Dane informacyjne Nazwa szkoły: Gimnazjum nr 1 w Gostyniu ID grupy: 98/70_MF_G1 Opiekun: Barbara Pietrzak Kompetencja: matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Ciekawa optyka Semestr/rok szkolny: Semestr V / 2011/2012

Zjawiska optyczne w przyrodzie Przyroda, która stworzyła najpiękniejsze góry świata, nie poskąpiła nam też innych doznań, jakie nie istnieją w zwykłej szarej codzienności. Cóż znaczy tęcza, albo zachód słońca nad wieżowcami, kto fascynuje się burzą stojąc w ulicznym korku, lub poranną rosą na osiedlowym trawniku? Na przykład w górach można spotęgować swoje doznania upajając się nie tylko pięknymi widokami, ale także niesamowitymi zjawiskami meteo na ich tle. W ścisłej łączności z chmurami obserwowane są w atmosferze różne zjawiska optyczne.

Zjawiska optyczne w przyrodzie Zjawiska te nie mają znaczenia praktycznego, jednak dostarczają pewnych wiadomości o charakterze chmur, w których są obserwowane. Są one wywołane odbiciem, załamaniem, ugięciem i interferencją światła słonecznego lub księżycowego w kropelkach wody lub kryształkach lodu, z których składają się chmury. Niektóre z nich powtarzają się bardzo często, inne są wielką rzadkością i trzeba mieć dużo szczęścia, aby je zobaczyć.

ZJAWISKO CIENIA I PÓŁCIENIA Światło rozchodzi się po linii prostej, więc gdy napotka przeszkodę o rozmiarach podobnych z długością fali, to z tyłu za nią pojawi się cień. Jeżeli źródło światła jest punktowe to utworzy się cień pełny, a jeżeli źródło światła będzie miało duże rozmiary liniowe, to z tyłu przedmiotu utworzą się obszary cienia i półcienia.

Zaćmienie słońca Zaćmienia Słońca, zwłaszcza całkowite, są jednymi z najciekawszych zjawisk jakie można obserwować na ziemskim niebie. Dochodzi do nich, gdy Księżyc poruszający się po orbicie wokół Ziemi znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią. W zależności od rozmiarów kątowych oraz wzajemnego położenia tarczy Słońca i Księżyca w momencie zaćmienia wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i obrączkowe.

ZAĆMIENIE KSIĘŻYCA Zaćmienia Księżyca również są bardzo efektownymi zjawiskami astronomicznymi. Dochodzi do nich, gdy Ziemia znajdzie się pomiędzy Słońcem a Księżycem, przesłaniając promienie słoneczne padające na Księżyc. W zależności od tego, jaki fragment tarczy Księżyca znajdzie się w cieniu lub półcieniu Ziemi wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i półcieniowe. Zaćmienia Księżyca mogą być częściej obserwowane od zaćmień Słońca, ponieważ widać je z całej nocnej półkuli Ziemi.

TĘCZA Tęcza jest jednym z efektowniejszych zjawisk optycznych w atmosferze. Jest to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół kropel wody w atmosferze (krople deszczu, mżawki lub mgły).

TĘCZA W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie. W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz. Zjawisko powstaje na skutek rozszczepienia światła białego i odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Tęczę obserwuje się na tle chmur, z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce.

TĘCZA Natężenie światła, szerokość i barwa tęczy wahają się w szerokim przedziale w zależności od rozmiarów kropel. Tęczę obserwuje się również w bryzgach fal morskich, wodospadów i fontann. Dlaczego widzimy tylko łuk, a nie całą ścianę kolorowych barw? Wynika to z tego, że wszystkie promienie słoneczne wpadają do kropli wody równolegle względem siebie i wpadają do oka pod określonym kątem w stosunku do kierunku padania promieni słonecznych.

ZJAWISKO HALO Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk świetlnych (optycznych) na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje jako barwny, lub w przeważającej części biały, świetlisty pierścień, w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone od wewnątrz i w rzadkich przypadkach fioletowe na zewnątrz.

ZJAWISKO HALO Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Pierścień o średnicy 22° (tzw. małe halo) powstaje przez załamanie na powierzchniach kryształków o kącie łamiącym 60° natomiast o średnicy 46° (rzadziej występujące tzw. duże halo), powstaje podczas załamania światła na krawędziach kryształków wzajemnie do siebie prostopadłych. Zjawisko halo występuje przy chmurach typu Cirrus.

ZJAWISKO 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).

ZJAWISKO BROCKENU 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. Nazwa zjawiska pochodzi od wzniesienia Brocken (1142 m) w górach Harz (Niemcy), gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.

