Dane informacyjne Nazwa szkoły: Gimnazjum Towarzystwa Salezjańskiego ID grupy: 98/84_MF_G2 Temat projektowy: CIEKAWA OPTYKA Semestr V/rok szkolny: 2011/2012

Spis treści Czym jest optyka Działy optyki - optyka geometryczna - optyka kwantowa - optyka falowa Naukowcy zajmujący się optyką Przyrządy optyczne Złudzenia optyczne Zjawiska optyczne w przyrodzie

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. Jednak optyka to także dział techniki zajmujący się badaniem światła i jego zastosowaniem w technice.

Działy optyki Optykę dzielimy na : optykę geometryczną optykę kwantową optykę falową

Optyka geometryczna Jest to najstarsza i podstawowa część optyki. Głównym 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.

Zgodnie z założeniami optyki geometrycznej, światło rozchodzi się w ośrodkach jednorodnych po liniach prostych, na granicy ośrodków ulega odbiciu lub załamaniu.

Prawo odbicia światła   Kąt odbicia równy jest kątowi padania β = α  Kąty -  padania i odbicia leżą w jednej płaszczyźnie.

Prawo załamania światła α – kąt padania β – kąt załamania v1 –prędkość światła w ośrodku 1 v2 – prędkość światła w ośrodku 2

Załamanie światła powoduje szereg ciekawych efektów - m. in Załamanie światła powoduje szereg ciekawych efektów - m.in. złudzenie "złamania" łyżeczki od herbaty umieszczonej w szklance, nieprawidłowej lokalizacji dna jeziora, gdy patrzymy na nie z brzegu. Załamanie światła jest wykorzystywane do budowy soczewek stosowanych w okularach, obiektywach aparatów, lunetach i innych przyrządach optycznych.

Prawa optyki geometrycznej są prawdziwe tylko dla odległości znacznie większych od długości fali. Optyka geometryczna wraz ze swymi prostymi prawami i pojęciami stanowi silne narzędzie umożliwiające proste opisanie przebiegu wielu zjawisk i działania przyrządów optycznych.

Dwoista korpuskularno-falowa natura światła Po pierwsze światło ma naturę kwantową, czyli jest jakby pokawałkowane w miniaturowe porcje, a nie jest ciągłym „sznurkiem”; po drugie ma naturę falową, ulega ono dyfrakcji i interferencji.

Optyka kwantowa Optyka kwantowa – dział optyki, w ramach którego analizowane są zjawiska, w których światło musi być opisywane jako cząstka inaczej foton mająca cechy ciał fizycznych :energię i pęd.

Optyka falowa Jest to dział optyki, w którym uwzględniona jest falowa natura światła. W ramach optyki falowej badane są takie zjawiska jak: interferencja dyfrakcja polaryzacja.

INTERFERENCJA

Doświadczenie Younga  – eksperyment polegający na przepuszczeniu światła spójnego przez dwie blisko siebie położone szczeliny i obserwacji obrazu powstającego na ekranie. Wskutek interferencji na ekranie powstają jasne i ciemne prążki w obszarach, w których światło jest wygaszane lub wzmacniane. Eksperyment potwierdził falową naturę światła i stanowił poważny argument przeciwko korpuskularnej koncepcji światła, której zwolennikiem był Isaac Newton.

DYFRAKCJA

POLARYZACJA

Zjawiska te są szczególnie istotne m. in Zjawiska te są szczególnie istotne m.in. przy przechodzeniu światła przez szczeliny czy w optyce cienkich warstw. Z falowego punktu widzenia, światło jest falą elektromagnetyczną, zatem oczywiste jest, że fundamentem optyki falowej są równania Maxwella opisujące zjawiska elektromagnetyczne. Optyka falowa stanowi podstawę teoretyczną dla optyki geometrycznej, wyjaśnia prawa optyki geometrycznej i wskazuje ograniczenia jej stosowania.

Ważnym działem optyki falowej jest spektroskopia badająca widma fal świetlnych. Spektroskopia badając widma emisyjne i absorpcyjne gazów dała na początku XX wieku bodziec do powstania nowych teorii światła i materii. Światło objawiło się jako cząstka (foton), a materia zaczęła być postrzegana jako fala.

Naukowcy zajmujący się optyką

Willebrord Snell (ur. 1580, zm Willebrord Snell (ur. 1580, zm. 30 października 1626) znany także jako Snellius lub Snel van Royen   holenderski astronom i matematyk Najbardziej znany ze swojego prawa refrakcji, zwanego też prawem Snella. Prawo Snelliusa (załamania, refrakcji) – prawo fizyki opisujące zmianę kierunku biegu promienia światła przy przejściu przez granicę między dwoma ośrodkami przezroczystymi o różnych współczynnikach załamania. Na mocy prawa załamania można uzasadnić zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia oraz określić warunki, w jakich ono zachodzi.

