Dane INFORMACYJNE Nazwa Szkoły Zespół Szkół w Mosinie ID grupy 98/67_MF_G2 kompetencja Matematyczno-fizyczna Temat projektowy OKULARY I TROCHĘ OPTYKI Semestr Rok szkolny IV semestr 2011/2012

OKULARY I TROCHĘ OPTYKI Nie bój się cieni. One świadczą o tym, że gdzieś znajduje się światło. Oscar Wilde

Dlaczego wybraliśmy optykę? wstęp Dlaczego wybraliśmy optykę? Wzrok jest najważniejszym zmysłem człowieka. Oczy przekazują nam informacje i bodźce z zewnątrz, a od tego jak postrzegamy świat zależy całe nasze życie. Aby dobrze wykorzystać ich możliwości trzeba je poznać. Umożliwia nam to fizyka a konkretnie jej dział zwany OPTYKĄ. ale po kolei… SPIS TREŚCI

CZYLI OPTYKA TO NAUKA O ŚWIETLE CO TO JEST OPTYKA? za Wikipedią: Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię. Optyka wypracowała specyficzne metody pierwotnie przeznaczone do badania światła widzialnego, stosowane obecnie także do badania rozchodzenia się innych zakresów promieniowania elektromagnetycznego - podczerwieni i ultrafioletu - zwane światłem niewidzialnym. Optyka to także dział techniki badający światło i jego zastosowania w technice. CZYLI OPTYKA TO NAUKA O ŚWIETLE termin „optikos” z greckiego oznacza „widzialny”

CO TO JEST ŚWIATŁO? Pytanie to ludzie zadawali sobie już dawno temu. Spoglądali w niebo i widzieli, że gdy Słońce wschodzi, niebo nad horyzontem jaśnieje, aż staje się niebieskie. Gdy zachodzi, niebo zmienia swoją barwę od niebieskiej do czerwonej. W czasie deszczu często zaobserwować można barwną tęczę. cofnijmy się zatem w czasie…

TROCHĘ HISTORII (od starożytności…) Historia optyki zaczęta się w Grecji, dwa i pół tysiąca lat temu. Starożytni Grecy byli zafascynowani sekretami światła i widzenia. Badali kolory i zjawiska z nimi związane, jak na przykład tęcze. Udało im się nawet sformułować prawa rozchodzenia i odbijania się światła. Grecy wierzyli, że musi być jakiś kontakt pomiędzy widzianym obiektem a organem widzenia. Rozwijaniem tej teorii wsławili się: Pitagoras (ok. 600 p.n.e.), Arystoteles (384-322 p.n.e.) i Epikur (341-270 p.n.e.) Teorie stworzone przez Greków byty powszechnie akceptowane przez następne dziesięć stuleci. Podczas tego okresu nauka o optyce poczyniła bardzo niewielkie postępy. Około 1025 roku wielki uczony muzułmański, znany na Zachodzie jako Alhazen, napisał słynną książkę o optyce, w której dokonał weryfikacji teorii promieni. Wysunął hipotezę, że świecące obiekty emitują promienie świetlne, które wpadają do oka i stymulują widzenie. Alhazen zaobserwował, że kolory na obracającej się tarczy są odbierane jako jedna barwa, będąca ich mieszaniną.

TROCHĘ HISTORII (do współczesności…) Rozwój optyki jako samodzielnej dyscypliny naukowej datuje się dopiero od XVII w. i wiąże się z pierwszymi badaniami dotyczącymi natury światła (Ch.Huygens, I.Newton); utrwalenie falowej teorii światła (Th. Young, A.J. Fresnel) i wykazanie, że fale świetlne są falami elektromagnetycznymi, przypada na XIX w. (M. Faraday, Maxwell, H.R. Hertz). Na początku XX w. M. Planck podał kwantowy proces promieniowania; teorię kwantową ugruntowały prace A. Einsteina, P.A.M. Diraca i innych.

CO TO JEST ŚWIATŁO? Dziś wiemy już że światło to fala elektromagnetyczna o długości 380-780nm, rozchodząca się ze skończoną prędkością ok. 300 000 km/s (w próżni). Światło widzialne to tylko wąski wycinek z widma wszystkich fal elektromagnetycznych:

Źródłem światła jest każde ciało wysyłające promieniowanie widzialne.. Źródła światła ZAPAMIĘTAJ ! Źródłem światła jest każde ciało wysyłające promieniowanie widzialne..