Wschód i zachód słońca Wschód Słońca Barwa nieba o Zachodzie Słońca

ZORZA POLARNA Zorza polarna jest jednym z najpiękniejszych zjawisk optycznych zachodzących w przyrodzie. W większości przypadków zorze polarne mają odcień zielony lub niebieskozielony. Występują w postaci wstęg lub plam podobnych do obłoków. Ziemię można nazwać olbrzymim magnesem. Linie pola magnetycznego Ziemi wychodzą z obszaru przylegającego do północnego bieguna, opasają kulę ziemską i wchodzą w obszarze południowego bieguna magnetycznego. Cząstka naładowana wpadając w pole magnetyczne Ziemi porusza się ruchem spiralnym wokół linii pola.

Zorza polarna Podczas zjawiska zorzy polarnej protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi z wiatru słonecznego powodując jonizację i wzbudzenie atomów i cząstek gazów znajdujących się w atmosferze. Zjawisko to ma najczęściej miejsce w pobliżu biegunów ziemskich, ponieważ tam jest największa koncentracja protonów i elektronów (w obszarach polarnych indukcja pola magnetycznego jest większa niż w pozostałych). Świecenie zielone i czerwone powodują wzbudzone atomy tlenu, podczerwone i fioletowe - zjonizowane cząsteczki azotu.

Miraż dolny Miraże dolne obserwuje się pod horyzontem. Powstają one na bardzo gorących, rozgrzanych obszarach, takich jak pustynie lub stepy. Temperatura Ziemi w tamtym miejscu jest o wiele wyższa od temperatury najniższej warstwy powietrza. Miraże dolne mogą być odwrócone lub proste. Przykładem takiego mirażu jest sytuacja, gdy jedziemy samochodem w upalny dzień i na drodze w oddali wydaje się, że widzimy wodę albo brzeg jeziora. Jednak tak naprawdę jest to obraz odbity od najniższych warstw nad drogą w danej odległości od nas.

Miraż górny Miraż górny powstaje powyżej linii horyzontu. Ten rodzaj mirażu można najczęściej zaobserwować nad morzem, ponieważ temperatura powietrza jest znaczenie niższa od temperatury morza. Promienie odbite ulegają takiemu zakrzywieniu, że obserwator widzi ich obrazy powyżej linii horyzontu.

Pojęcia stosowane w optyce Długość fali - odległość, jaką fala pokonuje w czasie jednego pełnego drgania cząsteczki ośrodka. Obliczamy ją ze wzoru: Częstotliwość - liczba drgań wykonanych w jednostce czasu. Jej jednostką jest herc (Hz). Można ją więc obliczyć ze wzorów:

Pojęcia stosowane w optyce Okres - jest to czas potrzebny do wykonania jednego pełnego drgania. Możemy obliczyć go ze wzoru: Prędkość fali - fala rozchodzi się w określonym ośrodku ze stałą prędkością v, której wartość można obliczyć ze wzoru:

OPTYKA GEOMETRYCZNA Optyka geometryczna – najstarsza i podstawowa część optyki. Najważniejszym pojęciem optyki geometrycznej jest promień świetlny, czyli nieskończenie cienka wiązka światła. Rozchodzenie się światła opisywane jest tu jako bieg promieni, bez wnikania w samą naturę światła.

ODBICIE ŚWIATŁA Odbicie to odwrócenie kierunku światła padającego na jakąś powierzchnię w taki sposób, że kąt padania światła równa się kątowi odbicia. Dzięki zjawisku odbicia widzimy nasze otoczenie. Wszystkie przedmioty odbijają światło, które trafia do naszych oczu z informacją o wyglądzie tych ciał. Gdy powierzchnia odbijająca jest nieregularna, światło odbija się w różne strony. Odbicie takie nazywamy rozproszeniem światła.

PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA Gdy światło pada na granicę dwóch ośrodków, to ulega odbiciu zgodnie z prawem odbicia, które mówi: „Kąt padania równy jest kątowi odbicia. Promień padający i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie, prostopadłej do powierzchni.”

ZAŁAMANIE ŚWIATŁA Załamanie – zmiana kierunku promienia świetlnego przy ukośnym padaniu na granicę między dwoma ośrodkami przezroczystymi. Jest skutkiem różnicy prędkości światła w obu ośrodkach. Gdy granica jest ostra (np. powierzchnia wody na granicy z powietrzem), załamanie następuje gwałtownie. Gdy zaś jeden ośrodek stopniowo przechodzi w drugi (np. na granicy między ciepłym i zimnym powietrzem), załamanie jest płynne; w takich przypadkach powstają miraże.

