1.

Prezentacja na temat: "1."— Zapis prezentacji:

1 1

2 ZJAWISKA OPTYCZNE (ŚWIETLNE) W ATMOSFERZE

3 Dyspersja Dyspersja w optyce to zależność współczynnika załamania ośrodka od częstotliwości fali świetlnej. Jednym ze skutków dyspersji jest to, że wiązki światła o różnych barwach, padające na granicę ośrodków pod kątem różnym od zera, załamują się pod różnymi kątami. Efekt ten można zaobserwować, gdy światło białe pada na pryzmat i ulega rozszczepieniu na barwy tęczy. Współczynnik załamania światła wynika z prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku. W optyce za dyspersję uznaje się też zależność prędkości rozchodzenia się światła od innych czynników np. w falowodzie określa się dyspersję modową, w której prędkość ruchu modu wzdłuż falowodu zależy od jego drogi w falowodzie. Zależność współczynnika załamania światła od długości fali światła nazywana jest współczynnikiem dyspersji i jest parametrem określającym własności minerałów. Minerały o dużej dyspersji odpowiednio oszlifowane mienią się różnymi barwami w wyniku rozszczepiania światła białego. Dyspersja w optyce jest szczególnym przypadkiem ogólniejszego zjawiska dyspersji fali i oznacza zależność prędkości fazowej fali od jej częstości, a tym samym i długości. W ośrodku niedyspersyjnym, gdzie ta zależność nie występuje, prędkość fazowa fali jest jednakowa dla wszystkich długości fal i jest równa prędkości grupowej. Przykładem niedyspersyjnego rozchodzenia się światła jest rozchodzenie się fali elektromagnetycznej w próżni. 3

4 Dla niemalże każdego materiału rozchodzenie się światła jest dyspersyjne.
Dla fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w jonosferze i wielu innych ośrodkach iloczyn prędkości fazowej i grupowej jest stały i wynosi: Prędkość grupowa jest mniejsza lub równa prędkości światła w próżni, a prędkość fazowa jest równa lub większa od prędkości światła. Ogólniej, tak zwana relacja dyspersji ω(k) może być zapisana w postaci ω(k) = ck / n, gdzie k = 2π / λ jest wektorem falowym. Szczegółowa zależność n(λ) określa własności fali.

5 Miara dyspersji Miarą dyspersji dla danej długości fali jest pochodna współczynnika załamania po długości fali lub po liczbie falowej Aby liczbowo określić wielkość dyspersji w całym zakresie światła widzialnego, definiuje się dyspersję średnią, czyli nF − nC gdzie nF – współczynnik załamania dla światła niebieskiego (linia Fraunhofera F – 486,1 nm) nC – współczynnik załamania dla światła czerwonego (linia Fraunhofera C – 656,3 nm) spółczynnik załamania dla światła czerwonego (linia Fraunhofera C – 656,3 nm) Dyspersją względną (zdolnością rozszczepiającą) nazywa się stosunek dyspersji średniej do refrakcji żółtej linii sodu D (589,6 nm)

6 Rozszczepienie światła białego w pryzmacie o dużej dyspersji.

7 Rozszczepienie światła białego w pryzmacie o małej dyspersji.

8 Prędkość światła Prędkość światła w zależności od kontekstu może oznaczać: prędkość fali elektromagnetycznej w próżni i wynikającą z tego stałą fizyczną (c = m/s), prędkość światła w ośrodkach materialnych. Prędkość światła w próżni Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni nie zależy od częstości fali ani układu odniesienia. Stałość tej prędkości wynika z podstawowych własności przestrzeni i dlatego w fizyce określa się stałą C o nazwie prędkość światła.

9 Pomiary Pierwszego pomiaru prędkości światła planował dokonać Galileusz. Eksperyment postanowił przeprowadzić wraz ze swoim pomocnikiem za miastem na dwóch wzgórzach, mając do dyspozycji dwie latarnie. Sama próba polegała na odsłanianiu i przesłanianiu latarni, jednak ze względu na ogromną prędkość światła i bardzo duży błąd pomiaru, skazana była na niepowodzenie. Była to jednak pierwsza odnotowana eksperymentalna próba zmierzenia prędkości światła. W 1676 Ole Rømer podał pierwsze szacowanie skończonej prędkości światła stwierdzając, że światło potrzebuje mniej niż sekundę, by przebyć odległość 3000 mil francuskich (około km). Obliczenia oparł na obserwacji satelity Jowisza[2]. Pierwszego laboratoryjnego pomiaru prędkości światła dokonał w 1849 roku francuski fizyk Armand Fizeau używając koła zębatego. Od tamtej pory metody pomiaru prędkości światła były stale rozwijane, czego efektem był wzrost dokładności pomiaru. W 1907 roku Albert Abraham Michelson otrzymał Nagrodę Nobla m.in. za bardzo dokładne pomiary prędkości światła.