Źródła światła możemy podzielić na: naturalne sztuczne Źródła, które nie zostały wytworzone przez człowieka, np.: Słońce, błyskawica. Źródła, które zostały wytworzone przez człowieka, np.: żarówka, laser

BADAnie różnych Źródeł światła Czas na pierwsze eksperymenty!!! Do badania różnych źródeł światła wykorzystaliśmy nasz zestaw pomiarowy CoachLab oraz podłączony do niego czujnik światła. Mierzy on natężenie oświetlenia w

BADAnie różnych Źródeł światła Poniżej przedstawiamy przykładowe wyniki pomiarów natężenia światła od czasu dla lampki choinkowej i dla świeczki. Możemy stwierdzić że świeczka jest „jaśniejsza” od pojedynczej żaróweczki choinkowej. Ładnie widać też, że lampki choinkowe zasilane były prądem zmiennym. lampki ch. świeczka

Rozchodzenie się światła Światło rozchodzi się po liniach prostych. Najłatwiej sie o tym przekonać, obserwując światło lasera albo światło słoneczne przechodzące przez małe otwory lub prześwitujące przez korony drzew. Przepuszczając światło przez kolejne, coraz mniejsze otwory można wydzielić bardzo wąską (wiązkę) smugę światła, nazywaną promieniem światła. Na rysunkach jest on przedstawiany w postaci strzałki z grotem wskazującym w którą stronę biegnie światło

Zjawiska związane z rozchodzeniem światła Przystąpiliśmy do badania różnych zjawisk związanych z rozchodzeniem się światła. Pierwszym, z nich było odbicie światła. Wykorzystaliśmy przedstawiony poniżej stolik optyczny:

Zjawiska związane z rozchodzeniem światła Dzięki skali kątowej bez trudu udało nam się potwierdzić prawo odbicia światła mówiące, że kąt padania jest równy kątowi odbicia:

Zjawiska związane z rozchodzeniem światła Kolejnym zjawiskiem któremu postanowiliśmy się przyjrzeć było załamanie światła. Zjawisko to obserwujemy podczas przejścia światła z jednego ośrodka do drugiego i polega na zmianie kierunku rozchodzenia się światła:

Zjawiska związane z rozchodzeniem światła Załamanie światła i złudzenia optyczne z nim związane:

Zjawiska związane z rozchodzeniem światła Przeprowadziliśmy prosty eksperyment z niewidoczną monetą na dnie kubka, która staje się widoczna po ostrożnym napełnieniu kubka wodą:

Zjawiska związane z rozchodzeniem światła Zaobserwowaliśmy też rozszczepienie światła białego w pryzmacie jednak w tak zaciemnionym pomieszczeniu, że nie udało nam się tego satysfakcjonująco sfotografować:

CO DALEJ? Od zjawiska załamania dzielił nas już tylko krok w kierunku soczewek:

Co to jest soczewka? Na początku trochę teorii: Soczewka - jest to proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku bloków przezroczystego materiału (np. szkła, żeli). Może powstać z dwóch pryzmatów o odpowiednio wyprofilowanym ośrodku. Istotą soczewki jest to, że jedna z powierzchni roboczych jest zakrzywiona (wycinek sfery)

Typy soczewek Soczewka sferyczna jest najczęsciej spotykanym typem soczewki, której przynajmniej jedna powierzchnia jest wycinkiem sfery. Każda z powierzchni takiej soczewki może być wypukła, wklęsła lub płaska i stąd mówi się o soczewkach dwuwypukłych, płasko-wklęsłych czy dwuwklęsłych.

Typy soczewek Soczewka sferyczna jest najczęściej spotykanym typem soczewki, której przynajmniej jedna powierzchnia jest wycinkiem sfery. Każda z powierzchni takiej soczewki może być wypukła, wklęsła lub płaska i stąd mówi się o soczewkach dwuwypukłych, płasko-wklęsłych czy dwuwklęsłych.

Typy soczewek Na rysunkach poniżej zdefiniowane podstawowe pojęcia: ognisko soczewki i jej ogniskową f:

Konstruowanie obrazów W zależności od odległości przedmiotu od soczewki (oznaczmy literą x) możemy uzyskać obraz powiększony, pomniejszony lub tej samej wielkości, ale to dobrze wiemy z lekcji fizyki więc potraktowaliśmy to jako powtórzenie i poćwiczyliśmy konstruowanie obrazów dla 5 przypadków (x>2f, x=2f, f<x<2f, x=f – obraz nie powstaje, x<f – obraz pozorny)

Badanie soczewek Po przebrnięciu przez teoretyczny wstęp przystąpiliśmy do badania różnego typu soczewek. Doświadczenia przeprowadziliśmy wykorzystując ławę optyczną:

Badanie soczewek Głównym celem eksperymentów było wyznaczenie ogniskowej soczewki ze wzoru: Po przekształceniu otrzymaliśmy wzór na ogniskową f w postaci: gdzie x – odległość przedmiotu od soczewki, a y – odległość obrazu od soczewki.

