Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Zespół Szkół Budowlanych ID grupy: 97/73_MF_G1 Kompetencja: Matematyka i fizyka Temat projektowy: Zjawiska optyczne w atmosferze Semestr/rok szkolny: Semestr I / rok szkolny 2009/2010

Światło Natura światła zawsze była fundamentalnym problemem nauki. Matematyk i fizyk Isaak Newton opisał światło jako strumień cząsteczek, a astronom, fizyk i matematyk holenderski Christiaan Huygens stworzył teorię falową światła. W oddziaływaniu z materia ujawniają się właściwości korpuskularne jak również falowe światła.

Prędkość światła Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni nie zależy od częstości fali ani układu odniesienia. Stałość tej prędkości wynika z podstawowych własności przestrzeni i dlatego w fizyce określa się stałą c o nazwie prędkość światła. Prędkość światła (prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni) jest bardzo ważną stałą fizyczną oznaczaną symbolem c, wynoszącą dokładnie 299792458 m/s

Właściwości falowe i korpuskularne Właściwości falowe obserwujemy w czasie odbijania i załamywania światła, dyfrakcji, interferencji, czy polaryzacji. Powierzchnie szorstkie odbijają światło rozpraszając je a płaszczyzny gładkie odbijają fale pod określonym kątem, który jest równy kątowi padania promieni. Zjawisko to wykorzystuje się w teleskopach, i lustrach wszelkiego rodzaju. Zjawisko to po raz pierwszy zbadał matematyk holenderski Willebrord Snell w roku 1621. Wiązka laserowa padająca na szkło pod kątem zwanym kątem padania załamuje się w szkle, ponieważ prędkość światła w szkle jest mniejsza od prędkości światła w powietrzu. Stosunek tych prędkości nazywany współczynnikiem załamania. Miarą załamania wiązki światła zwana jest współczynnikiem załamania. Względem powietrza wynosi ona 1 - dla powietrza, 1,3 - dla wody, 1,5 - dla szkła. Właściwości korpuskularne światła potwierdzają zjawiska luminescencji, fotoelektryczności, jonizacji oraz ciśnienie wywierane przez światło. Cząsteczki światła nazywamy fotonami.

Przyrządy stosowane w optyce

Soczewka 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. Rozróżniamy następujące typy soczewek:

Zwierciadła Światło padające w próżni lub powietrzu na gładko wypolerowaną powierzchnię graniczną niektórych materiałów ulega niemal w całości odbiciu. Powierzchnie takie nazywamy zwierciadłami.. Wyróżniamy następujące rodzaje zwierciadeł: płaskie (powstaje obraz pozorny, prosty i tej samej wielkości)

wklęsłe (obraz jest pozorny, prosty i powiększony) wypukłe (obraz jest zależny od odległości przedmiotu od zwierciadła)

Pryzmat Pryzmat bryła z materiału przezroczystego o co najmniej dwóch ścianach płaskich nachylonych do siebie pod kątem (tzn. kątem łamiącym 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.

Załamanie i rozszczepienie światła w pryzmacie - opis doświadczenia W kawałku czarnego papieru o wielkości przezrocza (2,4 x 3,6 mm) wycinamy szczelinę o szerokości 3 mm i umieszczamy ją w ramce do przezroczy. Wkładamy ramkę do rzutnika, tak aby szczelina byłą pionowa. Rzutnik ustawiamy w takiej odległości od ekranu, tak aby na ekranie był ostry obraz szczeliny. Wstawiamy pryzmat w wiązkę światła wybiegającą z rzutnika. Bez pryzmatu światło z rzutnika, padając na ekran, tworzy biały prostokątny obraz. Kiedy wstawimy pryzmat - pojawia się na ekranie barwna smuga światła. Układ kolorów, licząc od najmniejszego odchylenia, jest następujący: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. Zaobserwowane zjawisko nazywamy rozszczepieniem światła w pryzmacie, a uzyskaną barwną smugę nazywamy widmem światła białego. Analizując to zjawisko możemy wyciągnąć wniosek, że światło białe nie jest jednolite, ale że jest mieszaniną wielu składowych o różnych barwach.

Lornetka i lupa Lornetka: Przyrząd optyczny w postaci dwóch lunet, sprzężonych równolegle. Umożliwia obuoczną obserwację odległych obiektów. Lorneta jest tak skonstruowana, aby dawała obraz prosty, czyli nie odwrócony. Zaletą lornety w porównaniu z lunetą (przy tej samej średnicy obiektywu) jest jaśniejszy obraz o większej rozdzielczości. Rozstawienie lunet wpływa także na wrażenie plastyczności obrazu dając efekt stereoskopowy Lorneta jest nazwą przyrządu optycznego, w praktyce większość lornet jest niewielkich rozmiarów, stąd nazywane są lornetkami. Lupa: Lupa , "mikroskop prosty" jest przyrządem optycznym służącym do bezpośredniej obserwacji drobnych przedmiotów. W ścisłym znaczeniu tego słowa jest to jedna soczewka dodatnia o powiększeniu co najmniej trzykrotnym. Soczewki dające mniejsze niż trzykrotne powiększenie nazywane są szkłami powiększającymi[1]. Lupa zbudowana jest z jednej soczewki skupiającej lub z zespołu soczewek umieszczonych w oprawce. Lupa tworzy obraz przedmiotu pozorny, prosty, powiększony.

