DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: II LO im. C.K. Norwida w Stargardzie Szczecińskim ID grupy: 97/40_mf_g1 Kompetencja: Matematyka i fizyka Temat projektowy: Zjawiska optyczne (świetlne) w atmosferze Semestr/rok szkolny: I semestr 2009/2010

CZYM JEST OPTYKA ?

Czym jest optyka ? Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię. Optykę dzielimy na: Optykę geometryczną Optykę falową Optykę kwantową W naszej prezentacji zajmiemy się optyką geometryczną i falową

CZYM JEST ŚWIATŁO ?

Czym jest Światło Światło, promieniowanie elektromagnetyczne (fale elektromagnetyczne) o długości fali zawartej w przedziale 380-780 nm (tzw. światło widzialne). Mianem świetlnych określa się również promieniowanie podczerwone i promieniowanie ultrafioletowe. Światło widzialne wywołuje wrażenia barwne (barwa), a światło białe jest mieszaniną świateł o różnej długości fal.

ZJAWISKA OPTYCZNE

zjawiska optyczne OPTYKA GEOMETRYCZNA odbicie załamanie (refrakcja) OPTYKA FALOWA ugięcie (dyfrakcja) nakładanie (interferencja) rozszczepienie (dyspersja) polaryzacja

OPTYKA GEOMETRYCZNA

ODBICIE

ODBICIE PRAWO ODBICIA Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie.

ZAŁAMANIE (REFRAKCJA)

ZAŁAMANIE (REFRAKCJA) Gdy światło napotyka na granice dwóch ośrodków przezroczystych ulega załamaniu. Mówi o tym prawo Snelliusa. Promień załamany leży w płaszczyźnie wyznaczonej przez promień padający i prostopadłą padania. Stosunek sinusów kątów padania i załamania jest stały i nosi nazwę współczynnika załamania ośrodka drugiego względem pierwszego.

Możemy to określić wzorem: Gdzie v1 i v2 to prędkości światła/fali w odpowiednich ośrodkach.

Większość wartości współczynników jest przybliżona. Wynika to m. in Większość wartości współczynników jest przybliżona. Wynika to m.in. z zanieczyszczeń, ciśnienia gazu, a także barwy światła Ośrodek bezwzględny współczynnik załamania n prędkość światła w ośrodku v [m/s] diament 2,42 ok. 125 000 000 lód 1,31 ok. 229 000 000 sól kamienna 1,54 ok. 194 000 000 szkło (różne rodzaje) od 1,4 do 1,9 - średnio 1,5 od 1,53 ∙108 do 2,15∙108   woda 1,33 225 000 000 etanol 1,36 220 000 000 powietrze 1,0003 299 706 000 próżnia 1 c = 299 792 458

WYKORZYSTANIE ZJAWISKA REFRAKCJI ŚWIATŁOWODY Światłowód to cienka rurka szklana, światło na jednym końcu jest wpuszczane tak, aby osiągało ścianki pod kątem większym, niż kąt krytyczny. Jest więc całkowicie odbijane i w ten sposób dociera z małymi stratami na drugi koniec.

PRZYKŁADY REFRAKCJI

OPTYKA FALOWA

UGIĘCIE (DYFRAKCJA)

UGIĘCIE (DYFRAKCJA) 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.

SIATKA DYFRAKCYJNA Siatka dyfrakcyjna to układ równoległych i równo oddalonych od siebie szczelin, przepuszczających światło. Jeżeli na siatkę pada monochromatyczna fala świetlna, to otrzymujemy obraz dyfrakcyjny w postaci jasnych i ciemnych prążków. Prążki są znacznie wyraźniejsze niż prążki uzyskane przy dyfrakcji na dwóch szczelinach. Dzięki temu możliwy jest dokładny pomiar długości fali świetlnej.

NAKŁADANIE (INTERFERENCJA)

NAKŁADANIE (INTERFERENCJA) Interferencja polega na nakładaniu się ciągów fal spójnych (czyli o tej samej częstotliwości i stałej w czasie różnicy faz). W efekcie na ekranie obserwujemy jasne miejsca (fale, które interferowały miały zgodne fazy - nastąpiło wzmocnienie) oraz ciemniejsze (tam fale miały przeciwne fazy - nastąpiło wytłumienie)

ROZSZCZEPIENIE (DYSPERSJA)

ROZSZCZEPIENIE (DYSPERSJA) Dyspersja jest to zależność współczynnika załamania ośrodka od częstotliwości fali świetlnej. Jednym ze skutków dyspersji jest rozszczepienie się wiązki białego światła na barwy tęczy. Rozszczepienie najłatwiej jest zaobserwować w pryzmacie ponieważ załamuje on i rozszczepia światło dwukrotnie.

Rozszczepienie światła spowodowane jest różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Promienie czerwone rozchodzą się w szkle szybciej niż promienie fioletowe. Dlatego też promienie czerwone załamują się słabiej niż fioletowe.

