Dane INFORMACYJNe Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Kłodawie ID grupy: 97_92_mf_g1 Opiekun: Aleksandra Arkuszewska Kompetencja: Matematyczno-fizyczne Temat projektowy: Światło Semestr/rok szkolny: V/2011/2012

Pojęcie Światła Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień.

Ważne zjawiska fizyczne dotyczące światła rozchodzenia się fal rozpraszanie światła rozszczepienie Sonoluminescencja widzenie stereoskopowe załamanie zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne i zewnętrzne (fotoemisja) dyfrakcja fluorescencja fosforescencja interferencja luminescencja odbicie polaryzacja fali Prostoliniowość

Źródła Światła Przedmioty emitujące światło. Przedmioty, które widzimy, mogą same wysyłać światło lub odbijać światło padające na nie. Te, które same emitują światło nazywamy źródłami światła. Dla ludzi najważniejszym źródłem światła jest Słońce, bez którego nie istniałoby życie na Ziemi. Źródła światła dzielimy na naturalne oraz sztuczne.

Naturalne źródła Światła gwiazdy (Słońce i inne ciała niebieskie) czynne wulkany piorun lub błyskawica zorza polarna świetliki ryby głębinowe

Sztuczne źródła światła świetlówki lasery diody świecące płomień zapalonej świecy, zapałki plazma łuk elektryczny / iskra elektryczna wyładowanie elektryczne wybuch lub eksplozja świece ognisko kaganki pochodnie lampa lampy naftowe lampy elektryczne żarówki m.in. w latarce latarnia

Detektory Światła fotodioda fotokomórka fotopowielacz fototranzystor matryca CCD luksomierz Bolometr

Przyrządy optyczne Urządzenie służące do zmieniania drogi promieni świetlnych, a czasem także promieni niektórych innych form promieniowania elektromagnetycznego. W zależności od konstrukcji, służyć może do różnych celów, jak np. obserwacji obiektów trudno lub wręcz w ogóle nierozpoznawalnych za pomocą nieuzbrojonego ludzkiego oka, obserwacji obiektów zasłoniętych dla bezpośredniej obserwacji, projekcji lub ekspozycji obrazów, nadania oświetleniu odpowiedniego kierunku i kształtu, lub też korekty wad wzroku.

Przyrządy optyczne aparat fotograficzny camera obscura diaskop epidiaskop episkop grafoskop lorneta Teleskop (refraktor, luneta) lupa kamera filmowa lub kamera wideo mikroskop monokl okulary peryskop powiększalnik projektor reflektor rzutnik przezroczy teleskop zwierciadło optyczne

ŚWIATŁO BIAŁE MONOCHROMATYCZNE SPÓJNE Rodzaje Światła ŚWIATŁO BIAŁE MONOCHROMATYCZNE SPÓJNE

Barwa biała Barwa biała – najjaśniejsza z barw. Jest to zrównoważona mieszanina barw prostych, która jest odbierana przez człowieka jako najjaśniejsza w otoczeniu odmiana szarości.

Barwa monochromatyczna Barwa monochromatyczna jest to barwa otrzymana z rozszczepienia światła białego.

Spójne światło Spójne światło jest to światło spełniające warunek spójności promieniowania elektromagnetycznego. Promienie spójnego światła mogą ze sobą interferować. Źródłem spójnego światła jest np. laser.

Światło jako fala elektromagnetyczna Drgające ładunki elektryczne wytwarzają w przestrzeni zmienne pole elektryczne, które zgodnie z prawem Maxwella indukuje zmienne pole magnetyczne, a to z kolei indukuje zmienne pole elektryczne itd. Tak więc drgania pola elektrycznego wzbudzają drgania pola magnetycznego i odwrotnie. Drgające pola, które wzajemnie się wzbudzają, nazywamy promieniowaniem elektromagnetycznym. Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni jak fala o częstotliwości równej częstotliwości drgań ładunku elektrycznego, który jest jej źródłem, i dlatego promieniowanie to nazywamy falą elektromagnetyczną.

Światło- Częstość drgań i długość fali Długość fali widoczna jest najlepiej wtedy, gdy na chwilę "zatrzymamy" falę w jej ruchu - sfotografujemy ją.

