DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zs. Chwaliszew Im. ks. Jana Twardowskiego, Gimnazjum w Stęszewie ID grupy: 98/39_MF_G2, 98/12_MF_G2 Opiekun: Mirosława Zydorczak, Sławomir Wiśniewski Kompetencja: Matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Okulary i trochę optyki Semestr letni rok szkolny: 2011/12

Fizyka wyróżnia trzy działy optyki: Optyka W fizyce optyka zajmuje się badaniem światła i wszelkiego rodzaju zjawisk świetlnych. Bada ona szczegółowo emisję światła, jego rozchodzenie się, to jak światło oddziałuje z materią. Fizyka wyróżnia trzy działy optyki: 1.Optyka falowa, 2.Optyka kwantowa. 3.Optyka geometryczna,

1. Optyka falowa Optyka falowa jest działem, który uwzględnia fakt, że światło ma naturę falową w związku z tym jej zadaniem jest badanie zjawisk takich jak polaryzacja, interferencja oraz dyfrakcja. Polaryzacja- światło jest falą elektromagnetyczną polegającą na rozchodzeniu się na przemian zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych, których linie są do siebie wzajemnie prostopadłe. Wektory natężenia pola elektrycznego E i indukcji magnetycznej B zmieniając się „drgają” przypadkowo w różnych kierunkach, ale zawsze prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Gdy wektor E i tym samym wektor B mają tylko jeden wyróżniony kierunek, to światło jest spolaryzowane liniowo.

Interferencja- Polega ona na nakładaniu się fal pochodzących z różnych źródeł. Aby powstał stabilny i możliwy do zaobserwowania obraz interferencyjny, to światło pochodzące z tych źródeł musi być spójne. Takie warunki można uzyskać, kierując światło pochodzące z jednego źródła na dwie szczeliny, z których każda będzie stanowiła odrębne źródło światła spójnego. Dyfrakcja- promienie światła rozchodzą się po liniach prostych, lecz przechodząc przez małe otwory ulegają ugięciu, czyli dyfrakcji. Ponieważ dyfrakcję można obserwować tylko wtedy, gdy rozmiary szczeliny są porównywalne z długością fali padającej na szczelinę, to dyfrakcja światła, ze względu na małą długość fal świetlnych, zachodzi tylko na bardzo małych szczelinach.

2. Optyka kwantowa Optyka kwantowa obejmuje badania natury i skutków działania światła pod postacią skwantowanych fotonów. Jako pierwszy na możliwość istnienia cząsteczkowej postaci światła wskazał Max Planck. Według tej teorii światło jest złożone z cząstek zwanych fotonami i z tego powodu ma naturę "ziarnistą" (skwantowaną).

W DALSZEJ CZĘŚCI PREZENTACJI ZAJMIEMY SIĘ WŁAŚNIE TYM DZIAŁEM OPTYKI 3. Optyka geometryczna Optyka geometryczna natomiast jest najstarszym działem optyki, który rozpatruje światło jako promień świetlny i zajmuje się badaniem jego natury oraz zachowania. W DALSZEJ CZĘŚCI PREZENTACJI ZAJMIEMY SIĘ WŁAŚNIE TYM DZIAŁEM OPTYKI

Czym jest światło ? Światło jest falą elektromagnetyczną o długości od 380 do 780 nm. Jest to część tej fali która jest odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego

Liniowe rozchodzenie się światła promień świetlny Bardzo wiele zagadnień dotyczących optyki, możemy opisać zakładając, że światło rozchodzi się wzdłuż linii prostych, w postaci promieni świetlnych. Założenie to można przyjąć gdy oświetlane przedmioty są dużo większe od długości fali elektromagnetycznej jaką jest światło.

Przyjmujemy, że źródła światła mogą być punktowe lub liniowe. Światło powstaje na skutek drgań ładunków elektrycznych, np. elektronów w atomach włókna żarówki rozgrzanego przepływem prądu elektrycznego. Przyjmujemy, że źródła światła mogą być punktowe lub liniowe.

