Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Zespół Szkół Zawodowych im. prof. Gerharda Domagka ID grupy: 97/47_mf_g1 Kompetencja: Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Załamanie i odbicie światła Semestr/rok szkolny: 2009/2010 semestr II

Co to jest światło Światło - pojęcie to ma inne znaczenie potoczne i w nauce. Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm. W nauce pojęcie światła jest jednak szersze (używa się pojęcia promieniowanie optyczne), gdyż nie tylko światło widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień można obserwować i mierzyć korzystając z podobnego zestawu przyrządów, a wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki.

Co to jest światło Przykłady wskazujące, że światłem należy nazywać szerszy zakres promieniowania, niż tylko światło widzialne: wiele substancji barwiących płowieje nie tylko od kontaktu ze światłem widzialnym, ale i bliskim ultrafioletem pochodzącym ze Słońca; rozszczepiając, za pomocą pryzmatu, światło emitowane przez rozgrzane ciała , można zaobserwować wzrost temperatury przesuwając termometr wzdłuż uzyskanych barw widmowych, wzrost ten jest mierzalny także dalej, w niewidocznej części widma, która jest również załamywana przez ten pryzmat; wiele zwierząt ma zakresy widzenia światła wykraczające poza zakres widzenia ludzkiego oka. Tak więc można mówić o "świetle widzialnym" i "świetle niewidzialnym". W naukach ścisłych używa się określenia promieniowanie optyczne tj. promieniowania podlegającego prawom optyki geometrycznej oraz falowej. Przyjmuje się, że promieniowanie optyczne obejmuje zakres fal elektromagnetycznych o długości od 10 nm do 1 mm, podzielony na trzy zakresy – podczerwień, światło widzialne oraz ultrafiolet.

Załamanie i odbicie światła Światło w ośrodku jednorodnym rozchodzi się po liniach prostych ze stałą prędkością. W próżni prędkość ta wynosi 299 792 458 m/s i oznaczana jest literą c. W ośrodkach materialnych światło porusza się z mniejszą prędkością; na przykład w wodzie ma wartość 224 799 383 m/s. Padając na granicę dwóch ośrodków materialnych światło może ulegać pochłonięciu, rozproszeniu, odbiciu i załamaniu. To, które z tych zjawisk zajdzie, zależy od rodzaju materiału napotykanego przez promień świetlny. Najczęściej mamy do czynienia z częściowym pochłanianiem i rozproszeniem światła. Jeżeli jednak napotykaną powierzchnią jest wypolerowana powierzchnia metalu, wówczas zachodzi zjawisko niemal doskonałego odbicia.

Załamanie światła

Odbicie światła

Zasada Fermata Zasadę tę formułujemy w następujący sposób: Promień świetlny biegnący z jednego punktu do drugiego przebywa drogę, na której przebycie trzeba zużyć w porównaniu z innymi, sąsiednimi drogami, minimum albo maksimum czasu. Np. najkrótszy czas między dwoma punktami w próżni - linia prosta.

Całkowicie wewnętrzne odbicie: kąt graniczny Całkowite wewnętrzne odbicie jest szczególnym przypadkiem załamania światła. Zjawisko to zachodzi gdy światło biegnie z ośrodka o większym współczynniku załamania (optycznie gęstszego) do ośrodka o mniejszym współczynniku załamania (optycznie rzadszego). Na granicy ośrodków wiązka światła ulega rozszczepieniu na wiązkę odbitą i załamaną jednakże po przekroczeniu pewniej wartości kąta padania zwanej kątem granicznym światło odbija się całkowicie tzn. nie wydostaje się z ośrodka gęstszego.

Rozproszenie światła Rozszczepienie światła-inaczej zwane dyspersją>- 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 (patrz zjawisko załamania światła). Ponieważ zaś światło białe jest mieszaniną świateł o wielu barwach, to przepuszczenie go przez pryzmat spowoduje rozdzielenie poszczególnych składowych na piękną tęczę. Np. promienie czerwone rozchodzą się w szkle szybciej niż promienie fioletowe. Dlatego też promienie czerwone załamują się słabiej niż fioletowe. Załamanie i rozszczepienie światła występuje dla większości materiałów przezroczystych.

Rozproszenie światła Rozszczepienie najłatwiej jest zaobserwować w pryzmacie, ponieważ załamuje on i rozszczepia światło dwukrotnie dzięki czemu barwne promienie są silniej rozbieżne niż w przypadku załamania jednokrotnego.