Częstotliwość fali Częstotliwość drgań jest ściśle związana z okresem. Częstotliwość równa jest ilości drgań, jakie wykonują punkty ośrodka w ciągu jednostki czasu (najczęściej 1s). Częstotliwość jest odwrotnością okresu: Czyli w naszym przypadku, gdy okres drgań koralika wynosił 1,5 s, częstotliwość wyniesie: f = 1/1,5 = 2/3 Częstotliwość drgań koralika (a także częstotliwość fali pobudzającej koralik do drgań) wynosi 2/3 Hz (ok. 0,67 Hz).

Prędkość światła Prędkość światła, c, fundamentalna stała fizyki. Jest to prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w próżni. W układzie jednostek SI prędkość światła powiązana jest z dwiema innymi stałymi przyrody: dielektryczną stałą dla próżni εo oraz przenikalnością magnetyczną dla próżni µo zależnością:

Widmo promieniowania optycznego Występuje jako naturalny składnik promieniowania słonecznego oraz wytwarzane jest w sposób sztuczny przez człowieka w celu wykorzystania w różnych procesach technologicznych w przemyśle, medycynie, kosmetyce czy pracach badawczych. Promieniowanie to stanowi również produkt uboczny działalności zawodowej człowieka i występuje np. podczas spawania lub podczas gorących procesów technologicznych w hutnictwie. W związku z faktem, że promieniowanie to może powodować szkodliwe skutki dla zdrowia człowieka zalicza się je do czynników szkodliwych w środowisku pracy.

Widmo fal elektromagnetycznych

Światło widzialne na tle całego spektrum fal elektromagnetycznych

Charakterystyczne długości fal Pasmo Częstotliwość fali Długość fali Energia pojedynczego kwantu promieniowania (fotonu) Fale radiowe do 300 MHz powyżej 1 m poniżej 1.24 μeV Mikrofale od 300 MHz do 300 GHz od 1 m do 1 mm od 1.24 μeV do 1.24 meV Podczerwień od 300 GHz do 400 THz od 1mm do 780 nm od 1.24 meV do 1.6 eV Światło widzialne od 400 THz do 789 THz od 780 nm do 380 nm od 1.6 eV do 3.4 eV Ultrafiolet od 789 THz do 30 PHz 380 nm do 10 nm od 3.4 eV do 124 eV Promieniowanie rentgenowskie od 30 PHz do 60 EHz 10 nm do 5 pm od 124 eV do 250 keV Promieniowanie gamma powyżej 60 EHz poniżej 5 pm powyżej 250 keV

Fale radiowe Fale radiowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie w telekomunikacji, radiofonii, telewizji, radioastronomii i wielu innych dziedzinach nauki i techniki. W technice podstawowym źródłem fal radiowych są anteny zasilane prądem przemiennym odpowiedniej częstotliwości. Wiele urządzeń generuje też zakłócenia będące falami radiowymi, wymienić tu można na przykład: zasilacze impulsowe, falowniki i regulatory tyrystorowe, piece indukcyjne, spawarki, zapłon iskrowy silników samochodowych, iskrzące styki urządzeń elektrycznych. Naturalne źródła fal radiowych to między innymi wyładowania atmosferyczne, zorze polarne, radiogalaktyki.

schematyczny rysunek fali elektromagnetycznej promieniowanej przez antenę dipolową

mikrofale Podstawowe zastosowania mikrofal to łączność (na przykład telefonia komórkowa, radiolinie, bezprzewodowe sieci komputerowe) oraz technika radarowa. Fale zakresu mikrofalowego są również wykorzystywane w radioastronomii, a odkrycie mikrofalowego promieniowania tła miało ważne znaczenie dla rozwoju i weryfikacji modeli kosmologicznych. Wiele dielektryków mocno absorbuje mikrofale, co powoduje ich rozgrzewanie i jest wykorzystywane w kuchenkach mikrofalowych, przemysłowych urządzeniach grzejnych i w medycynie.