Źródło światła punktowe i liniwe Gdy źródło światła jest punktowe, to za oświetlonym przedmiotem powstaje cień. Gdy źródło światła jest liniowe to możemy zaobserwować strefę cienia i półcienia

Zaćmienie Słońca Zaćmienia Słońca powstaje wtedy, gdy Księżyc stanie na jednej linii pomiędzy Ziemią a Słońcem i rzuci na naszą planetę cień. Zdjęcie cienia i półcienia, rzucanego przez Księżyc na Ziemię podczas zaćmienia Słońca. Zaćmienie Księżyca powstaje wtedy gdy Ziemia rzuca cień na tarczę Księżyca. Księżyc musi być usytuowany po przeciwnej stronie Ziemi względem Słońca.

Prawo odbicia Gdy światło pada na granicę dwóch ośrodków, to ulega odbiciu zgodnie z prawem odbicia, które mówi, że jeśli kąt padania i kąt odbicia leżą w jednej płaszczyźnie, to kąt padania jest równy kątowi odbicia: α = β .

Powstawanie obrazów w zwierciadłach płaskich Promienie wysyłane przez przedmiot znajdujący się w punkcie A, odbijają się od lustra, i rozchodzą dalej zgodnie z prawem odbicia. Ich przedłużenia przecinają się w punkcie A', tworząc u obserwatora złudzenie, że oglądany przedmiot znajduje się "po drugiej stronie lustra". W takiej sytuacji mówimy, że jest to obraz pozorny. Lustrzane odbicie w jeziorze

Bieg promieni w zwierciadłach kulistych Zwierciadło kuliste wklęsłe, promienia charakterystyczne Zwierciadło kuliste wypukłe, promienia charakterystyczne

Rozproszenie światła Światło rozprasza się na chropowatych powierzchniach. W tym przypadku nadal jest zachowane prawo odbicia ponieważ równoległa wiązka światła pada na powierzchnię pod różnymi kątami.

Załamanie światła zachodzące na granicy różnych ośrodków. Widzimy, że przedmiot zanurzony do połowy w wodzie, wydaje się "krzywy". Promienie świetlne dochodzące ze znajdującej się pod wodą części przedmiotu dochodzą do oka pod innym kątem, niż te z części znajdującej się nad powierzchnią wody. Dzieje się tak, ponieważ światło zmienia kierunek rozchodzenia się na granicy wody i powietrza.

Promień padający na szklany przedmiot, rozdziela się na promień odbity i załamany. Widzimy, że promień odbity rozchodzi się pod tym samym kątem, co promień padający, natomiast promień załamany zmienia kierunek.

Rozszczepienie światła Każdy ze składników światła białego załamuje się na pryzmacie pod innym kątem w wyniku czego światło białe po przejściu przez taki układ zamienia się w "tęczę" Tęcza pierwotna oraz wtórna. Kolory w wyższej tęczy są odwrócone.

Kolor a barwa Mieszanie subtraktywne Kolor to własność substancji do pochłaniania wiązek światła o odpowiedniej barwie. Jeśli dana rzecz dla odbiorcy jest czerwona oznacza to, że z wiązki światła białego pochlania ona wszystkie barwy oprócz czerwonej (którą odbija). Addytywne mieszanie barw podstawowych, czyli światła o określonej długości, powoduje powstawanie barw dopełniających oraz barwy białej.

Doświadczenie Przyrząd do badania mieszania się różnych barw światła, (niestety lampa błyskowa naszego aparatu negatywnie wpływa na jakość zdjęć). Za piłeczką powstaje cień, a strefy półcienia mają barwę odpowiednio; żółtą w strefie mieszania się barwy zielonej z czerwoną i fioletową w strefie mieszania się czerwonej z niebieską i turkusową przy mieszaniu się zielonej z niebieską.