Christiaan Huygens (ur. 14kwietnia 1629 w Hadze, zm. 8 lipca 1695r Christiaan Huygens (ur. 14kwietnia 1629 w Hadze, zm. 8 lipca 1695r.)  holenderski matematyk, fizyk oraz astronom. Na polu fizyki prowadził szereg prac dotyczących optyki. Sformułował zasadę Huygensa, która mówi o rozchodzeniu się fal w pobliżu przeszkód. Jego doświadczenia potwierdzały teorię o falowej naturze światła. Badał również zjawisko załamania światła w różnych materiałach.

Sir Isaac Newton (ur. 4 stycznia 1643 w Woolsthorpe- by-Colsterworth, zm. 31 marca 1727r.) angielski fizyk, matematyk, astronom, filozof. Głosił, że światło ma naturę korpuskularną, czyli że składa się z cząstek. Był pierwszym, który zdał sobie sprawę, że widmo barw obserwowane podczas padania białego światła na pryzmat jest cechą padającego światła, a nie pryzmatu, jak głosił 400 lat wcześniej Roger Bacon.

Izaak Newton badał załamanie (refrakcję) światła, pokazując, że pryzmat może rozszczepić białe światło w widmo barw, a potem soczewka i drugi pryzmat powodują uzyskanie białego światła ponownie z kolorowego widma. Na tej podstawie wywnioskował, że każdy refraktor (teleskop soczewkowy) będzie posiadał wadę polegającą na rozszczepieniu światła (aberracja chromatyczna), aby uniknąć tego problemu zaprojektował własny typ teleskopu wykorzystujący zwierciadło zamiast soczewki znany później jako teleskop Newtona (teleskop zwierciadlany).

Thomas Young (ur. 13 czerwca 1773 w Milverton, zm Thomas Young (ur. 13 czerwca 1773 w Milverton, zm. 10 maja 1829 w Londynie) angielski fizyk i lekarz fizjolog. Swe badania rozpoczął studiowaniem doświadczeń nad polaryzacją światła, stwierdzając że fale świetlne są falami poprzecznymi. Wytłumaczył powstawanie pierścieni Newtona i znalazł jako pierwszy przybliżone wartości długości fal świetlnych. Young tłumaczył także ugięcie światła jako efekt interferencji między falami światła przechodzącymi pomiędzy otwór uginający, a falami odbitymi od brzegów otworów. Interferencję światła odkrył w maju 1801 roku, czym zapoczątkował falową teorię światła. Szczegółowy opis tego zjawiska wydał w roku 1807.

Przyrządy optyczne Przyrząd optyczny – urządzenie służące do zmieniania drogi promieni świetlnych, a czasem także promieni niektórych innych form promieniowania elektromagnetycznego. W zależności od konstrukcji, służyć może do różnych celów, jak np. obserwacji obiektów trudno lub wręcz w ogóle nierozpoznawalnych za pomocą nieuzbrojonego ludzkiego oka (obiektów zbyt małych), obserwacji obiektów zasłoniętych dla bezpośredniej obserwacji, projekcji lub ekspozycji obrazów, nadania oświetleniu odpowiedniego kierunku i kształtu, lub też korekty wad wzroku.

Przyrządy optyczne Lupa - soczewka o stosunkowo krótkiej ogniskowej. Jest ona najprostszym przyrządem optycznym. Zbudowana jest z jednej soczewki skupiającej, zaopatrzonej w uchwyt. Lupa powiększa kąt widzenia przedmiotu, oglądany obiekt powinien znajdować się blisko lupy. Oglądany obraz jest obrazem pozornym, powiększonym (powiększanie lup jest maksymalnie 10-krotne) i nie odwróconym.

Przyrządy optyczne Okulary korekcyjne  - przyrząd optyczny znoszący lub zmniejszający skutki wrodzonej lub nabytej  wady wzroku, takiej jak nadwzroczność, krótkowzroczność,  astygmatyzm(niezborność), czy starczowzroczność.

Przyrządy optyczne Luneta, przyrząd optyczny w formie rury zakończonej z jednej strony obiektywem refrakcyjnym (tj. soczewkowym), a z drugiej strony okularem. Wyróżnia się tzw. lunety ziemskie (dające obraz prosty: posiadające optyczny układ odwracający i okular skupiający albo posiadające tylko okular rozpraszający, tj. lunety galileuszowskie lub inaczej holenderskie) oraz lunety astronomiczne (inaczej keplerowskie, od nazwiska J. Keplera) dające obraz odwrócony. Pierwszą lunetę skonstruował optyk holenderski Z. Jansen w 1604. W 1609 Galileusz wykorzystał lunetę do obserwacji astronomicznych. Zbudowana była z jednosoczewkowego obiektywu (soczewka skupiająca) i okularu będącego soczewką rozpraszającą.

Przyrządy optyczne Lorneta (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.