Zjawiska w optyce

Załamanie Załamanie w fizyce to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała.

Odbicie Odbicie fali – jeżeli fala pada na przeszkodę, to ulega odbiciu, przy czym kąt padania, normalna do powierzchni odbijającej oraz promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Dyfrakcja Ugięcie, czyli dyfrakcja – jeżeli rozchodząca się fala napotyka na swej drodze przeszkodę o rozmiarach zbliżonych do jej długości λ, to ulega na niej dyfrakcji. Dyfrakcja polega na zaburzeniu prostoliniowego rozchodzenia się fali w danym ośrodku.

Interferencja • Interferencja to nakładanie się fal rozchodzących się z dwóch lub większej liczby źródeł. Nakładanie się fal zachodzi bezkolizyjnie, fale przenikają się nawzajem. W wyniku interferencji może wystąpić wzmocnienie lub wygaszenie fali . Interferencja możliwa jest tylko dla fal o tych samych długościach (częstotliwościach) i stałej różnicy faz. • Wzmocnienie interferencyjne zachodzi wówczas, gdy spełniony jest warunek: Δr = r1 – r2 = nλ,  gdzie n = 0, 1, 2, 3... • Wygaszenie interferencyjne zachodzi wówczas, gdy spełniony jest warunek: gdzie n = 1, 2, 3...

Halo Halo – zjawisko optyczne zachodzące w atmosferze ziemskiej obserwowane wokół tarczy słonecznej lub księżycowej. Jest to świetlisty, biały lub zawierający kolory tęczy (wewnątrz czerwony, fioletowy na zewnątrz), pierścień widoczny wokół słońca lub księżyca. Część nieba wewnątrz kręgu jest tak samo ciemna jak na zewnątrz. Zjawisko wywołane jest załamaniem na kryształach lodu i odbiciem wewnątrz kryształów lodu znajdujących się w chmurach pierzastych piętra wysokiego (cirrostratus) lub we mgle lodowej.

Miraże Miraż, fatamorgana – zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości. Początkowo fatamorganą nazywano miraże pojawiające się w Cieśninie Mesyńskiej, gdzie są one najefektowniejsze. W Polsce pojawiają się na Pustyni Błędowskiej oraz na Wyżynie Śląskiej. Miraże dzielą się na 2 rodzaje – miraż dolny i górny.

Miraż dolny Miraż dolny- obserwuje się pod horyzontem. Decydującym czynnikiem warunkującym jego powstawanie jest dostatecznie silne nagrzanie dużej powierzchni podłoża (np. piasku na pustyni, asfaltowej szosy, ściany dużego budynku itp.). Promienie świetlne są wówczas zakrzywiane w górę, ku chłodniejszemu, a więc gęstszemu powietrzu. Sytuacja taka ma na przykład miejsce na obszarach pustynnych, gdzie pod wieczór piasek oddaje swe ciepło, ogrzewając warstwę powietrza tuż nad swoją powierzchnią, podczas gdy wyższa warstwa jest już chłodna. Podobnie powstaje miraż obserwowany na rozgrzanej drodze. Wygląda on jak kałuża wody, w której widzimy odbicie.

Miraż górny 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.

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.

Zaćmienie słońca Zaćmienie Słońca- powstaje, gdy Księżyc znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią i tym samym przesłoni światło słoneczne. Zaćmienie częściowe – występuje, gdy obserwator nie znajduje się wystarczająco blisko przedłużenia linii łączącej Słońce i Księżyc, by znaleźć się całkowicie w cieniu Księżyca, lecz na tyle blisko, że znajduje się w półcieniu. Zaćmienie całkowite – występuje, gdy obserwator znajduje się w cieniu Księżyca. W takim przypadku widoczna staje się korona słoneczna. Jest to możliwe dzięki temu, że obserwowane rozmiary kątowe Księżyca są tylko nieznacznie większe od rozmiarów kątowych Słońca i w przypadku zaćmienia całkowitego, Księżyc przysłania całkowicie powierzchnię Słońca, ale nie przysłania korony słonecznej. Na kilka chwil przed całkowitym przesłonięciem Słońca przez Księżyc powstaje przepiękne zjawisko nazywane poetycko "pierścień z diamentem".

