DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: ZESPÓŁ SZKÓŁ W PSZCZEWIE Gimnazjum nr 60 im. Cyryla Ratajskiego w Poznaniu ID grupy: 98/83_MF_G1 98/15_MF_G2 Opiekun: JÓZEF PIOTROWSKI Opiekun: Adam Szewczyczak Kompetencja: MATEMATYKA I FIZYKA Temat projektowy: Ciekawa optyka Semestr/rok szkolny: semestr III 2010/2011

Spis treści Optyka -Załamanie światła laserowego w pryzmacie Światło Zwierciadła Peryskop Soczewka Wielkości charakteryzujące soczewki i zwierciadła -Rozczepienie i załamanie światła w pryzmacie -Załamanie światła laserowego w pryzmacie Wzrost temperatury w ognisku Iluzje optyczne Miraże

Optyka

optyka Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię. Klasyczną optykę zazwyczaj dzieli się na dwa działy: optykę geometryczną optykę falową

Optyka geometryczna a optyka falowa Podstawowym pojęciem optyki geometrycznej jest promień świetlny, czyli nieskończenie cienka wiązka światła (odpowiednik prostej w geometrii). Rozchodzenie się światła opisywane jest tu jako bieg promieni, bez wnikania w samą naturę światła. Zgodnie z założeniami optyki geometrycznej, światło rozchodzi się w ośrodkach jednorodnych po liniach prostych, na granicy ośrodków ulega odbicie światła i załamaniu. Optyka falowa – dział optyki, w którym uwzględniona jest falowa natura światła.

Optyka geometryczna - optyka falowa Model geometryczny jest uproszczeniem rzeczywistego rozchodzenia się światła i może być stosowany jedynie w sytuacjach, w których obiekty stojące na drodze światła są stosunkowo duże. Model ten przestaje funkcjonować w sytuacjach, gdy światło spotyka obiekty o wielkościach porównywalnych z długością fali świetlnej (ok. 0,5 μm [mikrometra]). Jest to mała wielkość, więc zazwyczaj większość znanych nam, widzialnych obiektów jest wyraźnie większa od tego rozmiaru. Dlatego w typowych życiowych sytuacjach zjawiska falowe się nie ujawniają, a model geometryczny jest jak najbardziej uprawniony. Jednak gdy zbliżymy się z rozmiarami obiektów do rozmiaru mikrometra, wtedy opisywane prawa przestają działać - światło przestaje rozchodzić się prostoliniowo i dzieją się zjawiska charakterystyczne dla optyki falowej.

Światło

Czym jest światło? W XVII wieku istniały dwie teorie na temat tego czym jest światło: Isaac Newton opowiadał się za tym, że światło jest strumieniem korpuskuł (czyli poruszających się cząstek). Christiaan Huygens twierdził, że jest to fala (w XIX wieku Clerk Maxwell stwierdził, że jest to fala elektromagnetyczna).

Czym jest światło? Dziś wiemy, że światło ma dwoistą naturę tzn. możemy je uważać zarówno za falę elektromagnetyczną jak i strumień fotonów (cząstek będących kwantem energii promieniowania świetlnego). W przypadku światła mówimy zatem o tzw. dualizmie korpuskularno- falowym. Właściwości falowe obserwujemy w czasie odbijania i załamania światła, dyfrakcji, interferencji czy polaryzacji. Właściwości korpuskularne światła potwierdzają zjawiska luminescencji, fotoelektryczności i jonizacji.

Odbicie Światła

odbiciE światła Odbicie światła to zmiana kierunku rozchodzenia się światła na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Definicje: Kątem padania nazywamy kąt pomiędzy promieniem padającym na powierzchnię odbijającą, a normalną (prostą prostopadłą do powierzchni odbijającej). Kątem odbicia nazywamy kąt pomiędzy promieniem odbitym, a normalną. Kąt padania i kąt odbicia liczone są od normalnej.

Prawo odbicia światła a = b Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. normalna a b Ośrodek I Ośrodek II promień padania promień odbicia kąt odbicia b kąt padania a a = b

Zwierciadła

zwierciadło Zwierciadło optyczne jest to 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).

