Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Projekt AS KOMPETENCJI jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Projekt AS KOMPETENCJI jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki."— Zapis prezentacji:

1 Projekt AS KOMPETENCJI jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA Publikacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Prezentacja jest dystrybuowana bezpłatnie

2 DANE INFORMACYJNE (DO UZUPEŁNIENIA) Nazwa szkoły: LO im. Bolesława Krzywoustego w Kamieniu Pomorskim ID grupy: MF_G1 Kompetencja: Optyka Temat projektowy: Zjawiska optyczne Semestr/rok szkolny: II sem. 2009/2010

3 ZJAWISKA OPTYCZNE

4 OPTYKA Termin "optyka" pochodzi od greckiego słowa optikos, co znaczy "widzialny". Optyka jest nauką o świetle. Historia optyki zaczęta się w Grecji, dwa i pół tysiąca lat temu. Starożytni Grecy byli zafascynowani sekretami światła i widzenia. Badali kolory i zjawiska z nimi związane, jak na przykład tęcze. Udało im się nawet sformułować prawa rozchodzenia i odbijania się światła. Grecy wierzyli, że musi być jakiś kontakt pomiędzy widzianym obiektem a organem widzenia. Ogólnie rozróżniali trzy rodzaje takiego kontaktu.

5 ZJAWISKA OPTYCZNE Najpiękniejsze zjawiska optyczne podlegają najprostszym prawom fizyki. Są efektem szczególnej natury promieniowania widzialnego oraz składu i właściwości atmosfery. Oko ludzkie dostrzega niewielką część fal wysyłanych przez Słońce. Pojawiają się one jako białe światło, choć w rzeczywistości są mieszaniną promieni o różnych długościach fal i odpowiadających im barw. Pył, cząsteczki lodu oraz krople wody rozkładają białe światło na poszczególne kolory. Przechodząc przez atmosferę ulega ono rozpraszaniu, odbijaniu i załamywaniu na cząsteczkach powietrza, przy czym każda z długości fal zachowuje się nieco inaczej. Niebieska część widma, rozproszona najszybciej, tworzy błękit nieba. Kiedy jednak Słońce znajduje się nisko nad horyzontem, promienie mają do przebycia długą drogę przez przyziemne warstwy atmosfery. Tracą wtedy wszystkie fale o długości odpowiadającej niebieskiej barwie ( około 500 nm. ). Na Ziemię dociera czerwone i żółte promieniowanie o dłuższych falach, tworząc piękne wschody i zachody Słońca.

6 TĘCZA Tęczę obserwuje się na tle chmur deszczowych lub deszczu w kierunku przeciwnym do położenia Słońca. Różnokolorowy łuk znajduje się zazwyczaj w odległości 1 do 2 km od obserwatora. Środek tęczy znajduje się na przedłużeniu prostej łączącej Słońce z okiem obserwatora – na linii dosłonecznej. Kąt między linią poprowadzoną od oka obserwatora do zewnętrznego punktu podstawy tęczy głównej i linii dosłonecznej wynosi 42o. Często obserwuje się drugą tęczę – wtórną, współśrodkową względem pierwszej tęczy – głównej, o promieniu kątowym 52o.

7 TĘCZA

8 BŁYSKAWICA Błyskawica - zjawisko świetlne towarzyszące nagłemu wyładowaniu elektryczności atmosferycznej, przejawiających się krótkim i silnym błyskiem, to potężna iskra elektryczna o długości kilku kilometrów. Wyładowanie to może występować z chmury lub wewnątrz chmury, a znacznie rzadziej z wysokich budynków i ze szczytów gór. Można wyróżnić cztery typy błyskawic: płaska liniowa wstęgowa kulista