ROZSZCZEPIENIE Rozszczepienie w fizyce to zjawisko rozdzielenia się fali na składowe o różnej długości. Jeżeli w jednym z ośrodków prędkość rozchodzenia się fali zależy od częstotliwości, to fale o różnej częstotliwości załamują się pod różnymi kątami. W efekcie droga, po której porusza się fala, zależy od jej częstotliwości, czyli zachodzi rozszczepienie.

Dyfrakcja ŚWIATŁA Promienie światła rozchodzą się po liniach prostych, lecz przechodząc przez małe otwory ulegają ugięciu, czyli dyfrakcji. Dyfrakcja, jako zjawisko typowe dla ruchu falowego, jest świadectwem falowej natury światła. Ponieważ dyfrakcję można obserwować tylko wtedy, gdy rozmiary szczeliny są porównywalne z długością fali padającej na szczelinę, to dyfrakcja światła, ze względu na małą długość fal świetlnych, zachodzi tylko na bardzo małych szczelinach.

INTERFERENCJA Do najbardziej charakterystycznych zjawisk ruchu falowego należy interferencja.   Przekonującego dowodu na falową naturę światła dostarczył w 1801r. angielski fizyk i lekarz zarazem, Thomas Young, który przeprowadził słynny eksperyment z interferencją światła. Odkrył on, że światło przechodzące przez dwa leżące blisko siebie otworki daje na ekranie obraz jasnych i ciemnych punktów.

INTERFERENCJA Linie ciemne odpowiadają grzbietom fal, jasne obszary między nimi reprezentują doliny. Jest to efekt nakładania się fal, w wyniku czego może wystąpić: - wzmocnienie natężenia fali wypadkowej (fale nakładają się w fazach zgodnych) - wygaszenie (nakładanie się fal o fazach przeciwnych).

INTERFERENCJA Praktyczne zastosowania zjawiska interferencji: precyzyjny pomiar długości fali światła i innych fal elektromagnetycznych (interferometry), aktywne tłumienie hałasu, obniżanie ekspresji genów u ludzi, antena adaptacyjna.

Doświadczenia z wykładu – dyfrakcja i interferencja

Doświadczenia z wykładu – cd.

Wyznaczanie ogniska zwierciadła kulistego wklęsłego Przebieg doświadczenia: Ustawiamy oświetlacz na początku ławy optycznej, a na końcu montujemy zwierciadło kuliste wklęsłe. Między oświetlaczem a zwierciadłem montujemy uchwyt z paskiem papieru. Wiązka światła wyświetlacza przechodzi nad i pod paskiem, pada na zwierciadło, zostaje odbita i skupiona. Przesuwając uchwyt z paskiem papieru znajdujemy mały, jasny punkt - ognisko zwierciadła kulistego wklęsłego. Po zmierzeniu długość ogniskowej wynosiła 8cm.

Otrzymywanie obrazów za pomocą zwierciadła kulistego wklęsłego. Przebieg doświadczenia: Za oświetlaczem ustawiamy matową płytkę szklaną z przestronną, mającą szczelinę w kształcie litery „L”. Przy końcu ławy ustawiamy zwierciadło kuliste wklęsłe. Między oświetlaczem a zwierciadłem montujemy uchwyt z paskiem papieru (ekran). Przesuwając pasek papieru wzdłuż ławy otrzymujemy ostry obraz litery „L”, którego wielkość zależy od odległości zwierciadła od przedmiotu.

Obliczanie ogniskowej zwierciadła kulistego wklęsłego x=43 cm (odległość przedmiotu od zwierciadła) y=10 cm (odległość obrazu od zwierciadła)

Otrzymywanie obrazów zapalonej świeczki za pomocą zwierciadła kulistego wklęsłego Przebieg doświadczenia: Świeczkę ustawiamy na stoliku i wykonujemy doświadczenie analogicznie, jak poprzednie. Na pasku papieru otrzymujemy różne obrazy płomienia świeczki w zależności od jej odległości od zwierciadła.

Demonstracja zjawiska dyfrakcji i interferencji światła białego Przebieg doświadczenia: Na ławie optycznej umieszczamy oświetlacz, soczewkę o ogniskowej +15 cm, siatkę dyfrakcyjną (150 rys/1 mm) oraz ekran. Dobierając odpowiednią odległość otrzymujemy na ekranie obraz barwnych prążków interferencyjnych.

Wyznaczanie ogniska soczewki skupiającej Przebieg doświadczenia: Oświetlacz umieszczamy poza ławą optyczną i w odległości kilkudziesięciu centymetrów od niego ustawimy soczewkę o ogniskowej +15 cm. Obserwujemy wiązkę światła skupioną w jednym punkcie – ognisku soczewki.