10 Stała fizyczna Prędkość światła (prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni) jest bardzo ważną stałą fizyczną oznaczaną symbolem c, wynoszącą dokładnie m/s W elektrodynamice klasycznej prędkość światła jest konsekwencją równań Maxwella. Rozwiązanie tych równań dla pola elektromagnetycznego w próżni prowadzi do równania falowego, w którym pojawia się stała będąca prędkością fazową fali elektromagnetycznej, czyli prędkość światła w próżni. Jest to stała fundamentalna związana z własnościami próżni, m.in. z przenikalnością elektryczną ε0 (wyrażone w jednostkach SI)

11 Światło Treść slajdu Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu nm.

12 W nauce pojęcie światła jest jednak szersze (używa się pojęcia promieniowanie optyczne), gdyż nie tylko światło widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień można obserwować i mierzyć korzystając z podobnego zestawu przyrządów, a wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki. W naukach ścisłych używa się określenia promieniowanie optyczne tj. promieniowania podlegającego prawom optyki geometrycznej oraz falowej. Przyjmuje się, że promieniowanie optyczne obejmuje zakres fal elektromagnetycznych o długości od 10 nm do 1 mm, podzielony na trzy zakresy r11; podczerwień, światło widzialne oraz ultrafiolet.

13 Przykłady wskazujące, że światłem należy nazywać szerszy zakres promieniowania, niż tylko światło widzialne: wiele substancji barwiących płowieje nie tylko od kontaktu ze światłem widzialnym, ale i bliskim ultrafioletem pochodzącym ze Słońca, rozszczepiając, za pomocą pryzmatu, światło emitowane przez rozgrzane ciała , można zaobserwować wzrost temperatury przesuwając termometr wzdłuż uzyskanych barw widmowych, wzrost ten jest mierzalny także dalej, w niewidocznej części widma, która jest również załamywana przez ten pryzmat, wiele zwierząt ma zakresy widzenia światła wykraczające poza zakres widzenia ludzkiego oka.

14 Tak więc można mówić o "świetle widzialnym" i "świetle niewidzialnym”.
Nauka zajmująca się badaniem światła to optyka. Współczesna optyka, zgodnie z dualizmem korpuskularno-falowym, postrzega światło jednocześnie jako falę elektromagnetyczną oraz jako strumień cząstek nazywanych fotonami, Światłość (natężenie źródła światła) jest podstawową wielkością w fotometrii wizualnej. Jednostką światłości jest kandela, która należy do jednostek podstawowych układu jednostek SI, Kandela jest to światłość, jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstości 5,4×1014 Hz i którego energetyczne natężenie promieniowania w tym kierunku wynosi 1/683 W/sr.

15 Zorza Polarna Zorza polarna to bardzo efektowne zjawisko występujące na półkuli północnej na północnym niebie Wbrew pozorom nie występuję bardzo rzadko. Może występować w postaci płomienistych fal światła roztaczających się od horyzontu po zenit lub błyszczących łuków światła nad horyzontem rozchodzących się we wszystkich kierunkach. Zjawisko to występuję najczęściej na linii północnego koła podbiegunowego np. Islandia, Laponia, północna Norwegia.

16 Powstawanie Powstawanie zjawiska związane jest z przepływem prądu w jonosferze (zjonizowanej warstwie atmosfery występującej powyżej 70-80km nad powierzchnią Ziemi) na wysokości około 100 km ponad powierzchnią Ziemi w obszarze przenikania pasów radiacyjnych i atmosfery ziemskiej. Zorze polarne powstają na skutek burz magnetycznych na Słońcu. Z powierzchni Słońca wyrzucane są wtedy ogromne ilości naładowanych cząstek (głównie protonów i elektronów) o wysokiej energii. Tworzą one tak zwany wiatr słoneczny. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w pobliże Ziemi, oddziałuje z polem magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego i w końcu zderzają się w pobliżu biegunów magnetycznych z cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które wracając do stanu podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła. To tylko uproszczony model powstawania zorzy. Rzeczywistość jest bardziej skomplikowana i naukowcy tworzą coraz to nowe modele tego zjawiska

17 Kolory zórz Rozróżnia się typy systematyczne zórz: pasma, łuki, kurtyny, promienie, korony i inne. Stwierdzono emisje w zakresie barwy zielonej, żółtej i czerwonej, a bardzo często białe. Kolor zjawiska jest skutkiem różnej intensywności linii emisyjnych. Kolor zorzy zależy również od określonego gazu. Na czerwono i na zielono świeci tlen, Azot świeci w kolorach purpury i bordo, Lżejsze gazy - wodór i hel - świecą w tonacji niebieskiej i fioletowej.