Bezwzględny współczynnik załamania światła Prędkość rozchodzenia się światła w próżni i w powietrzu wynosi w przybliżeniu: C=3*108 m/s. Jest to prędkość maksymalna (w innych ośrodkach np.wodzie czy w szkle, światło rozchodzi się wolniej). Częstotliwość jest stała dla światła i wyraża się wzorem: l=c* T=c*1/f czyli iloczyn prędkość światła i okresu drgań fali. Zależy tylko od źródła promieniowania i nie zmienia się podczas rozchodzenia fali. Bezwzględny współczynnik załamania światła dany jest wzorem: n=c/v v - prędkość światła w danym ośrodku c - prędkość światła w próżni (c = 299 792 458 m/s) n - bezwzględny współczynnik załamania Znajomość bezwzględnych współczynników załamania umożliwia szybkie obliczenie prędkości światła w danych ośrodku, wg wzoru: v=c/n

Światło – rodzaje zjawisk optycznych

Zjawisko optyczne – smuga świetlna

Iryzacja Iryzacja, to tęczowe barwy powstające czasem na powierzchni przezroczystych ciał w wyniku interferencji światła (oświetlenia światłem białym, przez co uzyskuje się wygaszenie pewnych, oraz wzmocnienie innych barw. Obserwuje się je, jako mieniące się, tęczowe plamy barwne na wodzie. Układy barw przeważnie zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, są obserwowane na chmurach. Barwy te bywają niekiedy pomieszane, niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do brzegów chmur. Barwy iryzacji są często błyszczące i przypominają kolor masy perłowej. Zjawisko iryzacji chmur w istocie jest tego samego pochodzenia co wieńce.

Przykład

Widmo 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). 17

Przykład: 18

Słup światła W chmurach piętra górnego zbudowanych z kryształków lodowych, zwłaszcza w chmurach warstwowo-pierzastych, powstają zjawiska, zwane halo. Tak nazywają się przede wszystkim jasne pierścienie (kręgi) o środkach, położonych centralnie w Słońcu lub Księżycu. Oprócz pierścieni, które są podstawowymi postaciami zjawisk halo występują również pionowe słupy świetlne, przechodzące przez tarczę Słońca lub Księżyca i obserwowane powyżej i poniżej tych ciał niebieskich, oraz bezbarwny poziomy krąg przysłoneczny, położony na tej samej wysokości kątowej co Słońce. Słup światła występuje przy chmurach typu Cirrus i Altocumulus. 19

Przykład: 20

Wieniec Wieniec jest to jedna lub kilka (rzadko więcej niż trzy) serii barw pierścieni o stosunkowo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego (lub sztucznego źródła światła). W każdej serii pierścień wewnętrzny jest fioletowy lub niebieski, a pierścień zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą występować inne barwy. Najbardziej wewnętrzna seria, mająca promień na ogół nie większy niż 5 stopni i nosząca nazwę aureoli, wykazuje zwykle wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub kasztanowej barwie.

Przykład:

Gloria Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła (ugięcia fal) na kroplach wody lub kryształkach lodu. Jest zjawiskiem optycznym polegającym na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. 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

Przykład:

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). 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. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła).

Przykład:

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, biały 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.

Przykład:

Zorza polarna Zorza polarna to niezwykle piękne, a zarazem niepokojące zjawisko. Niepokoi ono również naukowców, którzy wciąż dokładnie nie wiedzą, jak zorze powstają. Wiadomo tylko tyle, że przyczyną jest wiatr słoneczny, zatrzymywany w rozciągliwym magnetycznym ogonie ciągnącym się na setki tysięcy kilometrów w nocnym cieniu naszego globu. Co jakiś czas ogon ten staje się zbyt rozciągnięty i jak napięta gumka wraca, wystrzeliwując w kierunku Ziemi cały przechowywany ładunek protonów i elektronów.  Zjawisko to trwa od 10 minut do kilku godzin, w czasie których na ziemskich biegunach pojawiają się zorze. Światło jest skutkiem zderzeń rozpędzonych cząstek z atomami atmosferycznych gazów.

Przykład

Zjawisko cienia i półcienia Światło rozchodzi się po linii prostej, więc gdy napotka przeszkodę o rozmiarach podobnych z długością fali λ , 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.

Ćwiczenie 1 Cień drzewa ma długość 7 m. Cień chłopca o wysokości 1,7 m rzucany w tym samym czasie ma długość 2m. Oblicz wysokość drzewa. Rozwiązanie X/7=1,7/2 X=5,95m

Ćwiczenie 2 Zdobyliśmy pewną wiedzę z dziedziny optyki, nabyliśmy pewnych umiejętności rachunkowych. Ogólnie: zgłębiliśmy naturę światła, rozumiemy mechanizm takich zjawisk jak załamanie i odbicie światła i nie są nam obce zjawiska optyczne w atmosferze.