Soczewki Soczewka to bryła przezroczystego materiału ograniczona powierzchniami kulistymi, parabolicznymi lub walcowymi, mająca inny współczynnik załamania światła niż ośrodek otaczający. Ze względu na własności optyczne rozróżnia się soczewki skupiające (dodatnie) i rozpraszające (ujemne).

Ognisko i ogniskowa Dla soczewki: ognisko jest miejscem, w którym przecinają się wszystkie promienie po przejściu przez soczewkę, które padały na nią równolegle do osi optycznej, ogniskową nazywamy odległość ogniska od soczewki .

Soczewki skupiające Przejście równoległych promieni świetlnych przez soczewkę wypukłą.

Promienie charakterystyczne dla soczewki skupiającej Promienie idące równolegle do osi optycznej załamują się w ten sposób by przejść przez ognisko po drugiej stronie soczewki. Światło przechodzące przez ognisko po stronie przedmiotu po załamaniu się na soczewce biegnie dalej równolegle do osi optycznej. Promień przechodzący przez środek soczewki nie załamuje się. Powstały obraz jest rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony.

x > 2f O1 F1 F2 O2 Cechy obrazu: pomniejszony odwrócony rzeczywisty

x = 2f O1 F1 F2 O2 Cechy obrazu: w skali 1:1 odwrócony rzeczywisty

x < f O1 F1 F2 O2 Cechy obrazu: powiększony prosty pozorny

Soczewki rozpraszające Przejście równoległych promieni przez soczewkę rozpraszającą. Przedłużenia promieni przecinają się w jednym punkcie

Promienie charakterystyczne dla soczewki rozpraszającej Promień biegnący równolegle do osi optycznej rozprasza się w ten sposób, że porusza się po prostej przechodzącej przez ognisko. Drugi promień przecinający soczewkę w jej środku nie załamuje się. Ostatni przechodzący przez ognisko po stronie przedmiotu z soczewki wychodzi równolegle do osi optycznej. Powstały obraz jest pomniejszony, pozorny i prosty.

x – dowolne O1 F1 F2 O2 Cechy obrazu: pomniejszony prosty pozorny

Równanie zwierciadła i powiększenie obrazu Między odległością przedmiotu od zwierciadła x, odległością obrazu od zwierciadła y oraz odległością f ogniska od zwierciadła, którą nazywamy ogniskową, istnieje związek nazywany równaniem zwierciadła: Jeśli przez X oznaczymy wysokość przedmiotu, a przez Y oznaczymy wysokość obrazu, to powiększenie p obliczymy, jako:

Zdolność skupiająca Zdolność skupiająca soczewki jest wielkością definiowaną dla pojedynczych soczewek i dla układu optycznego oznaczaj odwrotność ogniskowej soczewki lub układu. Zdolność zbierającą mierzy się w dioptriach. Wymiarem dioptrii jest odwrotność metra. Z = 1 / f

Budowa oka Bardzo ważnym przyrządem wykorzystującym soczewkę jest oko ludzkie. Światło przechodzi przez soczewkę załamuje się następnie dochodzi do siatkówki na której powstaje obraz pomniejszony i odwrócony. W siatkówce znajdują się różne narządy fotoczułe: pręciki i czopki.

Wady wzroku Wadę w której ognisko znajduje się poza okiem nazywamy dalekowzrocznością (nadwzrocznością). Oko dalekowidza koryguje się za pomocą soczewek skupiających. Gdy promienie soczewki skupiają się zbyt blisko mamy do czynienia z krótkowzrocznością. Oko krótkowidza z taką wadą koryguje się przy pomocy soczewek rozpraszających .

Astygmatyzm Astygmatyzm jest wadą polegającą na zniekształceniu widzenia wskutek niesymetryczności rogówki oka. Jeżeli promień krzywizny rogówki oka w płaszczyźnie pionowej jest inny niż w płaszczyźnie poziomej, to promienie świetlne padające na różne części rogówki załamywane są w różnym stopniu.