9 HALO Nazwą tą obejmujemy całą grupę skomplikowanych zjawisk optycznych w atmosferze, uwarunkowanych załamaniem i odbiciem światła w kryształach lodu, z których zwykle składają się górne warstwy chmur. Najbardziej znanym przykładem dużego halo jest słynne, często powtarzające się widmo Brockenu. Halo tu przybiera postać kilku gigantycznych pierścieni utworzonych wokół Słońca z sylwetkami obserwatorów na tle zachmurzonego nieba, przy czym obrazy obserwatorów rozrastają się w ogromne cienie, powtarzające wiernie wszystkie ich ruchy. Halo może być obserwowane o każdej porze roku. Zjawisko to jest generowane przez chmury wysokie, które zwykle poprzedzają front ciepły. Wskazuje to na możliwość wystąpienia opadów w ciągu najbliższych godzin. Jak mówi stare przysłowie: "Halo wokół Słońca lub Księżyca, w lecie deszcz, w zimie śnieżyca". Razem z halo mogą wystąpić różne postacie zjawisk podobnych do halo, na przykład łuki, okręgi, słońca poboczne. Słońca poboczne to kolorowe, jasne plamy po obu stronach Słońca. Niektóre z takich łuków, okręgów i słońc pobocznych zamieszczono na rysunku i zdjęciach obok.

10 Mały pierścień halo - jest to krąg świetlny, barwny, biały lub w przeważającej części biały, lub w przeważającej części biały, o promieniu 22°, w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone od wewnątrz i w rzadkich przypadkach fioletowe zabarwienie na zewnątrz. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Jest to najczęściej obserwowane zjawisko halo. --Duży pierścień halo - jest to krąg świetlny o promieniu 46° ; jest on zawsze mniej jasny i o wiele rzadziej obserwowany niż mały pierścień halo. Słup świetlny - jest to ciągła lub przerywana biała, pionowa smuga światła, przechodząca przez Słońce lub Księżyc i obserwowane powyżej i poniżej tych ciał niebieskich. --Łuk styczny górny i łuk styczny dolny - są czasami widoczne na zewnątrz małego lub dużego pierścienia halo; łuki te są styczne do pierścieni halo odpowiednio w punktach najwyższym i najniższym. Często są one bardzo krótkie i mogą nawet redukować się do plam świetlnych. --Łuk okołozenitalny górny i dolny - łuk okołozenitalny górny jest łukiem małego koła poziomego (o dużej krzywiźnie) znajdującego się blisko zenitu; ma on żywe barwy z czerwoną na zewnątrz i fioletową od wewnątrz. Łuk okołozenitalny dolny jest łukiem koła poziomego, o dużym promieniu, znajdującego się w pobliżu horyzontu. --Poziomy krąg przysłoneczny - jest to biały, poziomy krąg znajdujący się na tej samej wysokości kątowej co Słońce. W pewnych punktach kręgu przysłonecznego mogą pojawić się plamy świetlne (słońce pozorne). Plamy te znajdują się najczęściej nieco na zewnątrz małego pierścienia halo (słońce poboczne, posiadające często lśniące barwy), niekiedy w odległości azymutalnej 120° od Słońca (przeciwsłońca poboczne) i bardzo rzadko naprzeciw Słońca (przeciwsłońce). Słońce dolne (pozorne) - ukazuje się pionowo poniżej Słońca w postaci białej błyszczącej plamy, podobnej do obrazu Słońca, odbitego od spokojnej powierzchni wody.

11

12 ZIELONY BŁYSK Zjawisko jest bardzo trudne do zaobserwowania z powodu bardzo krótkiego czasu trwania. Występuje nad wschodzącym lub zachodzącym słońcem. Jest spowodowany załamywaniem promieni słonecznych. Atmosfera ziemska, tak jak pryzmat, rozszczepia białe światło słoneczne na szereg barw. Najmniej rozpraszany jest kolor czerwony a najbardziej kolor niebieski i fioletowy. Kiedy atmosfera ziemska jest wyjątkowo czysta i spokojna, zielony błysk światła nad brzegiem zachodzącego słońca, znajdującego się blisko odległego horyzontu, może być obserwowany tylko przez sekundy. Na Saharze zdarza się, że traw nawet kilka minut. Jeszcze trudniej zaobserwować niebieski błysk, gdyż wtedy nie może dojść do rozproszenia i osłabienia załamanego niebieskiego światła. Załączone zdjęcie wykonał Mario Cogo w pobliżu Roques de los Muchachos (2400 m n.p.m) La Palma na Wyspach Kanaryjskich w październiku 2001 roku.