18 Tęcza Tęcza- zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego gdy Słońce oświetla krople wody w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła załamującego się i odbijającego się wewnątrz kropli wody (np. deszczu) o kształcie zbliżonym do kulistego. Rozszczepienie światła jest wynikiem zjawiska dyspersji, powodującego różnice w kącie załamania światła o różnej długości fali przy przejściu z powietrza do wody i z wody do powietrza. Światło widzialne jest widzialną częścią widma promieniowania elektromagnetycznego i w zależności od długości fali postrzegane jest w różnych barwach. Kiedy światło słoneczne przenika przez kropelki deszczu, woda rozprasza światło białe na składowe o różnych długościach fal (różnych barwach), i oko ludzkie postrzega łuk składający się z sześciu kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. To są właśnie kolory tęczy.

19

20 Tęcza główna Białe światło słoneczne będące mieszaniną fal o różnej długości (kolorze) wchodząc do kropli ulega załamaniu, kąt załamania zależy od długości fali świetlnej w wyniku czego dochodzi do rozszczepienia światła na barwne spektrum, następnie światło odbija się od przeciwległej strony kropli, a wychodząc powtórnie załamuje się, zwiększając rozszczepienie.

21 Tęcza wtórna i następne
Czasami można zaobserwować drugą (wtórną) tęczę, znajdującą się na zewnątrz tęczy właściwej. Tęcza wtórna tworzy łuk o kącie widzenia 50-53° i powstaje w wyniku dwukrotnego odbicia światła wewnątrz kropli wody. Ponieważ odbicie zachodzi dwukrotnie, a różnice w kącie rozproszenia światła w zależności od miejsca padania światła na kroplę są większe, tęcza wtórna jest mniej intensywna i szersza od tęczy pierwotnej. Trzecia (potrójna) tęcza może być zaobserwowana, jeśli spełnione są odpowiednie warunki takie jak optymalny kąt i intensywność padania promieni słonecznych, dobra widoczność itp. W niektórych przypadkach możliwe jest również występowanie tęczy poczwórnych, w których najbardziej zewnętrzny łuk jest niejednolity, a kolory ułożone w specyficzny, "pulsacyjny" sposób. Co ciekawe, tęcze tego typu występują po tej samej stronie nieba co Słońce, co czyni je trudnymi do dostrzeżenia z uwagi na intensywność światła samego Słońca.

22 Tęcza podwójna, ciemniejszy obszar pomiędzy nimi to pas Aleksandra.

23 Tęcza wielokrotna – dodatkowe "pulsacyjnie" zielono-fioletowe łuki wewnątrz tęczy pierwotnej (kontrast powiększono)

24 Promień Świetlny Promień świetlny to nieskończenie wąska wiązka światła. Jest to model używany do opisu rozchodzenia się światła w optyce geometrycznej. W ośrodku jednorodnym, tzn. takim, którego właściwości są jednakowe w każdym jego punkcie, promienie rozchodzą się po liniach prostych. Na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania ulegają odbiciu i załamaniu. Prawa opisujące rozchodzenie się promieni świetlnych: zasada Fermata prawo Snelliusa

25 Zasada Fermata Zasada Fermata w optyce jest szczególnym przypadkiem zasady najmniejszego działania. Zasadę tę sformułował Pierre de Fermat. Treść jej w ujęciu Fermata miała następujące brzmienie: Promień świetlny poruszający się (w dowolnym ośrodku) od punktu A do punktu B przebywa zawsze lokalnie minimalną drogę optyczną, czyli taką, na której przebycie potrzeba czasu najkrótszego. Obecnie wiadomo, że sformułowanie to nie jest ścisłe. Światło w istocie porusza się po takiej drodze optycznej, która jest stacjonarna, co oznacza, że czas jej pokonania nie zmienia się przy niewielkiej zmianie kierunku biegu promienia. W klasycznych zagadnieniach (załamanie, odbicie od płaskiej powierzchni) jest to droga pokonywana w minimalnym czasie. Ale w przypadku soczewkowania grawitacyjnego światło porusza się po drodze maksymalnej, podczas gdy przy odbiciu od zwierciadła eliptycznego droga promienia osiąga punkt siodłowy (zmiana w jednym kierunku powoduje wzrost czasu pokonania drogi a w kierunku prostopadłym do pierwszego – zmniejszenie).