ABERRACJA FOTOCHROMATYCZNA Ze zjawiskiem rozszczepienia wiąże się zjawisko aberracji chromatycznej. Zachodzi ona dla przyrządów optycznych zawierających soczewki. Aberracja chromatyczna jest zjawiskiem niekorzystnym, w przyrządach optycznych (np. aparatach fotograficznych, lornetkach) objawia się powstawaniem kolorowej otoczki (halo) wokół konturów przedmiotów oglądanych przez przyrządy optyczne.

PRZYKŁADY ABERRACJI CHROMATYCZNEJ

POLARYZACJA

POLARYZACJA Polaryzacja to zjawisko polegające na uporządkowaniu płaszczyzny drgań wektora Występowanie zjawiska polaryzacji dla światła dowodzi, że światło jest falą poprzeczną. Światło można spolaryzować, przepuszczając je przez specjalne substancje zwane polaryzatorami, przez odbicie od powierzchni dielektryka lub przez tzw. podwójne załamanie w kryształach dwójłomnych.

Naturalnymi polaryzatorami występującymi w przyrodzie są tak zwane kryształy dwójłomne, np. kalcyt (szpat islandzki), turmalin lub mika. Promień światła padający na taki kryształ podwójnemu załamaniu i rozdziela się na dwa promienie, załamujące się pod różnymi kątami zwane promieniem zwyczajnym i nadzwyczajnym.

ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE

TĘCZA

TĘCZA TĘCZA zjawisko optyczne w atmosferze ziemskiej; powstaje wskutek załamania, rozszczepienia i całkowitego odbicia światła słonecznego na kroplach deszczu, mżawki lub mgły; ma postać barwnego łuku o barwach od czerwonej (na zewnętrznej części łuku) do fioletowej (na wewnętrznej); często pojawia się również słabszy łuk, tzw. tęcza wtórna, o odwrotnym układzie barw.

TĘCZA GŁÓWNA Tęcza główna to łuk świecący barwami widma o promieniu wynoszącym około 42 stopni, powstający, gdy stojące za obserwatorem Słońce oświetla chmurę deszczową. Wewnątrz łuku znajduje się barwa fioletowa a na zewnątrz czerwona.

TĘCZA WTÓRNA Czasami uda się zaobserwować drugi łuk o odwrotnym rozkładzie barw.To tzw. tęcza wtórna, współśrodkowa względem tęczy pierwotnej, o promieniu kątowym około 52°. Powstaje ona, gdy promienie ulegną dwukrotnemu odbiciu wewnątrz kropli. Przy wysokości Słońca 41° tęcza główna przestaje być widzialna, a nad horyzontem widać tylko część tęczy wtórnej. Gdy wysokość Słońca przekracza 52° nie widać nawet tęczy wtórnej. Dlatego w średnich i równikowych w godzinach południowych tego zjawiska przyrody nigdy się nie obserwuje.

PAS ALEKSANDRA Ciemny fragment nieba leżący pomiędzy obydwiema tęczami jest określany mianem pasa Aleksandra, który pierwszy opisał to zjawisko. Pociemnienie w tym pasie jest wywołane kontrastem z jaśniejszym obszarem tęczy pierwotnej i wtórnej oraz wnętrza tęczy pierwotnej. Różnice w jasności tych obszarów wynikają z różnic odbicia światła w różnych kierunkach.

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.

Zjawisko halo można dostrzec w słoneczne, zimowe dni, przy lekkim zachmurzeniu. Znacznie rzadziej widać halo latem- powód jest bardzo prosty: do jego występowania przyczyniają się drobne kryształki lodu, tworzące lekko przysłaniającą Słońce chmurę.

Najczęściej widuje się małe halo, w postaci pierścieni wokół Słońca lub Księżyca o średnicy kątowej około 22°. Halo 22° jest generowane przez załamanie promieni w opadających kryształkach lodu losowo ułożonych w płaszczyźnie prostopadłej do padających promieni świetlnych.

Halo o promieniu pierścienia 46 stopni - powstaje kiedy ściany kryształków ustawione są pod kątem 90 stopni. Jednak występuje ono rzadziej niż małe halo.

Razem z halo mogą wystąpić różne postacie zjawisk podobnych do halo, na przykład łuki, okręgi, słońca poboczne. Słońca poboczne to kolorowe, jasne plamy po obu stronach Słońca.

IRYZACJA

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 i występuje przy chmurach kłębiastych Cirrocumulus, ltocumulus i Stratocumulus.

PRZYKŁADY IRYZACJI

MIRAŻE

MIRAŻE Miraż, jest to zjawisko optyczne zachodzące w atmosferze, polegające na tworzeniu się pozornych obrazów będących odbiciem przedmiotów znajdujących się na horyzoncie lub poza nim. Miraż powstaje jako skutek zakrzywienia się promieni słonecznych w dolnych warstwach powietrza, cechujących się różną gęstością (temperaturą). Zjawisko to ma miejsce na obszarach pustynnych, a także nad obszarami wodnymi.

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.

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. Zakrzywione promienie docierają do oka obserwatora pozornie z innego kierunku co wywołuje powstanie obrazu zwierciadlanego.