13 WIENIEC W znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, zbudowanych z drobnych, jednorocznych kropelek wody (zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste) obserwuje się wieńce. Wieńce te występują również we mgle dookoła sztucznych źródeł światła. Główną, a często jedyną, częścią wieńca jest jasny pierścień o niewielkim promieniu, otaczający bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego (lub sztucznego źródła światła). Pierścień ten ma zabarwienie niebieskawe, a na zewnątrz czerwonawe. Może on być otoczony jednym lub kilkoma dodatkowymi, jasnymi pierścieniami o takim samym zabarwieniu, nie stykającymi się bezpośrednio ani z pierwszym z wymienionych kręgów, ani też ze sobą. Promień wieńca bywa rzędu 1-5°. Jest on odwrotnie proporcjonalny do średnicy kropelek w chmurze; dlatego na podstawie jego rozmiarów można określać wielkość kropelek, znajdujących się w chmurach. Wieńce wywołane są ugięciem światła przez bardzo drobne kropelki chmurowe, które tworzą jakby siatkę dyfrakcyjną. Dookoła każdego punktu tarczy ciała niebieskiego powstaje jedno lub kilka widm dyfrakcyjnych mających kształt kręgów. Nakładają się one jedne na drugie, przy czym barwy ich zlewają się, co daje w wyniku odcień niebieskawy. Jedynie widma, wytworzone przez punkty leżące na skrajach tarczy ciała niebieskiego, tworzą po zewnętrznej stronie każdego pierścienia otok o zabarwieniu czerwonawym. Wieńce dookoła sztucznych źródeł światła o małych rozmiarach (w porównaniu z rozmiarami tarcz ciał niebieskich) mają bardziej bogate barwy tęczy.

14

15 IRYZACJA Układy barw przeważnie zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, obserwowane na chmurach, niekiedy pomieszane, niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do brzegów chmur. Barwy iryzacji są często błyszczące i przypominają barwy masy perłowej. Obłoki iryzujące są podobne do chmur Cirrus lub Altostratus lenticularis. Wykazują one bardzo znaczną iryzację, podobnie jak masa perłowa; najbardziej lśniące barwy są obserwowane wówczas, gdy tarcza słoneczna znajduje się kilka stopni poniżej horyzontu. Fizyczna budowa obłoków iryzujących jest dotychczas nie znana; przypuszcza się, że mogą się one składać z drobniutkich kropelek wody lub kulistych cząstek lodu Obłoki iryzujące są rzadkim zjawiskiem. Były one obserwowane głównie w Szkocji i Skandynawii, ale również donoszono o ich pojawianiu się we Francji i na Alasce. Pomiary wykazały, że obłoki iryzujące obserwowane nad południową Norwegią występowały na wysokościach od 21 do 30 km. Zjawisko iryzacji chmur w istocie jest tego samego pochodzenia co i wieńce.

16 MIRAŻ Zakrzywienie promienia w ośrodku o współczynniku załamania zmniejszającym się wraz ze zwiększaniem się wysokości. W ośrodku niejednorodnym światło rozchodzi się nieprostoliniowo. Jeśli wyobrazimy sobie ośrodek, w którym współczynnik załamania zmienia się w miarę zmiany wysokości i w wyobraźni dokonamy jego podziału na cienkie poziome warstwy, to rozpatrując warunki załamania światła przy przejściu z warstwy do warstwy, stwierdzimy, że w takim ośrodku promień światła powinien stopniowo zmieniać swój kierunek. Takiemu skrzywieniu promień świetlny ulega w atmosferze, w której z różnych przyczyn, głównie zaś z powodu jej nierównomiernego nagrzania, współczynnik załamania światła zmienia się w raz z wysokością. Powietrze nagrzewa się od powierzchni gleby, intensywnie pochłaniającej energię cieplną promieni słonecznych. I dlatego temperatura powietrza obniża się wraz z wysokością. Wiadomo również, że wraz z wysokością obniża się także gęstość powietrza. Ustalono, że w miarę wzrostu wysokości współczynnik załamania zmniejsza się, dlatego też promienie przechodzące przez atmosferę zakrzywiają się nachylając się ku Ziemi. Zjawisko to otrzymało nazwę normalnej refrakcji atmosferycznej.

