • Rys. Zjawisko załamania fal Bartosz Jabłonecki

20. ZAŁAMANIE ŚWIATŁA Zjawisko załamania polega na zmianie kierunku rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka przezroczystego do drugiego. Zmiana kierunku promienia na granicy dwóch ośrodków spowodowana jest tym, że światło w różnych ośrodkach rozchodzi się z różnymi szybkościami.

21. Całkowite wewnętrzne odbicie. • Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia ma miejsce wtedy, gdy światło przechodzi z ośrodka gęstszego do ośrodka rzadszego. Bartosz Jabłonecki

22.   Zwiększając kąt padania, doprowadzamy do sytuacji, w której promień będzie się ślizgał po powierzchni zetknięcia obu ośrodków.

23. promień odbity promień padający ośrodek I ośrodek II • Rys. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia (woda-powietrze) Bartosz Jabłonecki

24. Światłowody     Światłowody mogą przenosić ogromną ilość informacji (rozmowy telefoniczne, wiadomości wysyłane faksem, połączenia internetowe itp.) w bardzo krótkim czasie. Szkło, z którego wykonane jest włókno światłowodu jest tak czyste, że sygnały świetlne mogą w nim wędrować niemal bez straty energii, a zatem bez konieczności stosowania odpowiednich wzmacniaczy.     Włókno światłowodu wykonane jest z dwóch koncentrycznych warstw szkła: cylindrycznego rdzenia i otaczającego go płaszcza. Każda warstwa wykonana jest z innego rodzaju szkła. Światło ulega wielokrotnemu całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy warstw    Ponieważ włókna szklane światłowodów maja bardzo małe średnice (są cieńsze od ludzkiego włosa), można je wyginać w dowolny sposób bez groźby złamania i przerwania światłowodu.

25. Światłowody

26. Zwierciadła Zwierciadło jest to wypolerowana powierzchnia metalu, szkła (lustra) lub wody. Zwierciadła dzielimy na: * płaskie, np. lustro * kuliste (wklęsłe i wypukłe) Obraz w zwierciadle płaskim jest: • pozorny, czyli został utworzony przez • przedłużenia promieni świetlnych. • prosty, czyli nie odwrócony. • tej samej wielkości,

27. OBRAZY OTRZYMYWANE W ZWIERCIADLE PŁASKIM Obraz, który można zobaczyć w lustrze jest obrazem pozornym. Za pomocą zwierciadła płaskiego otrzymujemy obraz pozorny i symetryczny względem powierzchni zwierciadła.

28. Konstrukcja obrazu w zwierciadle płaskim - przykład Bartosz Jabłonecki

29. B’ B A’ A • Konstrukcja obrazu w zwierciadle płaskim Bartosz Jabłonecki

30. Zwierciadła kuliste Oprócz zwierciadeł płaskich używane są również zwierciadła kuliste (są nimi np. zwierciadła stosowane na skrzyżowaniach ulic, w lusterkach i reflektorach samochodów, w lusterkach dentystycznych). Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni kuli. Jako zwierciadło może być wykorzystana powierzchnia kuli. W związku z tym rozróżniamy zwierciadła kuliste:         * wklęsłe - gdy jako zwierciadło wykorzystujemy wewnętrzną powierzchnię kuli         * wypukłe - gdy jako zwierciadło wykorzystujemy zewnętrzną powierzchnię kuli.    Każde zwierciadło kuliste posiada:         * środek krzywizny - jest nim środek kuli (O),         * promień krzywizny - jest nim promień kuli (r),         * oś główną - którą jest prosta przechodząca przez środek krzywizny (O) i środek czaszy zwierciadła (S).

31. Zwierciadło kuliste (wklęsłe i wypukłe) powstaje jako wycinek sfery. Charakteryzuje je promień krzywizny r. • symbole zwierciadła wklęsłego wypukłego r r Bartosz Jabłonecki

32. f Zwierciadła sferyczne • wklęsłe Zwierciadło sferyczne wklęsłe stanowi wewnętrzną powierzchnie sfery. O - środek krzywizny, czyli środek kuli, z której zwierciadło zostało wycięte r - promień krzywizny, czyli promień kuli, z której zwierciadło zostało wycięte (OA) F - ognisko zwierciadła, czyli punkt przecięcia promieni odbitych f - ogniskowa zwierciadła, czyli odległość ogniska od zwierciadła • wypukłe Zwierciadło wypukłe ma ognisko pozorne.

33. OTRZYMYWANIE OBRAZU W ZWIERCIADLE WYPUKŁYM Zwierciadło kuliste wypukłe posiada ognisko pozorne. Wiązka promieni równoległych do osi głównej po odbiciu od powierzchni zwierciadła staje się wiązką promieni rozbieżnych.