Rodzaje zwierciadeł Ze względu na kształt powierzchni, zwierciadła dzieli się na: płaskie wklęsłe (skupiające) wypukłe (rozpraszające)

Rodzaje zwierciadeł Ze względu na rodzaj krzywizny zwierciadła wklęsłe i wypukłe dzieli się na: sferyczne/kuliste cylindryczne paraboliczne hiperboliczne inne (o powierzchni nieregularnej)

Zwierciadło płaskie A’ A W zwierciadle płaskim obraz obiektu konstruuje się poprzez wykonanie odbicia symetrycznego względem płaszczyzny zwierciadła. Jest to obraz pozorny, prosty (nieodwrócony) i tej samej wielkości. A obiekt A’ obraz pozorny Bieg promieni w zwierciadle płaskim

Zwierciadło sferyczne wklęsłe Zwierciadło sferyczne wklęsłe stanowi wewnętrzną powierzchnie sfery. Kierujemy na nie wiązkę promieni równoległych. Możemy stwierdzić, że: odległość OA jest równa długości promienia sfery - R punkt F nazywamy ogniskiem zwierciadła, przecinają się w nim promienie wiązki równoległej odbite od zwierciadła, leży on w połowie odcinka OA odcinek FA nazywamy ogniskową zwierciadła i oznaczamy f.

Zwierciadło sferyczne Obrazy powstałe w zwierciadle sferycznym zależą od położenia przedmiotu względem soczewki. Przyjmijmy oznaczenia: x - odległość przedmiotu od zwierciadła h - wysokość przedmiotu y - odległość obrazu od zwierciadła H - wysokość obrazu f - ogniskowa p - powiększenie

zwierciadło sferyczne Równanie obrazu Powiększenie obrazu

Zwierciadło sferyczne wklęsłe Obraz dla x > 2f (odległość przedmiotu dużo większa od podwójnej ogniskowej) Rodzaj obrazu: rzeczywisty odwrócony, pomniejszony (p < 1) Odległość obrazu: f< y< 2f

Zwierciadło sferyczne wklęsłe Obraz dla x = 2f (odległość przedmiotu równa podwójnej ogniskowej) Rodzaj obrazu: rzeczywisty odwrócony, takich samych rozmiarów (p = 1) Odległość obrazu: y = 2f

Zwierciadło sferyczne wklęsłe Obraz dla f < x < 2f (odległość przedmiotu większa od ogniskowej i mniejsza od podwójnej ogniskowej) Rodzaj obrazu: rzeczywisty odwrócony, powiększony (p > 1) Odległość obrazu: y > 2f

Zwierciadło sferyczne wklęsłe Obraz dla x = f (odległość przedmiotu równa ogniskowej) Rodzaj obrazu: brak obrazu

Zwierciadło sferyczne wklęsłe Obraz dla x < f (odległość przedmiotu mniejsza od ogniskowej) Rodzaj obrazu: pozorny prosty (nieodwrócony) powiększony (p > 1) Odległość obrazu: y < 0

Zwierciadło sferyczne wypukłe Obraz dla x = 2f (odległość przedmiotu równa podwójnej ogniskowej) Rodzaj obrazu: pozorny, prosty, pomniejszony (p < 1) Odległość obrazu: y < 0

Zwierciadło sferyczne wypukłe Obraz dla f < x < 2f (odległość przedmiotu większa od ogniskowej i mniejsza od podwójnej ogniskowej) Rodzaj obrazu: pozorny, prosty, pomniejszony (p < 1) Odległość obrazu: y < 0

Zwierciadło sferyczne wypukłe Obraz dla x = f (odległość przedmiotu równa ogniskowej) Rodzaj obrazu: pozorny, prosty, pomniejszony (p < 1) Odległość obrazu: y < 0

Zwierciadło sferyczne wypukłe Obraz dla x < f (odległość przedmiotu mniejsza od ogniskowej) Rodzaj obrazu: pozorny, prosty, pomniejszony (p < 1) Odległość obrazu: y < 0