Fala elektromagnetyczna (mod TE31) rozchodząca się w falowodzie mikrofalowym. Pole elektryczne skierowane jest w kierunku x, Kolory jasne i ciemne oznaczają przeciwne jego zwroty

podczerwień Promieniowanie podczerwone jest nazywane również cieplnym, szczególnie gdy jego źródłem są nagrzane ciała. Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje takie promieniowanie, a ciała o temperaturze pokojowej najwięcej promieniowania emitują w zakresie długości fali rzędu 10 μm. Przedmioty o wyższej temperaturze emitują promieniowanie o większym natężeniu i mniejszej długości, co pozwala na zdalny pomiar ich temperatury i obserwację za pomocą urządzeń rejestrujących wysyłane promieniowanie.

Termowizyjne zdjęcie budynku

ultrafiolet Promieniowanie ultrafioletowe, jest zaliczane do promieniowania jonizującego, czyli ma zdolność odrywania elektronów od atomów i cząsteczek. W dużym stopniu określa to jego właściwości, szczególnie oddziaływanie z materią i na organizmy żywe. Słońce emituje ultrafiolet w szerokim zakresie spektralnym, ale górne warstwy atmosfery ziemskiej (warstwa ozonowa) pochłaniają większość promieniowania z krótkofalowej części spektrum. Obserwacje astronomiczne w ultrafiolecie rozwinęły się dopiero po wyniesieniu ponad atmosferę przyrządów astronomicznych.

Banknot oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym

Promieniowanie rentgenowskie Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. Technicznie promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się przeważnie poprzez wyhamowywanie rozpędzonych cząstek naładowanych. W lampach rentgenowskich są to rozpędzone za pomocą wysokiego napięcia elektrony hamowane na metalowych anodach. Źródłem wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego są również przyspieszane w akceleratorach cząstki naładowane. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do wykonywania zdjęć rentgenowskich do celów defektoskopii i diagnostyki medycznej. W zakresie promieniowania rentgenowskiego są również prowadzone obserwacje astronomiczne.

Zdjęcie rentgenowskie uszkodzonej świetlówki

Optyka geometryczna Optyka geometryczna to dział optyki zajmujący się wytłumaczeniem zjawisk optycznych przy użyciu pojęcia promienia.

Założenia optyki geometrycznej w ośrodku optycznie jednorodnym światło biegnie po linii prostej ośrodek optyczny to taki, w którym rozchodzi się światło ośrodek optycznie jednorodny to taki, który w całej swojej objętości posiada jednakowe właściwości fizyczno-chemiczne linia, po której rozchodzi się światło, to promień świetlny promień skierowany prostopadle do powierzchni płaskiej ulegnie odbiciu i wróci do źródła światła

Zastosowanie optyki geometrycznej Aparaty fotograficzne Okulary Lornetki Teleskopy obiektywy

Zjawiska optyczne Zjawiska optyczne odbicie polaryzacja załamanie ugięcie dwójłomność

Odbicie światła Odbicie światła to zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła. 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) Prostopadła do powierzchni odbijającej w punkcie padania promienia zwana jest normalną padania.

Odbicie fali: A - granica ośrodków; B - ośrodek pierwszy; C - ośrodek drugi; P - promień padający; N - normalna; Q - promień odbity

Prawo odbicia Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. W wyniku odbicia zmienia się tylko kierunek rozchodzenia się fali, nie zmienia się jej długość.

Załamanie światła Refrakcja - zmiana kierunku rozchodzenia się fali (załamanie fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Zmiana prędkości powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała.

Załamanie światła - schemat

Efekt wynikający z załamania światła

, Prawo załamania Zgodnie ze schematem promień P pochodzący z Ośrodka A w punkcie S załamuje się na granicy ośrodków i podąża jako promień Z w Ośrodku B. Kąt padania oraz kąt załamania określa się między odpowiednim promieniem a prostopadłą do granicy ośrodków w punkcie padania S, można oznaczyć kąt padania θP oraz kąt załamania θZ. Sinusy tych kątów wiąże następująca zależność: gdzie: Vi prędkość fali w ośrodku i, n1- współczynnik załamania światła ośrodka A, n2- współczynnik załamania światła ośrodka B.