Badanie soczewek Ława optyczna pozwala w łatwy sposób ustalić odległości przedmiotu i jego obrazu od zamocowanej na niej soczewki dzięki skali widocznej na zdjęciu:

Badanie soczewek

Badanie soczewek

Badanie soczewek Wyznaczyliśmy ogniskowe dla 3 różnych soczewek wykonując dla każdej serię 5 pomiarów dla różnych odległości przedmiotu od soczewki. Wyniki pomiarów, obliczenia ogniskowych oraz wyznaczone średnie arytmetyczne zaokrąglone do 1 miejsca po przecinku przedstawiają poniższe tabele: Soczewka 1 Soczewka 2 pomiar x [cm] y [cm] f [cm] 1 10 5 2 15 8 5,21739 3 20 7 5,18519 4 13 4,95238 35 6 5,12195 f= 5,1 pomiar x [cm] y [cm] f [cm] 1 30 61 20,1099 2 50 35 20,5882 3 55 33 20,625 4 60 31 20,4396 5 40 20 f= 20,4 Soczewka 3 pomiar x [cm] y [cm] f [cm] 1 30 25 13,6364 2 3 20 40 13,3333 4 27 26 13,2453 5 28 13,7455 f= 13,5

Zdolność skupiająca soczewki Zdolność skupiająca soczewki to wielkość z którą każdy spotka się u okulisty. Wielu z nas wcześniej słyszało o dioptriach i kojarzyło je z okularami. Zdolność skupiającą w prosty sposób obliczamy ze wzoru: a jej jednostką są właśnie dioptrie [D] czyli odwrotność metra. Zdolności skupiające badanych przez nas soczewek wynoszą odpowiednio:

okulary Kolejnym krokiem po ogniskowej i zdolności skupiającej są wspomniane już wcześniej okulary. To zespół soczewek służących do korekcji wad wzroku.

Budowa oka Zanim jednak omówimy wady wzroku musimy przypomnieć sobie jak widzimy: Oko ludzkie jest w przybliżeniu kulą o średnicy 25 milimetrów. Sześć mięśni pozwala oku poruszać się w każdą stronę. Z pozoru oko przypomina bardzo aparat fotograficzny - posiada soczewkę rzucającą pomniejszony, odwrócony obraz oddalonego przedmiotu (obiektu) na wrażliwą na światło tylną, wewnętrzną jego powierzchnię zwaną siatkówką.

Wady wzroku

Wady wzroku Krótkowzroczność jest wadą układu optycznego oka, w której promienie świetlne załamane przez ten układ, skupiają się przed siatkówką. Uniemożliwia to prawidłowe widzenie obiektów znajdujących się w oddali, podczas gdy widzenie z bliska jest dobre. Nadwzroczność (dalekowzroczność) jest wadą układu optycznego oka, w której promienie świetlne załamane przez ten układ, skupiają się za siatkówką. Efektem jest zamazany obraz, zwłaszcza podczas patrzenia z bliska oraz trudności z dłuższym czytaniem. Wada ta może być przyczyną bólu głowy i podrażnień spojówki. Astygmatyzm (niezborność) jest wadą układu optycznego oka, w której promienie świetlne biegnące w jednej płaszczyźnie są załamane przez układ optyczny inaczej niż promienie biegnące w innej płaszczyźnie. Prezbiopia (starczowzroczność) jest wadą układu optycznego oka, pojawiającą się w okolicach 40 roku życia, która polega na osłabieniu zdolności oka do akomodacji. Wówczas mięsień rzęstkowy traci stopniowo swoją moc uwypuklania soczewki i zaczynamy mieć problemy z widzeniem bliży, czytaniem, szyciem... Podczas oglądania przedmiotów z bliska promienie świetlne skupiane są za siatkówką. Zatem obraz bliży, tworzony na siatkówce oka i przekazywany do mózgu jest nieostry.

DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ!!! Koniec? TAK! To już koniec naszej krótkiej podróży w świat optyki. Wiemy już że sednem optyki jest światło. Potwierdzaliśmy znane fakty związane z rozchodzeniem się światła za pomocą prostych eksperymentów fizycznych (odbicie, załamanie, rozszczepienie światła białego). Uwagę skupiliśmy na soczewkach i wyznaczaniu ich zdolności skupiającej. Dlaczego? Ponieważ to po prostu znane wszystkim okulary! Bez nich nie zawsze jest możliwe postrzeganie świata takim, jaki jest. DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ!!!

Źródła Przy przygotowaniu prezentacji korzystaliśmy głównie ze stron internetowych: http://pl.wikipedia.org http://www.interklasa.pl/meteo/zjawiska/optyka.htm http://www.mlodziwilcy.pl/optyka http://www.okularyporadnik.pl/historia_okularow.html http://www.sciaga.pl/tekst/30302-31-optyka http://www.kopernikus.internetdsl.pl/sciaga/fizyka/fizyka_9.html http://www.iwiedza.net http://www.youtube.com oraz naszego podręcznika do fizyki: Grażyna Francuz-Ornat, Teresa Kulawik, Maria Nowotny-Różańska, Spotkania z fizyką. Podręcznik dla gimnazjum, część 4, NOWA ERA 2009 SPIS TREŚCI

AUTORZY Mirela Baranowska Agnieszka Bączyk Szymon Bączyk Jakub Brożek Jagoda Janik Zuzanna Kurnatowska Adam Leśniewicz Marianna Leszczyńska Aneta Kaczmarek Maja Kujawa Karolina Staszak Damian Przybylski Weronika Woźnikiewicz pod opieką Pana Dariusza Madeja.