Kilka zdjęć z pracy nad optyką geometryczną

Zastosowania zwierciadeł Zwierciadła płaskie są typem najczęściej spotykanym w życiu codziennym: lustra i lusterka powszechnego użytku (ścienne, łazienkowe, kieszonkowe, dekoracyjne itp.), lustra fenickie (często mylnie nazywane lustrem weneckim) – odmiana lustra, która odbija część światła, a część przepuszcza, w lustrzankach jako element kierujący światło do wizjera, podnoszony na czas robienia zdjęcia, w laserach jako elementy ograniczające wnękę rezonansową, jako elementy zmieniające bieg światła w urządzeniach optycznych

Zastosowania zwierciadeł Zwierciadła wypukłe i wklęsłe stosowane są między innymi w: teleskopach obiektywach lustrzanych „powiększających” lusterkach kosmetycznych, samochodowych lusterkach wstecznych, lustrach ustawionych przy drogach w miejscach szczególnie niebezpiecznych o ograniczonej widoczności lampach i reflektorach, lupach, mikroskopach, aparatach fotograficznych

Peryskop

peryskop Peryskop – przyrząd optyczny służący do obserwacji przedmiotów znajdujących się poza polem widzenia obserwatora lub zakrytych przeszkodami. Pierwotna koncepcja opierała się na systemie luster umocowanych na wysięgniku, później lustra lub pryzmaty umieszczano w obudowie. Wynalazcą peryskopu był gdański astronom Jan Heweliusz .

peryskop Budowa Zastosowanie Peryskop znalazł zastosowanie m.in. w technice wojskowej. Obecnie najczęściej kojarzony jest z okrętami podwodnymi, gdzie umożliwia obserwację powierzchni morza bez wynurzania statku. Promienie świetlne padają na każde ze zwierciadeł pod kątem 45°. Patrząc w wizjer, widzimy obraz prosty obserwowanego przedmiotu.

Nasz peryskop

Soczewka

Soczewka jest to proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku bloków przezroczystego materiału (np. szkła ,żeli ). Może powstać z dwóch pryzmatów o odpowiednio wyprofilowanym ośrodku. Istotą soczewki jest to, że jedna z powierzchni roboczych jest zakrzywiona - jest wycinkiem sfery, innej obrotowej krzywej stożkowej jak parabola, hiperbola lub elipsa, albo walca.

Rodzaje soczewek

Soczewka skupiająca

Soczewka rozpraszająca

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

Wady soczewek Aberracja sferyczna - cecha soczewki polegająca na odmiennych długościach ogniskowania promieni świetlnych ze względu na ich położenie pomiędzy środkiem a brzegiem urządzenia optycznego - im bardziej punkt przejścia światła zbliża się ku brzegowi urządzenia, tym bardziej uginają się promienie świetlne. Możemy ją ograniczyć stosując przysłony lub układy soczewek o odpowiednio dobranych promieniach krzywizn i współczynnikach załamania.

Wady soczewek Aberracja chromatyczna – cecha soczewki wynikająca z różnych odległości ogniskowania (ze względu na różną wartość współczynnika załamania) dla poszczególnych barw widmowych światła (różnych długości fali światła). W rezultacie występuje rozszczepienie światła, które widoczne jest na granicach kontrastowych obszarów pod postacią kolorowej obwódki (zobacz zdjęcie obok).

Wady soczewek Aberracja chromatyczna występuje również w soczewce ludzkiego oka, powodując barwne obwódki (pomarańczowe i niebieskie) wokół ciemnych przedmiotów na jasnym tle. W przypadku układów optycznych (teleskopy, obiektywy fotograficzne etc.) jest to wada pogarszająca jakość odwzorowania.

WIELKOŚCI CHARAKTERYZUJACE SOCZEWKI I ZWIERCIADŁA

OGNISKO

Ognisko soczewki – w optyce, punkt, w którym przecinają się promienie świetlne, początkowo równoległe do osi optycznej, po przejściu przez układ optyczny skupiający (ognisko rzeczywiste) lub punkt, w którym przecinają się przedłużenia tych promieni po przejściu przez rozpraszający układ optyczny (ognisko pozorne).