17

18 PARHELIUM Parhelium - czyli Słońce pozorne - zaobserwować można podczas bezwietrznej pogody przy niskim położeniu słońca, kiedy znaczna część kryształków lodu rozmieszczona jest w powietrzu w ten sposób, że ich osie główne znajdują się w pozycji pionowej i graniastosłupy opadają powoli niczym maleńkie spadochroniki. W tym przypadku po załamaniu najbardziej jaskrawe światło pada do oka pod kątem 22° wychodząc z tych ścianek kryształów, które usytuowane są pionowo; światło to tworzy z obu stron Słońca pionowe słupy. Słupy te mogą być w pewnych miejscach szczególnie jaskrawe, dając złudzenie Słońca pozornego. Koliste halo widuje się znacznie częściej niż Słońca pozorne, ponieważ nieuporządkowane rozmieszczenie kryształów jest bardziej prawdopodobne niż uporządkowane.

19 SŁUP ŚWIETLNY W bezwietrzny mroźny poranek można czasami zobaczyć, jak nad jaskrawo świecącym Słońcem, wznoszącym się nad horyzontem, widać w powietrzu igły lodowe połyskujące w jego promieniach, a poniżej i powyżej słupy świetlne. Są one barwne, ale gdy Słońce przybiera barwę żółtą, pomarańczową lub czerwoną, słup przybiera ten sam odcień. Efekt ten znany jest od dawna. Jeszcze kapłani świata antycznego traktowali je jako "znak Boży". Czasem słupy przybierają postać krzyża. Pojawienie się krzyża na niebie traktowało jako przepowiednię nieszczęścia. Ludzie nie potrafili wyjaśnić sobie tego zjawiska optycznego. Wytłumaczenie efektu słupa świetlnego nastręcza istotnie wiele trudności. Dlatego wyjaśnienia, które przeczytamy niżej, mają jedynie charakter jakościowy. Słupy świetlne bywają także widoczne podczas bezwietrznej, mroźnej pogody nad latarniami i innymi źródłami światła. Pojawienie się białych słupów związane jest z odbiciem światła od ścianek kryształków lodu. Słupy świetlne najlepiej jest obserwować wtedy, gdy słońce znajduje się za horyzontem bądź nisko nad horyzontem, ale zasłonięte jakimś budynkiem lub drzewami, gdyż wtedy nie oślepia nam oczu. Wyobraźmy sobie obłok składający się z kryształków i płytek lodu, których ścianki znajdują się w położeniu ściśle horyzontalnym. Opadają one bardzo powoli. Promienie światła odbijają się od nich, przy czym światło odbite nie wpada nie wpada bezpośrednio do oka obserwatora znajdującego się na Ziemi. Ale gdy tylko te same kryształki i płytki odchylają się o niewielki kąt względem linii horyzontu, wówczas promienie odbite również ulegną małemu odchyleniu i już teraz mogą trafić wprost do oka. Oko rzutuje promienie na sklepienie nieba i obserwatorowi wydaje się, że pod słońcem lub nad nim powstaje słup świetlny. Pionowe słupy mogą tworzyć się także w wyniku odbicia i załamania się światła w kryształkach, jeżeli są one usytuowane pionowo i opadają, obracając się powoli wokół horyzontalnej osi. Słupy poziome (horyzontalne) tworzą się w tym przypadku, gdy kryształki-spadochroniki, powoli opadają obracając się wokół swojej pionowej osi. W podobny sposób można wyjaśnić tworzenie się aureol i pierścieni wokół lamp i latarń. Pierścienie są małymi halo, aureole natomiast wywołane są rozpraszaniem się światła na płatkach śniegu, kropelkach mgły lub cząsteczkach pyłu unoszącego się w powietrzu.