Daltonizm Daltonizm polega na złym rozpoznawaniu barw. Nazwa wady pochodzi od nazwiska angielskiego fizyka i chemika J. Daltona, który jako pierwszy opisał ślepotę na barwy zielona i czerwona. Obrazki obok mogą posłużyć za test do sprawdzenia czy dana osoba jest daltonistą.

Wady soczewek Aberracja chromatyczna – cecha soczewki wynikająca z różnych odległości ogniskowania (ze względu na różną wartość współczynnika załamania) dla poszczególnych barw widmowych światła. W rezultacie występuje rozszczepienie światła, które widoczne jest na granicach kontrastowych obszarów pod postacią kolorowej obwódki (zobacz zdjęcie obok). 1: Aberracja chromatyczna 2: Skorygowana aberracja chromatyczna

Wady soczewek Aberracja chromatyczna występuje również w soczewce ludzkiego oka, powodując barwne obwódki (pomarańczowe i niebieskie) wokół ciemnych przedmiotów na jasnym tle. W przypadku układów optycznych (teleskopy, obiektywy fotograficzne etc.) jest to wada pogarszająca jakość odwzorowania. Fioletowa obwódka wokół uszu i grzywy konia jest spowodowana aberracją chromatyczną.

Zastosowanie soczewek przyrządy optyczne 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.

I Mikroskopy

II. II Teleskopy i lunety

III. Inne przyrządy optyczne

Wyznaczanie wartości współczynnika światła za pomocą siatki dyfrakcyjnej Potrzebne materiały Do wykonania doświadczeń potrzebne będą: wskaźnik laserowy (może być też poziomica laserowa), siatka dyfrakcyjna mająca od 200 do 400 linii na 1mm, przeźroczyste naczynie, dwie klamerki do wieszania bielizny, taśma klejąca (najlepsza jest taśma izolacyjna), nożyczki, kalka techniczna, dowolna książka (będzie ona podstawką pod laser).

Wyznaczanie wartości współczynnika światła -wykonanie Za pomocą nożyczek odcinamy kawałek kalki technicznej, a następnie przyklejamy go do jednej z zewnętrznych ścian naczynia. Do przeciwległej ściany przyklejamy siatkę dyfrakcyjną. Im większa jest liczba szczelin siatki na 1mm tym większy jest kąt, pod którym widoczny jest obraz interferencyjny (można mieć wątpliwości co do możliwości porównania wartości sinusa i tangensa kąta, pod którym widać obraz). Ale uzyskany obraz jest bardziej ostry, więc łatwiej jest ściśle określić jego położenie.

Wyznaczanie wartości współczynnika światła -wykonanie Do gotowego naczynia nalewamy wodę, lub inną ciecz, której współczynnik załamania chcemy wyznaczyć. Rys. 1. Naczynie wypełnione cieczą. Ustawiamy laser w taki sposób, aby jego wiązka przechodziła przez ciecz i zaznaczamy na ekranie położenia prążka zerowego oraz dwóch prążków pierwszego rzędu. Rys. 2. Ustawienie lasera względem naczynia z cieczą. Zmieniamy wysokość, na której znajduje się laser w taki sposób, aby teraz wiązka przechodziła nad powierzchnią cieczy. Powtórnie zaznaczamy położenie prążków interferencyjnych. Wyznaczanie wartości współczynnika światła -wykonanie

Wyznaczanie wartości współczynnika światła –wyniki doświadczenia Zaznaczone na ekranie odległości między prążkami pierwszego rzędu powinny być mniejsze wtedy, gdy światło promień światła laserowego przechodził przez wodę, niż wtedy, gdy światło rozchodziło się w powietrzu. Można to lepiej zauważyć wtedy, gdy zamiast wskaźnika laserowego użyjemy poziomicy laserowej (jest to produkt dostępny w sklepach budowlanych).