Ugięcie Światła 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 Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych.

Komputerowo wygenerowana symulacja dyfrakcji, szczelina ma rozmiar 4 długości fali. Na wykresie obszary o wyższym kontraście reprezentują większą amplitudę fali, a te o mniejszym - mniejszą.

polaryzacja Polaryzacja – właściwość fali poprzecznej polegająca na zmianach kierunku oscylacji rozchodzącego się zaburzenia w określony sposób.

Rodzaje polaryzacji Polaryzacja liniowa kołowa eliptyczna

Polaryzacja liniowa W fali spolaryzowanej liniowo oscylacje zaburzenia odbywają się w jednej płaszczyźnie, w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali. Płaską falę rozchodzącą się w kierunku z, a spolaryzowaną liniowo w dowolnym kierunku, można przedstawić jako superpozycję dwóch fal spolaryzowanych liniowo w kierunkach x i y. Fale składowe są w zgodnej fazie lub w przeciwfazie (przesunięte o 180°), a ich stosunek amplitud określa kierunek polaryzacji powstającej w wyniku takiej superpozycji fali wypadkowej.

Polaryzacja kołowa W polaryzacji kołowej rozchodzące się zaburzenie (na przykład pole elektryczne lub odchylenie cząstki ośrodka materialnego od położenia równowagi) określane wzdłuż kierunku ruchu fali ma zawsze taką samą wartość, ale jego kierunek się zmienia. Kierunek zmian jest taki, że w ustalonym punkcie przestrzeni koniec wektora opisującego zaburzenie zatacza okrąg w czasie jednego okresu fali.

polaryzacja ELIPTYCZNA W polaryzacji eliptycznej rozchodzące się zaburzenie określane wzdłuż kierunku ruchu fali ma zawsze wartość i kierunek taki, że w ustalonym punkcie przestrzeni koniec wektora opisującego zaburzenie zatacza elipsę. Falę spolaryzowaną eliptycznie można otrzymać przez złożenie dwóch fal o jednakowych częstotliwościach, rozchodzących się w tym samym kierunku, spolaryzowanych liniowo w kierunkach wzajemnie prostopadłych, przesuniętych w fazie o odpowiedni kąt, ale o różnych amplitudach.

DWÓJŁOMNOŚĆ Dwójłomność – zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Substancje, dla których zjawisko zachodzi nazywamy substancjami dwójłomnymi. Miarą dwójłomności jest różnica między współczynnikiem załamania promienia nadzwyczajnego ne, a współczynnikiem załamania promienia zwyczajnego no.

„PODWÓJNY” OBRAZ WIDZIANY PRZEZ DWÓJŁOMNY KRYSZTAŁ KOLCYTU

soczewki 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.

TYPY SOCZEWEK SOCZEWKI SFERYCZNE CYLINDRYCZNE FRESNELA

ODLEGŁOŚĆ OGNISKOWA OD SOCZEWSKI Odległość ogniska od soczewki nazywamy ogniskową (f). Wielkość ogniskowej dla soczewek cienkich podana jest równaniem soczewki: gdzie: x - odległość przedmiotu od soczewki y - odległość obrazu od soczewki n - bezwzględny współczynnik załamania materiału soczewki n’ - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka otaczającego soczewkę r1, r2 - promienie krzywizn soczewki.

Całkowite odbicie wewnętrzne Odbicie całkowite wewnętrzne, odbicie światła zachodzące na granicy dwóch ośrodków przezroczystych charakteryzujących się współczynnikami załamania n1 i n2, n1>n2. Zjawisko obserwuje się w ośrodku o większym współczynniku załamania. Polega ono na odbiciu światła zachodzącym bez strat energii, nie towarzyszy mu załamanie światła. Obserwuje się go, gdy kąt padania (tj. kąt zawarty pomiędzy normalną do powierzchni a kierunkiem promienia światła) jest większy od tzw. kąta granicznego całkowitego odbicia wewnętrznego. Wartość tego kąta wyraża się wzorem: γ=arcsin(n2/n1). Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia jest podstawą działania światłowodu, wykorzystywane jest w wielu przyrządach optycznych, m.in. w niektórych konstrukcjach refraktometrów, pryzmatach całkowitego odbicia itp.