20

21 IRRADIACJA Nazwą tą określamy pozorne powiększenie rozmiarów ciał jasno świecących. Na przykład rozżarzona spirala żarówki wydaje się nam grubsza niż ta sama spirala w stanie chłodnym. Podczas zachodu Słońca wydaje nam się, że horyzont "ugina się" pod nim. Oglądając sierp Księżyca, zauważymy, że luk obejmujący półksiężyc jest częścią okręgu o większym promieniu niż łuk otaczający pozostałą część Księżyca, pokrytą popielatym światłem. Stosunek promienia pozornego sierpa do promienia rzeczywistego jest w przybliżeniu równy 6:5. Spójrzmy na dwa przewody przecinające się na tle nieba pod bardzo małym kątem. W punkcie przecięcia przewody jakby znikły. Jeśli jeszcze przy tym wiatr kołysze przewodami to prześwit przesuwa się wzdłuż nich. Zupełnie inaczej wygląda miejsce przecięcia przez przewód wielu równoległych linii, napiętych przewodów, linii spojeń dachowych itp. W tym wypadku w miejscach przecięć dostrzegamy pogrubienie i zakrzywienie przewodu, a on sam wyda się połamany. Efekt ten zostaje zachowany, gdy przewód przecina skraj masywnego przedmiotu, na przykład szczyt dachu lub naroże domu. Zupełnie podobnie w ciemnych ubraniach wydajemy się bardzo szczupli niż w jasnych. W swoich notatkach Leonardo da Vinci mówił o tym zjawisku: "Kiedy Słońce jest widoczne przez drzewa bez liści, wszystkie ich gałęzie znajdujące się na wprost Słońca stają się cienkie, do tego stopnia, że stają się niewidoczne, to samo stanie się z drzewem znajdującym się pomiędzy okiem a Słońcom. Widziałem kobietę ubraną na czarno z białą opaską na głowie, przy czym ta ostatni wydawała się dwa razy większa niż szerokość pleców kobiety, które były odziani na czarno. Jeżeli z dużej odległości będziemy patrzeć na zręby baszty, oddzielone od siebie przerwami równymi szerokości zrębu, to przerwy wydadzą nam dużo większe, niż zręby." Można wskazać dwie przyczyny zjawiska irradiacji. Pierwszą jest dyfrakcji światła. Na granicy światła i cienia: wskutek dyfrakcji światło ugina się w stronę obszaru cienia. Drugą przyczyną jest podrażnienie zakończeń nerwowych na siatkówce, poza geometrycznym zarysem obrazu przedmiotu jasnego, wskutek czego jasny przedmiot wydaje się większy kosztem zmniejszenia rozmiarów jego ciemnego tła lub sąsiedniego przedmiotu.

22

23 GLORIA Gloria podobna jest do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu, położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to występuje na chmurach, położonych na wprost przed obserwatorem, albo niżej od niego, tj. w górach lub przy obserwacjach z samolotu. Na te same chmury pada cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. Gloria powstaje wskutek ugięcia się światła, uprzednio odbitego od kropelek chmur, tak że powraca ono od chmur w tym samym kierunku, w jakim na nie padało. Uwaga. Jeśli chmura lub mgła są dość blisko obserwatora, jego cień wydaje się bardzo duży; nazywa się to wówczas zjawiskiem Brockena, niezależnie od tego czy jest otoczony, czy też nie jest otoczony barwną glorią.

24 Piorun kulisty Piorun kulisty to zjawisko zachodzące w ziemskiej atmosferze i charakteryzujące się kulistym kształtem. Próby jego wyjaśnienia podejmowano od setek lat. Jeden z pierwszych eksperymentów przeprowadził Nikola Tesla w 1899 roku w górach Kolorado. Ciekawą cechą piorunów kulistych jest ich kształt. Sama nazwa wskazuje, że są one kształtu zbliżonego do kuli, ale nie jest to do końca prawda. Owszem są i kulki, ale bardzo często występują pręty, owale, elipsy, dyski, krople oraz inne chaotyczne bryły o zaokrąglonych krawędziach. Prawie połowa obserwowanych piorunów kulistych posiada ogon, jedna piąta wydziela iskry, a z 6% piorunów kulistych wydostają się ogniste języki, mogą także wirować. Kule mogą być otoczone aureolką, dymem, płomieniem lub wyrzucać z siebie strzały. Ich powierzchnia może być różna - rozmyta i poszarpana, bez wyraźnej granicy lub gładka i ostra o wyraźnych kształtach. Aż połowa piorunów kulistych wydaje dźwięki. Najczęściej jest to zwykłe syczenie, stanowi to połowę wszystkich zjawisk wydających odgłosy, występuje też szum dźwięk tłuczonego szkła, potrzaskiwanie, silnika odrzutowego uderzenia młotka w blachę, organów. Ewentualnej eksplozji towarzyszy huk wybuchu.