Przyrządy optyczne Aparat fotograficzny – urządzenie służące do wykonywania zdjęć fotograficznych. Pierwowzorem aparatu fotograficznego było urządzenie nazywane camera obscura.

Pierwowzór aparatu fotograficznego powstał już w czasach starożytnych Pierwowzór aparatu fotograficznego powstał już w czasach starożytnych. Nosił on nazwę ciemnej izby czyli z języka łacińskiego camera obscura. Urządzenie to zostało udoskonalone w roku 1519. Wtedy to mianowicie Leonardo da Vinci wprowadził do tego aparatu soczewkę. Camera obscura była rodzajem światłoszczelnego pomieszczenia, ograniczonego przez sześć ścianek. W jednej ściance zrobiono otworek, aby mogły się dostać do wnętrza promienie świetlne. Na ściance znajdującej się naprzeciw otworu dochodzi do powstawania obrazów rzeczywistych i odwróconych.

Przyrządy optyczne Mikroskop – urządzenie służące do obserwacji małych obiektów, zwykle niewidocznych gołym okiem. Mikroskop pozwala spojrzeć w głąb mikroświata. Zasadniczo zbudowany jest z tubusu zawierającego na swoich końcach okular i obiektyw (oba działające jak soczewki skupiające). Obiektyw mikroskopu optycznego daje rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz przedmiotu, okular pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz dawany przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest obrazem pozornym i silnie powiększonym. Najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają dostrzegać szczegóły przedmiotu o rozmiarach kilkuset nm.

Mikroskop zbudowany jest z tubusu zawierającego na swoich końcach okular i obiektyw (oba działające jak soczewki skupiające). Obiektyw mikroskopu optycznego daje rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz przedmiotu, okular pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz dawany przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest obrazem pozornym i silnie powiększonym. Najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają dostrzegać szczegóły przedmiotu o rozmiarach kilkuset nm.

Złudzenia optyczne

Czym są złudzenia optyczne ? Złudzenie optyczne jest to błędna interpretacja obrazu przez mózg pod wpływem kontrastu, cieni, użycia kolorów, które automatycznie wprowadzają mózg w błędny tok myślenia. Złudzenie wynika z mechanizmów działania percepcji, które zazwyczaj pomagają w postrzeganiu. W określonych warunkach jednak mogą powodować pozornie tylko prawdziwe wrażenia.

Równe czy krzywe?

Takie same?

Policz czarne kropki!

Most czy statki?

Nieruchome?

W którym kierunku jest skierowane okno?

Realne czy nie?

Zjawiska optyczne w przyrodzie

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). Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a spełniającymi rolę potężnego ekranu chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury.

Słup światła W chmurach piętra górnego zbudowanych z kryształków lodowych powstają zjawiska, zwane halo. Tak nazywają się przede wszystkim jasne pierścienie 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.

Iryzacja Iryzacja, to tęczowe barwy powstające czasem na powierzchni przezroczystych ciał w wyniku interferencji światła. Obserwuje się ja, jako mieniącą się, tęczową plamę 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.

Wieniec Wieniec jest to jedna lub kilka serii barw pierścieni o stosunkowo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego. W każdej serii pierścień wewnętrzny jest fioletowy lub niebieski, a pierścień zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą występować inne barwy. Wieńce wywołane są ugięciem światła w znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, zbudowanych z drobnych, jednorodnych kropelek wody, zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste - Cirrocumulus, Altocumulus i Stratocumulus.

Gloria Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła na kroplach wody lub kryształkach lodu. Jest zjawiskiem optycznym polegającym na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły. 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. 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.

Tęcza Jest to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca, padające na zespół kropel wody w atmosferze. 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).

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. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz.

Miraż pustynny Zjawisko miraży, musimy rozważyć sposób załamywania się promienia świetlnego. Bowiem promień zawsze skręca w kierunku gęstszego powietrza, bądź środowiska. Potoczną nazwą tego zjawiska jest “fata-morgana” i kojarzy się najczęściej z widocznym na pustyni jeziorem otoczonym palmami.

Jak zachodzi to zjawisko Jak zachodzi to zjawisko ? Podstawą jest różnica temperatur przy powierzchni Ziemi. W dzień piasek na pustyni nagrzewa się bardziej niż powietrze i w efekcie po nadejściu wieczoru ogrzewa on najbliższą warstwę powietrza. Powstaje “warstwowy układ temperatury” – przy Ziemi najcieplej, a kilka metrów wyżej jest już ono dużo chłodniejsze. Promień światła przechodzący nad powierzchnią zostaje zagięty w górę, w kierunku chłodniejszego ( gęstszego ) powietrza.

Źródła informacji www.wikipedia.pl wwwnt.if.pwr.wroc.pl www.interferencja.republika.pl portalwiedzy.onet.pl www.fizykon.org

Projekt Ciekawa Optyka Dziękujemy za uwagę