Otrzymywanie obrazów za pomocą soczewek skupiających. Przebieg doświadczenia: Ustawiamy oświetlacz poza ławą optyczną, a przed nim w uchwycie matówkę i przesłonę ze szczeliną w kształcie litery L. Między oświetlaczem a ekranem umieszczamy soczewkę o ogniskowej +15 cm i doprowadzamy ją do takiego położenia, aby otrzymać na ekranie: Obraz szczeliny rzeczywisty, pomniejszony i odwrócony. Obraz szczeliny rzeczywisty, powiększony i odwrócony.

Rozwiązywanie zadań rachunkowych Zadanie Gdy przedmiot umieszczono w odległości 18cm od zwierciadła kulistego wklęsłego, otrzymano obraz w odległości 9cm od zwierciadła: a) Oblicz wysokość tego obrazu wiedząc, że wysokość przedmiotów wynosi 6 cm. b) Oblicz ogniskową tego zwierciadła. c) Udowodnij, że aby otrzymać obraz w odległości 15 cm od tego zwierciadła, przedmiot należy umieścić w odległości 10 cm od zwierciadła.

Zadanie - cd. Ad. a) Ad. b) Odp.: Wysokość tego obrazu wynosi 3 cm. Odp.: Ogniskowa tego zwierciadła wynosi 6cm.

Zadanie - cd. Ad. c) (co należało udowodnić )

Iluzje optyczne Zmysł wzroku postrzega otaczającą nas rzeczywistość. Jednak to mózg, do którego dociera impuls nerwowy interpretuje obraz. Zdarzają się sytuacje, w których robi to błędnie. Złudzenie optyczne polega na tym, że umiemy w racjonalny sposób (inną metodą niż „przez popatrzenie”) dowieść, jaka jest rzeczywistość, a mimo to nasz mózg interpretuje nas inaczej, w sobie właściwy sposób.

Iluzje optyczne Przykłady iluzji optycznych: Długości odcinków Wyjaśnienie: Ocena długości odbywa się przez kilkakrotne przesuwanie wzroku po badanym obiekcie. W przypadku górnego odcinka zaczynamy od ramion kąta – co trwa dłużej niż w przypadku dolnego odcinka. Na tym przykładzie widzimy, że mózg, interpretując obraz, korzysta nie tylko z informacji zebranych przez siatkówkę, ale też z ruchów wykonywanych przez oko. Która strzałka jest dłuższa? Jeśli je zmierzymy, okaże się, że są sobie równe.

Iluzje optyczne Szerokość i długość Czy kapelusz jest wyższy czy szerszy? Wydaje się, że jest wyższy – gdyż oceniamy jego szerokość, spoglądając na dwa skrajne punkty ronda. Natomiast oceniając wysokość kapelusza, patrzymy na całą czarną plamę.

Iluzje optyczne Złudzenie Ponzo Złudzenie powstaje ze względu na postrzeganie perspektywy. Odcinki równe co do długości i równoległe, umieszczone w dwóch miejscach obrazu „perspektywicznego”, wydaja się być różnej długości – nasz mózg „automatycznie” wydłuża jeden z nich zgodnie z prawami perspektywy.

Iluzje optyczne Zjawisko irradiacji Jasne przedmioty na ciemnym tle wydają się nam większe od ciemnych przedmiotów na jasnym tle. Dzieje się dlatego, że wokół pola świetlnego powstającego na siatkówce powstaje świetlna ramka zwiększająca podświetlony obraz.

Iluzje optyczne Złudzenie Hermana

BIBLIOGRAFIA G. Francuz – Ornat, T. Kulawik, M. Nowotny - Różańska „Spotkania z fizyką” Wydawnictwo Nowa Era, Warszawa 2011, str.12, 25 – 26. http://www.if.pw.edu.pl/~labfiz1p/cmsimple2_4/1instrukcje_pdf/25.pdf http://pl.wikipedia.org/wiki/Interferencja Paul G. Hewitt „Fizyka wokół nas”, Wydawnictwo Naukowe PWN 2010 http://www.ketrzyn.mm.pl/~lubasinski/Site/Images/zludzenia_clip_image012.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4d/Black_and_white_squares.jpg/200px-Black_and_white_squares.jpg http://gamedeczone.com/blog/wp-content/uploads/2011/05/z%C5%82udzenie-optyczne-kopia.jpg http://mse.wedrowiec.kei.pl/ilustracje2/ponzo_tory.gif http://alerama.ovh.org/images/galeria/maxhumor_pl_318.jpg http://bi.gazeta.pl/im/6/4706/z4706686X.jpg