25 Dyfrakcja i Interferencja

26 DYFRAKCJA NA PODWÓJNEJ SZCZELINIE Dyfrakcja Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

27 Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym źródłem fali kulistej. Za przeszkodą fale nakładają się na siebie zgodnie z zasadą superpozycji. Przy spełnieniu pewnych warunków za przeszkodą pojawiają się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal (interferencja). Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

28 Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji zachodzi, gdy równoległa wiązka światła (np. z lasera) przechodzi przez wąską pojedynczą szczelinę zwaną szczeliną dyfrakcyjną. Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym źródłem fali. Między źródłami zachodzi interferencja, co powoduje wzmacnianie i osłabianie światła rozchodzącego się w różnych kierunkach. Dla pojedynczej szczeliny jasność w funkcji kąta odchylenia od osi przyjmuje postać:

29 I – intensywność światła, I 0 – intensywność światła w maksimum, czyli dla kąta równego 0, λ – długość fali, d – szerokość szczeliny, funkcja sinc(x) = sin(x)/x.

30 Przepuszczenie fali przez szczelinę dyfrakcyjną pozwala na określenie kierunku rozchodzenia się fali. Im mniejsza jest szerokość szczeliny, tym dokładniej można to zrobić. Jednocześnie zmniejszanie szczeliny powoduje, że trudniej jest określić energię fali, ponieważ rozprasza się ona na większy obszar. W efekcie iloczyn błędu określenia energii oraz błędu pomiaru kierunku musi być większy od pewnej stałej. Oznacza to, że istnieje granica dokładności pomiaru parametrów rozchodzącej się fali. Zjawisko to ma fundamentalne znaczenie, jeżeli weźmie się pod uwagę, że każda materialna cząstka jest falą. Zjawisko to jest potwierdzeniem zasady nieoznaczoności. Dualizm korpuskularno-falowy powoduje, że możliwa jest obserwacja dyfrakcji cząstek materialnych. Eksperymenty udowodniły, że zjawisko to zachodzi dla elektronów i neutronów

31 D – stała siatki, θ – kąt od osi wiązki światła, λ – długość fali, n – przyjmuje wartości całkowite dodatnie od 1, 2, 3,... Aby wzmocnić falę przechodzącą przez szczelinę stosuje się w optyce układy wielu takich szczelin, nazywane siatką dyfrakcyjną. Efekty optyczne od każdej szczeliny dodają się, przez co zachowanie fali zależy tylko od stałej siatki (odległości dzielącej najbliższe sobie rysy). Zjawisko dyfrakcji zachodzi również, kiedy fale przechodzą przez wiele blisko siebie położonych warstw. Jeżeli odległość między warstwami jest stała, kolejne maksima fali można opisać zależnością:

32 Dla promieniowania rentgenowskiego zjawisko to pozwala na obserwacje kolejnych warstw kryształu. W świetle widzialnym dyfrakcję na warstwach można obserwować jako rozproszenie światła białego na powierzchni płyty CD. Kolejne ścieżki tworzą następujące po sobie warstwy, na których fale o różnych kolorach, załamują się pod różnym kątem. W efekcie światło białe rozdziela się na poszczególne barwy. Fala, która omija przeszkodę mniejszą niż długość fali nie reaguje na tak mały obiekt. Fakt ten powoduje konieczność stosowania krótszych fal do obserwacji mniejszych przedmiotów. Aby obserwować strukturę krystaliczną materii, konieczne jest użycie fal rentgenowskich. Zjawisko dyfrakcji pozwoliło na rozwój krystalografii rentgenowskiej, dzięki której badano strukturę kryształów, odkryto także strukturę spirali DNA.

