Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół w Sławnie ID grupy: 97/2_mf_g1 Kompetencja: matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Zjawiska optyczne Semestr/rok szkolny: I / 2009/2010

Jaka jest natura światła? Nauka o świetle Klasyczna optyka SPIS TREŚCI Spis treści Jaka jest natura światła? Nauka o świetle Klasyczna optyka

Model optyki geometrycznej SPIS TREŚCI Model optyki geometrycznej 4.1 Wiązka, promień światła 4.2 Zjawiska optyki geometrycznej 4.2.1 Prawo odbicia światła a) „Puszczanie zajączków” b) Studium przypadku 1: aula szkolna c) Studium przypadku 2: dowolne pomieszczenie 4.2.2 Prawo załamanie światła a) Ciekawy efekt załamania światła 4.3 Zaleta modelu optyki geometrycznej 4.4 Wada modelu optyki geometrycznej

Podsumowanie: optyka geometryczna czy falowa? SPIS TREŚCI Optyka falowa 5.1 Pojęcie światła w optyce falowej 5.1.1 Widmo fal elektromagnetycznych 5.1.2 Natura falowa światła a) Obserwacja zjawiska falowego światła 5.1.3 Natura kwantowa światła a) Światło nie jest „ciągłą nitką” b) Wnioski z obserwacji Podsumowanie: optyka geometryczna czy falowa?

Jaka jest natura światła? Czy światło jest zbiorem cząsteczek, czy też ruchem wypełniającym świat?

JAKA JEST NATURA ŚWIATŁA? Czym jest światło?

NAUKA O ŚWIETLE Nauka o Świetle Tradycyjnie, naukę o świetle i budowaniu przyrządów optycznych, określano mianem optyka. Obecnie, światło rozważa się w ramach działu fizyki traktującego o rozchodzeniu się fal elektromagnetycznych.

KASYCZNA OPTYKA Klasyczna optyka Traktuje o częściach fal elektromagnetycznych, które są odbierane przez oko człowieka. Optyka Optyka geometryczna Optyka falowa

Model optyki geometrycznej Główne założenia: światło rozchodzi się jako strumień promieni, promienie biegną prostoliniowo od źródła światła do momentu, w którym napotkają na przeszkodę lub zmianę ośrodka.

Wiązka, promień światła MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > WIĄZKA, PROMIEŃ ŚWIATŁA Wiązka, promień światła Promień światła jest to pojedynczy, bardzo cienki i rozchodzący się w jednym kierunku "fragment" światła". Wiązka świetlna to wiele promieni rozchodzących się w zbliżonym kierunku. Rodzaje wiązek światła równoległe rozbieżne zbieżne inne...

Zjawiska optyki geometrycznej MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ Zjawiska optyki geometrycznej odbicie światła załamanie światła

Kąt odbicia równy jest kątowi padania. MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA Prawo odbicia światła Kąt odbicia równy jest kątowi padania.  Kąty, padania i odbicia, leżą w jednej płaszczyźnie α β Ośrodek pierwszy Ośrodek drugi α = β

„puszczanie zajączków” MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA „puszczanie zajączków” Problem zainspirowany dziecięcą zabawą w „puszczanie zajączków” na ścianę. W jaki sposób rozmieścić w auli szkolnej wzdłuż ścian 7 lusterek tak, aby osoba stojąca na środku krótszego boku auli „puszczająca zajączka” została oświetlona światłem odbitym?

Studium przypadku 1: Aula szkolna MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA Studium przypadku 1: Aula szkolna Obliczenia dla auli o wymiarach 30m x 20m

Studium przypadku 2: Dowolne pomieszczenie MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA Studium przypadku 2: Dowolne pomieszczenie Uogólnienie obliczeń dla dowolnego prostokątnego pomieszczenia.