34. O F f O F O F BIEG WYBRANYCH PROMIENI Wiązka promieni biegnąca równolegle do głównej osi optycznej, po odbiciu od płaszczyzny zwierciadła skupia się w jednym punkcie, leżącym na głównej osi optycznej zwanej ogniskiem F. F – ognisko, f – ogniskowa, r = 2 f Jeśli promień świetlny przechodzi przez ognisko F, to po odbiciu od zwierciadła biegnie równolegle do osi optycznej. Jeżeli promień świetlny pada w wierzchołek zwierciadła, to po odbiciu biegnie symetrycznie względem osi optycznej.

35. OBRAZY W ZWIERCIADŁACH wklęsłych Przyjmujemy w konstrukcjach obrazów: x – odległość przedmiotu od zwierciadła y – odległość obrazu od zwierciadła dla x > 2f lub x > r obraz rzeczywisty (przecięły się promienie odbite) pomniejszony p < 1 odwrócony

36. x = 2f to y = 2f rzeczywisty tych samych rozmiarów p = 1 f < x < 2f to y > 2f obraz rzeczywisty powiększony p > 1

37. x = f to y = nieskończoność • obraz nie powstaje. x < f to y < 0 obraz pozorny (przecinają się przedłużenia promieni odbitych) obraz prosty powiększony p > 1

38. OBRAZY W ZWIERCIADŁACH wypukłych Obraz: pozorny, pomniejszony, prosty

39. x y Charakter obrazu p x > 2f f < y < 2f Odwrócony, rzeczywisty p < 1 x = 2f y = 2f Odwrócony, rzeczywisty p = 1 x < 2f y > 2f Odwrócony, rzeczywisty p > 1 x = f y = nieskończoność --------------- ------------- x < f y < 0 Prosty, pozorny p > 1 OBRAZY W ZWIERCIADŁACH - zestawienie

40. Zdolność skupiająca zwierciadła • f – ogniskowa [f] = 1m • Z- zdolność skupiająca [Z] = 1D (dioptria) • Z = 1/f 1D = 1/1m • Jeśli ognisko F jest pozorne to ogniskową f piszemy ze znakiem „-” • Jeśli ognisko F jest rzeczywiste to ogniskową F piszemy ze znakiem „+”

41. 1. Ogniskowa zwierciadła kulistego wynosi 10 D. Jakie to zwierciadło i ile wynosi ogniskowa? • 2. Jaka jest ogniskowa zwierciadła kulistego o zdolności skupiającej -4D i jakiego typu to zwierciadło?

42. x y przedmiot obraz F O f • Równanie zwierciadła f - ogniskowa x - odległość przedmiotu od zwierciadła y - odległość obrazu od zwierciadła Bartosz Jabłonecki

43. Powiększenie obliczamy jako stosunek wysokości obrazu do wysokości przedmiotu: • lub Bartosz Jabłonecki

44. Zad. 1 • Przed zwierciadłem wklęsłym o promieniu krzywizny zwierciadła równym 1m umieszczono w odległości 1m przedmiot o wysokości 20cm. Oblicz gdzie znajduje się obraz i jaką ma wysokość. Bartosz Jabłonecki

45. Zad. 2 • Przed zwierciadłem wklęsłym o promieniu krzywizny zwierciadła równym 1m umieszczono w odległości 20cm przedmiot o wysokości 20cm. Oblicz gdzie znajduje się obraz i jaką ma wysokość. Bartosz Jabłonecki

46. SOCZEWKI Soczewki to ciała przezroczyste (zbudowane najczęściej ze szkła),ograniczone z obu stron powierzchniami kulistymi lub z jednej strony powierzchnią kulistą, a z drugiej płaską. Rozróżniamy soczewki wypukłe i wklęsłe. W powietrzu soczewki wypukłe skupiają, a wklęsłe rozpraszają. Soczewkę charakteryzują: • Główna oś optyczna – prosta prowadzona przez środki krzywizn soczewki • Dwa ogniska rzeczywiste • Dwa ogniska pozorne • Ogniskowa – odległość każdego ogniska od środka soczewki • Zdolność skupiająca soczewki

47. Soczewki rozpraszające Poniższe rysunki przedstawiają różne rodzaje soczewek wklęsłych.

48. Soczewki skupiające

49. dwuwypukła płasko-wypukła wklęsło-wypukła dwuwklęsła płasko-wklęsła wypukło-wklęsła Soczewki Soczewką nazywamy ciało przezroczyste, ograniczone dwiema powierzchniami, z których przynajmniej jedna nie jest płaska. Soczewki dzielimy na: * wypukłe * wklęsłe

50. SOCZEWKA SKUPIAJĄCA Wiązka promieni przy osiach optycznych biegnąca równolegle do głównej osi optycznej, po dwukrotnym załamaniu skupia się w jednym punkcie, zwanym ogniskiem soczewki. SOCZEWKA ROZPRASZAJĄCA Wiązka promieni przy osiach biegnąca równolegle do głównej osi optycznej, po dwukrotnym załamaniu rozbiega się, ale przedłużenia promieni wychodzących z soczewki skupiają się w jednym punkcie, który jest pozornym ogniskiem soczewki.