33 W procesie produkcji układów scalonych wykorzystuje się światło do rysowania kształtu obwodu elektrycznego na podłożu. Zjawisko dyfrakcji zmusza producentów mikroprocesorów do zastosowania fal dwa razy krótszych niż konieczna szerokość ścieżek struktury układu. Dla obwodów o dokładności 0,13 μm, oznacza to konieczność posłużenia się ultrafioletem. Jeżeli układy scalone mają się rozwijać zgodnie z prawem Moore'a, konieczne jest wdrożenie nowych technologii opierających się na falach coraz mniejszej długości. Światło ulega największemu załamaniu w narożach i zakrętach ścieżek maski, więc konstruktorzy obecnie tak modyfikują maskę w narożach otworów i na zakrętach ścieżek, by zminimalizować, a wręcz wykorzystać efekty dyfrakcji, długość światła dobiera się tak by pierwsze prążki interferencyjne równoległych ścieżek nie nakładały się w miejscach przerw między ścieżkami, poprawiono własności emulsji. Po dokonaniu tych zmian wyżej wymienione kryterium długości fali udało się złagodzić.

34 SCHEMAT ZJAWISKA DYFRAKCJI

35 Interferencja Interferencja to zjawisko nakładania się fal pochodzących z wielu źródeł. Interferencja jest przypadkiem ogólniejszego zjawiska superpozycji fal będącej przykładem superpozycji rozwiązań równań różniczkowych. W fizyce wyróżnia się dwa rodzaje interferencji. Optyka najczęściej rozpatruje przypadek interferencji fal sinusoidalnych o zbliżonej częstotliwości i amplitudzie fali. Akustyka i analiza sygnałów częściej zajmują się nakładaniem się fal o złożonych kształtach.

36 Matematyczne podstawy Rozchodzące się z kilku źródeł zaburzenia spotykają się w danym punkcie P. Aby obliczyć, jaka będzie amplituda fali w tym miejscu, trzeba dodać wartości wynikające z wyrażenia opisującego falę sinusoidalną. Jeżeli rozpatrzymy najprostszy przypadek interferencji fal pochodzących z dwóch źródeł o długości λ, które leżą od punktu P w odległościach d 1 i d 2 opisanych zależnością: Gdzie: to okaże się, że dla:fala ulega podwójnemu wzmocnieniu, a w przypadku fale się wygaszają. Wartość φ, nazywana fazą fali zmienia się wraz z odległością od źródła. Gdy w jednym miejscu spotkają się fale o przeciwnej fazie, to nastąpi ich wygaszenie

37 Obserwacja interferencji Dla zjawiska interferencji, obszar rozchodzenia się fal składa się z fragmentów, gdzie zupełnie nie ma oscylacji i miejsc, w których jej amplituda ulega podwojeniu. Aby zaobserwować maksima i minima interferencyjne, konieczne jest, aby źródła fal były koherentne, czyli miały tą samą fazę, częstotliwość oraz długość). Białe światło Słońca nie spełnia takiego warunku i dlatego najłatwiej zaobserwować interferencję światła lasera. Doświadczenie Younga pozwala na obserwację tego zjawiska dla światła białego.

38 Praktyczne zastosowanie interferencji Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. Światło lasera można podzielić kostką światłodzielącą na dwie wiązki. Jedną z nich umieszcza się na mierzonym odcinku, a drugą wprowadza do detektora jako wiązkę odniesienia. W efekcie rejestrowane natężenie światła będzie rosnąć i maleć cyklicznie w miarę zwiększania wymiarów odcinka. Długość fali może stać się wzorcem odległości, np. metra, co wykorzystuje interferometr laserowy.

39 Najnowsze prace nad telefonią komórkową trzeciej generacji (UMTS) doprowadziły do powstania idei nowej anteny opierającej swoją zasadę działania na interferencji fal. Jeżeli zamiast jednego nadajnika, umieścimy kilka w pewnej odległości od siebie, to fale zaczynają się nakładać. W efekcie stara komórka sieci komunikacyjnej dzieli się na kilka obszarów, w których niezależnie można przekazywać sygnały. Antena tego typu określana jest jako antena adaptacyjna. Jeżeli uda się zbudować układ generujący fale dźwiękowe w przeciwfazie do hałasu wytwarzanego przez jakieś urządzenie, to nastąpi całkowite jego wyciszenie. Zasadę taką wykorzystuje się w aktywnym tłumieniu hałasu.