Prawo załamania światła MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA Prawo załamania światła Stosunek sinusa kąta padania, do sinusa kąta załamania jest dla danych ośrodków stały i równy stosunkowi prędkości fali w ośrodku pierwszym, do prędkości fali w ośrodku drugim. Kąty padania i załamania leżą w tej samej płaszczyźnie. α β Ośrodek pierwszy Ośrodek drugi α – kąt padania, β – kąt załamania v1 – prędkość światła w ośrodku 1 v2 – prędkość światła w ośrodku 2

Ciekawy efekt załamania światła MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA Ciekawy efekt załamania światła Złudzenie "złamania" patyka umieszczonego w misce z wodą.

zaleta modelu optyki geometrycznej MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZALETA MODELU OPTYKI GEOMETRYCZNEJ zaleta modelu optyki geometrycznej Główną zaletą modelu optyki jest to, że jest użyteczny, w oparciu o niego świetnie działają takie przyrządy jak: aparaty fotograficzne, okulary, lornetki, teleskopy, itp.

Wada modelu optyki geometrycznej MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > WADA MODELU OPTYKI GEOMETRYCZNEJ Wada modelu optyki geometrycznej Model ten nie do końca jest zgodny z rzeczywistością. Prawa optyki geometrycznej przestają działać wtedy, gdy rozmiary obiektów zbliżają się do rozmiaru mikrometra. Światło przestaje rozchodzić się prostoliniowo i dzieją się zjawiska charakterystyczne dla optyki falowej.

Wielkością charakterystyczną dla modelu falowego jest długość fali. OPTYKA FALOWA Optyka falowa Model ruchu falowego zakłada, że energia fali przenosi się nie poprzez ściśle określony tor ale porusza się na raz wieloma drogami – właściwie całą dostępną przestrzenią. Wielkością charakterystyczną dla modelu falowego jest długość fali.

Pojęcie światła w optyce falowej OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ Pojęcie światła w optyce falowej Światło jest falą elektromagnetyczną o długościach fali z zakresu od 0,39 μm do 0,74 μm. Światło widzialne stanowi tylko drobną część powstających we wszechświecie fal elektromagnetycznych, a pozostałego zakresu tych fal ludzkie oczy nie są w stanie zarejestrować.  Światło rozchodzi się w próżni z prędkością c= 299 792 458 m/s.

Widmo fal elektromagnetycznych OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > WIDMO FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH Widmo fal elektromagnetycznych

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA FALOWA ŚWIATŁA W optyce falowej (a także w rzeczywistości) światło może np. omijać przeszkody, rozdzielać się na  wiązki, rozszczepiać na kolory tylko z powodu różnic przebytej przez światło drogi.

Obserwacja zjawiska falowego światła OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA FALOWA ŚWIATŁA Obserwacja zjawiska falowego światła Doświadczenie: W ciemnym pokoju oświetlamy płytę kompaktową zwykłą latarką, tak aby odbite światło padło na ścianę, pełniącą rolę ekranu.

Obserwacja zjawiska falowego światła OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA FALOWA ŚWIATŁA Obserwacja zjawiska falowego światła Przy pewnym ustawieniu płyty i latarki odbite światło wyraźnie rozszczepia się na wielokolorową piękną tęczę.

Natura kwantowa światła OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA KWANTOWA ŚWIATŁA Natura kwantowa światła Doświadczenie: W ciemnym pokoju oświetlamy płytę kompaktową laserem, tak aby odbite światło padło na ścianę, pełniącą rolę ekranu. Światło lasera ma tę własność, że zawiera w sobie ściśle określoną długość fali (czasami dwie długości fali), czyli bardzo ściśle określoną barwę światła. Dzięki temu nie rozszczepia się ono na kolorową tęczę.

Światło nie jest „ciągłą nitką” OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA KWANTOWA ŚWIATŁA Światło nie jest „ciągłą nitką” Światło jest jakby pokawałkowane w miniaturowe porcje.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA KWANTOWA ŚWIATŁA Wnioski z obserwacji Dla pojedynczej fali światła lasera widać, że z jednego strumienia (promienia) światła tworzy się rząd świecących plamek. Gdyby światło zwyczajnie się odbijało jak pojedyncza wiązka, to na ekranie powstałaby tylko jedna plamka.

Podsumowanie: Optyka geometryczna czy falowa? Model geometryczny jest uproszczeniem rzeczywistego rozchodzenia się światła, ale może być stosowany w sytuacjach, w których obiekty stojące na drodze światła są stosunkowo duże.

Podsumowanie: Optyka geometryczna czy falowa? Przestaje funkcjonować w sytuacjach, gdy światło spotyka obiekty o wielkościach porównywalnych z długością fali świetlnej. Większość 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.