Ogniskowa

Ogniskowa– odległość pomiędzy ogniskiem układu optycznego a punktem głównym układu optycznego, np. odległość środka soczewki od punktu, w którym skupione zostaną promienie świetlne, które przed przejściem przez soczewkę biegły równolegle do jej osi. Ogniskową można określić zarówno dla soczewek i ich układów, jak i dla zwierciadeł. Można ją obliczyć ze wzoru:

Zdolność skupiająca

Zdolność skupiająca – wielkość definiowana dla pojedynczych soczewek i dla układu optycznego oznaczająca odwrotność ogniskowej soczewki lub układu. Zdolność zbierającą mierzy się w dioptriach. Wymiarem dioptrii jest odwrotność metra.

Rozczepienie i załamanie światła w pryzmacie

Ale najpierw co to jest pryzmat  bryła z materiału przezroczystego o co najmniej dwóch ścianach płaskich nachylonych do siebie pod kątem (tzn. kątem łamiącym pryzmatu).

Działanie 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.

A teraz Praktyka 

Załamanie światła laserowego w pryzmacie

Wykonaliśmy wspólnie doświadczenie Światło lasera nie ulega rozczepieniu ponieważ jest jednobarwne

Wzrost temperatury w ognisku

Każdy przynajmniej raz w życiu chciał spalić pajęczynę za pomocą lupy Każdy przynajmniej raz w życiu chciał spalić pajęczynę za pomocą lupy. Światło, które skupia się w jednym miejscu, zwiększa temperaturę w tym punkcie. Po jakimś czasie można zauważyć, że pajęczyna zaczyna się spalać.

Praktyka

Iluzje optyczne

Odpręż się i skoncentruj przez 30 sekund na 4 małych punktach w środku obrazka. Następnie spójrz powoli na pobliska ścianę (lub na gładką powierzchnię jednego koloru, tylko musi być ona dość duża) Po kilku sekundach utworzy się jasna plama. Gdy mrugniesz kilka razy, ujrzysz powstającą w tle plamy figurę. Co widzisz? Albo inaczej: KOGO widzisz?

Wydawać się może, że studnia jest prawdziwa Wydawać się może, że studnia jest prawdziwa. Jednak tak naprawdę jest to jedynie malunek na płaskiej powierzchni. Mózg odbiera ciemniejsze barwy jako „dalsze”, stąd to złudzenie.

Wydawać się może, że kółka „rosną w oczach” Wydawać się może, że kółka „rosną w oczach”. Tak naprawdę to tylko złudzenie optyczne,. Poniższy obrazek w ogóle się nie porusza!

MIraże

A TERAZ COŚ O MIRAŻACH…  Wyróżniamy dwa typy miraży: miraż górny i miraż dolny. 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.

Z kolei miraż dolny obserwuje się pod horyzontem Z kolei miraż dolny obserwuje się pod horyzontem. Decydującym czynnikiem warunkującym jego powstawanie jest dostatecznie silne nagrzanie dużej powierzchni podłoża (np. piasku na pustyni, asfaltowej szosy). Promienie świetlne są wówczas zakrzywiane w górę, ku chłodniejszemu, a więc gęstszemu powietrzu. Sytuacja taka ma na przykład miejsce na obszarach pustynnych,. Zakrzywione promienie docierają do oka obserwatora pozornie z innego kierunku co wywołuje powstanie obrazu zwierciadlanego. Podobnie powstaje miraż obserwowany na rozgrzanej drodze. Wygląda on jak kałuża wody, w której widzimy odbicie. Jest to efekt pozornych odbić dalekiego krajobrazu lub nieba.

Z Czego korzystaliśmy Wikipedia.pl Encyklopedia fizyki Podręcznik GWO do klasy III gim. Portalwiedzy.onet.pl gigante.pl/zludzenia