40 Interferencja fal o założonych kształtach W akustyce oraz analizie sygnałów, obserwuje się fale o bardzo złożonej strukturze. Dźwięki słyszane przez człowieka powstają na skutek interferencji fal w szerokim zakresie częstotliwości i amplitud obserwowanych jako zmiany natężenia przepływających mas powietrza (zmiany ciśnienia). Jednak zarówno ludzki mózg, jak i nowoczesne procesory sygnałowe są w stanie dokonać analizy takiej fali. Rozkład fali na elementy składowe opiera się na założeniu, że wszystkie interferujące fale da się zapisać jako sumę fal sinusoidalnych.

41 Przekształcenie to nazywa się transformatą Fouriera. Na drodze pewnych uproszczeń można je przyspieszyć i umożliwić implementację w sprzęcie elektronicznym (proste analizatory widma w sprzęcie grającym). Te uproszczone przekształcenia to tak zwana dyskretna transformata Fouriera i szybka transformata Fouriera (ang. FFT). Analiza interferencji fal pozwala na lepsze zrozumienie istoty dźwięku, co zaowocowało opracowaniem formatu MP3. Dzięki transformacie FFT możliwe jest przesyłanie danych na wielu częstotliwościach, dzięki czemu możliwe jest zbudowanie modemu PLC.

42 INTERFERENCJA FAL

43

44

45

46 INTERFERENCJA FAL – FALA STOJĄCA

47

48 INTERFERENCJA FAL

49 WYKRESY FUNKCJI SINUS I COSINUS

50 WYKRESY FUNKCJI TANGENS I COTANGENS

51 OBRAZY SOCZEWKI SKUPIAJĄCEJ

52 RZECZYWISTY ODWRÓCONY POMNIEJSZONY

53 RZECZYWISTY ODWRÓCONY I TAKICH SAMYCH ROZMIARÓW

54 RZECZYWISTY ODWRÓCONY I POWIĘKSZONY

55 BRAK OBRAZU

56 POZORNY PROSTY POWIĘKSZONY

57 OBRAZ SOCZEWKI ROZPRASZAJĄCEJ

58 POZORNY PROSTY POMNIEJSZONY

59 ABERRACJA SFERYCZNA Aberracja sferyczna soczewki jest zjawiskiem polegającym na zmianie położenia ogniska w zależności od odległości promienia od osi soczewki. Zjawisko to powoduje zniekształcenia obrazu, szczególnie w punktach oddalonych od osi optycznej. Aberrację sferyczną można redukować dobierając odpowiednie (różne) krzywizny soczewki.

60 ABERRACJA SFERYCZNA

61

62 ABERRACJA CHROMATYCZNA Aberracja chromatyczna soczewki to zjawisko zależności wartości ogniskowej od długości fali. Wpływa niekorzystnie na powstający obraz w układach optycznych. Powoduje powstawanie kolorowych obwódek wokół kontrastowych konturów obrazu. Zjawisko to nie występuje w układach optycznych zbudowanych ze zwierciadeł, na przykład w teleskopachastronomicznych. Aberację chromatyczną można ograniczyć stosując układy wielu soczewek wykonanych z różnych garunków szkła.

63 ABERRACJA CHROMATYCZNA

64 ROZSZCZEPIENIE - DYSPERSJA

65

66 POMIAR PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA Pierwszego pomiaru prędkości światła planował dokonać Galileusz. Eksperyment postanowił przeprowadzić wraz ze swoim pomocnikiem za miastem na dwóch wzgórzach, mając do dyspozycji dwie latarnie. Sama próba polegała na odsłanianiu i przesłanianiu latarni, jednak ze względu na ogromną prędkość światła i bardzo duży błąd pomiaru, skazana była na niepowodzenie. Była to jednak pierwsza odnotowana eksperymentalna próba zmierzenia prędkości światła.

67 POMIAR PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA W 1676 roku duński astronom Olaf Romer, opierając się na swych obserwacjach zaćmień księżyców Jowisza. Romer zauważył, ze obserwowane z Ziemi odstępy czasu miedzy dwoma kolejnymi zaćmieniami maleją, gdy Ziemia w swym ruchu po orbicie zbliża się do Jowisza, rosną natomiast, gdy Ziemia się oddala.

68 Projekt AS KOMPETENCJI jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA Publikacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Prezentacja jest dystrybuowana bezpłatnie


Pobierz ppt "Projekt AS KOMPETENCJI jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki."

Podobne prezentacje


Reklamy Google