Zaćmienie obrączkowe – zwane również zaćmieniem pierścieniowym występuje wtedy, gdy, podobnie jak w przypadku zaćmienia całkowitego, obserwator znajduje się bardzo blisko przedłużenia linii łączącej Słońce i Księżyc. W odróżnieniu jednak od zaćmienia całkowitego, w przypadku zaćmienia pierścieniowego rozmiary kątowe Księżyca są mniejsze niż rozmiary kątowe Słońca. Dzieje się tak wtedy, gdy zaćmienie ma miejsce w czasie, gdy Księżyc znajduje się w pobliżu apogeum swojej orbity, czyli w pozycji najbardziej oddalonej od Ziemi. Zaćmienie hybrydowe – zachodzi wówczas, gdy w pewnych miejscach Ziemi to samo zaćmienie jest całkowite, a w innych obrączkowe. Tylko około 5% wszystkich zaćmień jest hybrydowych.

Zaćmienie Księżyca Zaćmienie Księżyca- zachodzi, gdy Ziemia znajduje się między Słońcem, a Księżycem będącym w pełni i Księżyc (naturalny satelita Ziemi) "wejdzie" w stożek cienia Ziemi. Dla wyjaśnienia pojęcia zaćmienia całkowitego i częściowego Księżyca konieczne jest zrozumienie pojęć: "stożek cienia całkowitego" i "stożek półcienia": -Stożek cienia całkowitego to miejsce geometryczne tych punktów znajdujących się po przeciwnej stronie Ziemi niż Słońce, z których Słońce jest całkowicie niewidoczne. -Stożek półcienia to miejsce geometryczne tych punktów, z których tylko część Słońca jest widoczna, a część zasłonięta przez Ziemię. Jeżeli Księżyc krążąc dookoła Ziemi przejdzie cały przez stożek cienia całkowitego Ziemi, to promienie słoneczne przez pewien czas w ogóle nie dochodzą bezpośrednio do jego powierzchni. Cała powierzchnia Księżyca jest wtedy ciemna i jest to całkowite zaćmienie Księżyca. Jeżeli tylko część Księżyca przesunie się przez stożek cienia całkowitego Ziemi, następuje zaćmienie częściowe. Jeżeli Księżyc przesunie się tylko przez stożek półcienia Ziemi, nazywamy to zaćmieniem półcieniowym.

Zjawisko Cienia Cień – obszar, do którego nie dociera światło bezpośrednio ze źródła światła na skutek obecności przeszkody ustawionej na drodze promieni świetlnych, nieprzepuszczającej światła. W zależności od źródła światła mówi się o cieniu słonecznym, księżycowym i in. W zależności od obiektu przesłaniającego światło mówi się o cieniu np. Księżyca (podczas zaćmienia Słońca cień ten pada na Ziemię), cieniu budynku, człowieka.

Zjawisko Półcienia Półcień- obszar, do których dociera światło od niektórych tylko źródeł punktowych lub od części źródła rozciągłego. Zjawisko półcienia występuje, gdy część tarczy obserwowanego ciała niebieskiego znajduje się w stożku cienia rzucanym przez inne ciało, lecz źródło światła nie jest przez nie całkowicie przesłonięte. Półcień obserwujemy np. przy zaćmieniach Księżyca, kiedy jego tarcza, lub jej część znajduje sie w stożku cienia rzucanego przez Ziemię.

Zorza Polarna Zorza polarna – zjawisko świetlne obserwowane na wysokich szerokościach geograficznych, występuje głównie za kołem podbiegunowym, chociaż w sprzyjających warunkach bywa widoczna nawet w okolicach 50. równoleżnika. Zdarza się, że zorze polarne obserwowane są nawet w krajach śródziemnomorskich. Powstawanie zjawiska związane jest z przepływem prądu w jonosferze na wysokości około 100 km ponad powierzchnią Ziemi w obszarze przenikania pasów radiacyjnych i atmosfery ziemskiej.

Zastosowania optyki Zad. 1 Światło potrzebuje około 8 minut i 20 sekund na przebycie drogi ze Słońca na Ziemię. Oblicz średnią odległość Ziemi od Słońca, wiedząc że prędkość światła wynosi w przybliżeniu 300 000 km/s. Rozwiązanie: 8 min 20 s == 60x8+20 s = 500 s; 500 s. x 300 000 km/s = 150 000 000 km

Zastosowania optyki Zad. 2 Jakim zjawiskom ulega światło, gdy pada na granicę dwóch ośrodków : a) przezroczystych? Rozwiązanie: Załamaniu (jeśli mają różne gęstości, a tym samym różne współczynniki załamania światła – w przeciwnym razie promień nie ulegnie żadnej zmianie) b) przezroczystego i nieprzezroczystego ? Rozwiązanie: Odbiciu

Zastosowania optyki Zad. 3 Jaki kąt tworzy promień padający z promieniem odbitym, jeżeli promień świetlny tworzy kąt 30˚ z powierzchnią zwierciadła? Rozwiązanie: Kąt padania liczy się od kierunku prostopadłego do pow. zwierciadła, zatem wynosi 90˚ - 30˚ = 60˚ Kąt odbicia jest (symetrycznie) równy kątowi padania, razem te dwa kąty składają się na 120˚.