Wyznaczanie wartości współczynnika światła –opracowanie wyników

Wyznaczanie wartości współczynnika światła –opracowanie wyników Ostatecznie wartość współczynnika załamania wody względem powietrza obliczamy ze wzoru: n = λ1/λ2 = x1/x2 Według naszych pomiarów wartość współczynnika załamania wody wynosi 1,29. Wartość ta nie odbiega zbyt od tych podawanych w tablicach, czyli 1,3. Ostatecznie wartość współczynnika załamania wody względem powietrza obliczamy ze wzoru: n = λ1/λ2 = x1/x2 Według naszych pomiarów wartość współczynnika załamania wody wynosi 1,29. Wartość ta nie odbiega zbyt od tych podawanych w tablicach, czyli 1,3.

Doświadczenie: tęcza w kolbie Doświadczenie możliwe jest do wykonania tylko w ciemnym pomieszczeniu. Kolbę napełniamy wodą. Źródło światła należy skierować poprzez przesłonę wycięta z kartonu. Światło powinno padać wiązką na najszersze miejsce kolby. Doświadczenie wymaga cierpliwości. Uchwycenie momentu zjawiska utworzenia sztucznej tęczy nie jest tak łatwe jakby się mogło wydawać.

Doświadczenie: światłowód W połowie wysokości butelki wykonujemy mały otwór przez który przeprowadzamy kawałek słomki (lub rurki). Słomkę przeklejamy do butelki i zabezpieczamy przed wypadnięciem taśmą izolacyjną dokładnie oklejając miejsce łączenia rurki z butelką. Słomka powinna być tak umieszczona w otworze aby kontakt z butelka przypadał w jej połowie. Butelkę napełniamy wodą. Przez słomkę wydostaje się strużka wody. Wiązkę światła białego (lub laserowego) kierujemy przez butelkę z wodą w stronę słomki. Tak jakby umieszczona w butelce słomka miała stanowi przedłużenie wiązki. Obserwujemy rozchodzenie się światła w stróżce wody.

Doświadczenie: ciemnia optyczna Na papierowym arkuszu kreślimy siatkę sześcianu o boku 11 cm pozostawiając miejsce na zakładki umożliwiające sklejenie bryły.( rys.1) Siatkę sześcianu wycinamy, odcinając jedną z podstaw. (rys.2). Sklejamy sześcian bez jednej podstawy. Brakująca podstawę wycinamy z pergaminu. Po wycięciu przy pomocy szerokiego pędzla nasączamy pergamin olejem i pozostawiamy do wyschnięcia (nasza „matówka”). To na niej będziemy obserwować powstające obrazy przedmiotów, które znajdować się będą przed otworkiem, który wykonamy wykorzystując igłę do szycia. Po wyschnięciu oleju doklejamy do modelu brakująca ściankę z pergaminu tworząc pełną figurę przestrzenną.

Ciemnia optyczna – ciąg dalszy Na jednej ze ścian sześcianu (leżącej naprzeciw ściany wykonanej z pergaminu) znajdujemy punkt przecięcia się przekątnych, a następnie igłą delikatnie wykonujemy niewielki otwór. Otwór powinien być rzeczywiście bardzo mały -rzędu dziesiątych części milimetra. Należy unikać powstawania otworu o poszarpanych brzegach. Dowolny przedmiot umieszczamy przed otworem następnie kierujemy na niego dowolne źródło światła. Dla uzyskania lepszego efektu w tym wyeliminowania światła dochodzącego z boku, należy okryć całość wraz z głową obserwatora przygotowanym materiałem. Obserwujemy obrazy przedmiotów powstające na pergaminie (rzeczywiste i odwrócone).

Camera obscura

Źródło; czyli z czego korzystaliśmy http://www.optyczne.pl/130-s%C5%82ownik-Soczewka.html http://www.sciaga.pl/slowniki-tematyczne http://fizyka.org/ http://pl.wikipedia.org/wiki/Optyka http://www.corel.zsel.edu.pl/kolorbarwa.html http://www.epomoce.pl/fizyka_Przyrzady_optyczne