FATA MORGANA

FATA MORGANA Zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości.

PRZYKŁADY FATA MORGANY

GLORIA

GLORIA Gloria – zjawisko optyczne polegające na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego.

Gloria powstaje na skutek dyfrakcji (ugięcia fal) i odbicia światła na kroplach wody. Jest podobna do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego.

PRZYKŁADY GLORII

ZORZA POLARNA

ZORZA POLARNA Zorza polarna to bardzo efektowne zjawisko występujące na półkuli północnej na północnym niebie. Może pojawiać się w postaci płomienistych fal światła roztaczających się od horyzontu po zenit lub błyszczących łuków światła nad horyzontem rozchodzących się we wszystkich kierunkach. Światło przeważnie ma barwę czerwoną, niekiedy można jednak podziwiać zorzę o barwach zielonożółtych, błękitnych oraz srebrzystych.

Zjawisko to występuję najczęściej na linii północnego koła podbiegunowego, np. Islandia, Laponia, północna Norwegia. Zjawisko to przybiera różne natężenie: od słabego rozjaśnienia nieba północnego do jasności nieba porównywalnej do pełni księżyca. Zorza polarna to rozbłyski światła w wysokich warstwach atmosfery. Zjawisko powstaje w jonosferze (wysokość 100 –400 kilometrów) i najczęściej występuje na wysokości 100 – 150 kilometrów.

Zorza powstaje poprzez wyrzucane przez słońce elektrony i protony, które natrafiając na atmosferę ziemską, pobudzają azot oraz wodór i w wyniku reakcji dochodzi do zjawiska świecenia. Cząstki słoneczne wnikają do atmosfery i ulegają przyspieszeniu. Pole magnetyczne ziemi, powoduje że cząstki wnikają w atmosferę w pobliże bieguna magnetycznego Ziemi. Zjawisku temu towarzyszą procesy jonizacji, które prowadzą do zakłóceń w odbiorze krótkich fal radowych.

PRZYKŁADY

SŁUP ŚWIETLNY

SŁUP ŚWIETLNY Słup świetlny - zjawisko optyczne zachodzące w atmosferze. Ma formę świetlistej prostej smugi leżącej w płaszczyźnie określonej przez położenie Słońca i obserwatora. Zjawisko powstaje przez odbicie światła od kryształów lodu zawartych w chmurach typu cirrus. Często zjawisku słupa świetlnego towarzyszy parhelium i halo.

PRZYKŁADY

SOCZEWKI

SOCZEWKA Soczewka jest to element optyczny ograniczony dwiema powierzchniami sferycznymi lub powierzchnią sferyczną i płaską. Istnieją jednak odstępstwa od tej uproszczonej definicji np. soczewka cylindryczna stosowana w korekcji astygmatyzmu (niezborności oka, wady która przejawia się zniekształceniem widzianego obrazu).

RODZAJE SOCZEWEK

OZNACZENIA SOCZEWEK skupiająca rozpraszająca

Jednostką ogniskowej jest dioptria ( [1D]=[1/m] ) WZORY RÓWNANIE SOCZEWKI: ZDOLNOŚĆ SKUPIAJĄCA: Jednostką ogniskowej jest dioptria ( [1D]=[1/m] )

OBRAZY POWSTAJĄCE W SOCZEWKACH

SOCZEWKI SKUPIAJĄCE

POŁOŻENIE PRZEDMIOTU: 0<x<f Cechy obrazu: - pozorny; utworzony przez przecięcie przedłużeń promieni świetlnych - prosty, czyli nie odwrócony - powiększony; p>1 Odległość obrazu: - y<0

POŁOŻENIE PRZEDMIOTU: x=f Cechy obrazu: - brak; obraz nie powstał. Promienie ani ich przedłużenia nie przetną się, ponieważ są do siebie równoległe. Odległość obrazu: - obraz nie powstał

POŁOŻENIE PRZEDMIOTU: f<x<2f Cechy obrazu: - rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych - odwrócony - powiększony; p>1 Odległość obrazu: - y>2f

POŁOŻENIE PRZEDMIOTU: x=2f Cechy obrazu: - rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych - odwrócony - niepowiększony - rzeczywistych rozmiarów; p=1 Odległość obrazu: - y=2f

POŁOŻENIE PRZEDMIOTU: x>2f Cechy obrazu: - rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych - odwrócony - pomniejszony; p<1 Odległość obrazu: - f<y<2f

SOCZEWKI ROZPRASZAJĄCE

POŁOŻENIE PRZEDMIOTU: Cechy obrazu: - zawsze pozorny; utworzony przez przecięcie promienia świetlnego i przedłużenia promienia świetlnego - zawsze prosty, czyli nieodwrócony - zawsze pomniejszony; p<1 Odległość obrazu: - obraz powstaje zawsze w odległości -f<y<0

NASZA ZABAWA Z OPTYKĄ

DYFRAKCJA

REFRAKCJA

ODBICIE

ABERRACJA CHROMATYCZNA

DZIĘKUJEMY ZA OBEJRZENIE PREZENTACJI