Całkowite wewnętrzne odbicie

Rozszczepianie światła białego Rozszczepienie światła spowodowane jest różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Różna prędkość rozchodzenia się światła owocuje oczywiście różnym współczynnikiem załamania światła i różnym kątem załamania. Ponieważ zaś światło białe jest mieszaniną świateł o wielu barwach, to przepuszczenie go przez pryzmat spowoduje rozdzielenie poszczególnych składowych na piękną tęczę.

Rozszczepienie światła

Rozszczepienie najłatwiej jest zaobserwować w pryzmacie (w porównaniu do tego samego efektu padającego na zwykłą granicę dwóch ośrodków), ponieważ załamuje on i rozszczepia światło dwukrotnie dzięki czemu barwne promienie są silniej rozbieżne niż w przypadku załamania jednokrotnego.

tęcza 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. Światło widzialne (z antropocentrycznego punktu widzenia) jest widzialną (postrzegalną wzrokiem) częścią widma promieniowani elektromagnetycznego i w zależności od długości fali postrzegane jest w różnych barwach. Kiedy światło słoneczne przenika przez kropelki deszczu, woda rozprasza światło białe (mieszaninę fal o różnych długościach), na składowe o różnych długościach fal (różnych barwach), i oko ludzkie postrzega łuk składający się z sześciu kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. To są właśnie kolory tęczy.

Zjawisko powstawania tęczy Podczas deszczu gdy na spadające krople wody padną promienie słoneczne to światło białe jakim jest światło słoneczne ulega rozszczepieniu w wyniku czego powstaje zjawisko tęczy. taki sam efekt można uzyskać jeżeli wiązkę światła przepuścimy przez pryzmat

Interferencja światła Interferencja to nakładanie się dwóch lub większej liczby wiązek, w wyniku czego dochodzi do wzmocnienia lub wygaszenia interferencyjnego. Warunkiem wystąpienia obrazów interferencyjnych jest spójność wiązek światła oraz występowanie różnicy dróg Δr, przebytych przez wiązki od źródła do punktu nałożenia się.

Dyfrakcja światła Dyfrakcja to zjawisko polegające na zaburzeniu prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych. Dyfrakcji ulega światło tylko na takich przeszkodach (szczelinach), których rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej. d >> λ – dyfrakcja nie występuje, d ≈ λ – dyfrakcja zachodzi.

Pomiar długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej Siatka dyfrakcyjna - cienka przezroczysta płytka , ponacinana diamentowym ostrzem w poziome rysy, których odległość wzajemna jest bardzo niewielka. Obecnie dość często stosuje się siatki dyfrakcyjne otrzymane metodą fotograficzną. Stała siatki dyfrakcyjnej jest równa odległości między dwoma najbliższymi rysami. d - stała siatki dyfrakcyjnej n - liczba rys siatki λ = d*sinα/n d = 1 mm / n

oko Narząd receptorowy umożliwiający widzenie. W najprostszym przypadku chodzi o zdolność wykrywania pewnego zakresu promieniowani elektromagnetycznego. Bardziej skomplikowane oczy są w stanie dostarczyć informacje o kierunku padania światła, jego intensywności oraz kształtach obiektów.

Budowa oka

Jak widzą zwierzęta - przykłady

bibliografia http://wirtualne_laboratorium.republika.pl/dlsw.html Irma Śledzińska „Pomiar długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej i spektrometru http://www.oko.info.pl/ http://www.fizycznyswiat.pl/start/optyka/przyrzady- optyczne/ http://fizyka.maszyna.pl/wstep_widmo.php http://www.odyssei.com/pl/tecza.php http://www.epomoce.pl/fizyka_Soczewki

Prezentację wykonali Michał Kołodziejski Tomasz Makowski Maja Kasiorek Maciej Markowski Marta Kruszyna Ada Kołodziejska Magdalena Koralewska Karol Frydrych Patrycja Kurpik Małgorzata Szubska Opiekun: mgr Aleksandra Arkuszewska