26 Na podstawie zasady Fermata można wyprowadzić prawo odbicia i załamania.
Przykład: wyprowadzenie prawa załamania: Światło biegnie z punktu A do punktu B. Chcemy odnaleźć krzywą, po której się ono porusza. Załóżmy, że mamy dwa ośrodki optyczne o bezwzględnym współczynniku załamania n1 i n2 . Wtedy prędkość światła w każdym z tych ośrodków wynosi odpowiednio: Oznaczmy przez x punkt, w którym światło przechodzi przez granicę dwóch ośrodków (najszybszą drogą dotarcia do tego punktu w jednorodnym ośrodku jest linia prosta). Czas potrzebny na przebycie tej drogi to: gdzie a jest odległością między punktami A i B mierzoną w poziomie wzdłuż granicy ośrodków. Stacjonarność rozwiązania wymaga zerowania się pierwszej pochodnej czasu po x Zatem: a-jest odległością między punktami A i B mierzoną w poziomie wzdłuż granicy ośrodków n1- współczynnik załamania światła ośrodka pierwszego n2- współczynnik załamania światła ośrodka drugiego h- wysokość x- punkt, w którym światło przechodzi przez granicę dwóch ośrodków t- czas

27 Zasada Fermata

28 Prawo Snelliusa Prawo Snelliusa mówi, że promienie padający i załamany oraz prostopadła padania (normalna) leżą w jednej płaszczyźnie, a kąty spełniają zależność: gdzie: n1 – współczynnik załamania światła ośrodka pierwszego, n2 – współczynnik załamania światła ośrodka drugiego, n21 – względny współczynnik załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego, θ1 – kąt padania, kąt między promieniem padającym a normalną do powierzchni granicznej ośrodków, θ2 – kąt załamania, kąt między promieniem załamanym a normalną. Jeżeli światło przechodzi z ośrodka o mniejszym współczynniku załamania światła do ośrodka o współczynniku większym (np. powietrze-woda), tak jak na rysunku, to kąt załamania jest mniejszy od kąta padania. Jeżeli na odwrót (szkło-powietrze) – kąt załamania jest większy. Współczynnik załamania dla danego ośrodka rośnie wraz z gęstością , np. w atmosferze maleje wraz z wysokością. Dla różnych ośrodków tendencja ta jest na ogół również zachowana, ale nie jest regułą. Przykładem może być etanol, który ma mniejszą gęstość niż woda, ale większy współczynnik załamania.

29 Historia i zależności Historia
Choć za odkrywcę prawa na drodze doświadczalnej uznaje się Willebrorda Snella, to znaleziono zapisy świadczące, że prawo to było znane wcześniej. Opisane zostało w 1602 roku przez Thomasa Harriota, który jednak nie opublikował swoich wyników. Zależności Prawo to można wyprowadzić z zasady Fermata lub zasady Huygensa przy uwzględnieniu faktu, że światło rozchodzi się w różnych ośrodkach z różnymi prędkościami. Wówczas Prawo Snelliusa opisuje zależności geometryczne między kierunkami promieni w sposób kompletny tylko dla ośrodków jednorodnych. W ośrodkach anizotropowych promień świetlny może rozdzielać się na dwa promienie, zjawisko takie nazywane jest dwójłomnością. Wówczas kierunek tylko jednego z promieni (normalnego) daje się opisywać tym prawem, tj. tylko dla tego promienia stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest stały. Dla promienia anomalnego zależy on od kąta.

30 Zasada Snelliusa

31 Zjawisko odbicia i załamania światła
Współczynnik załamania ośrodka jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku w stosunku do prędkości w innym ośrodku (pewnym ośrodku odniesienia). Dokładniej jest on równy stosunkowi prędkości fazowej fali w ośrodku odniesienia do prędkości fazowej fali w danym ośrodku gdzie – prędkość fali w ośrodku, w którym fala rozchodzi się na początku, – prędkość fali w ośrodku, w którym rozchodzi się po załamaniu. Współczynnik załamania, jak sugeruje nazwa, istotny jest w zjawisku załamania, gdy fala rozchodząca się w ośrodku odniesienia pada na granicę z danym ośrodkiem i dalej rozchodzi się w tym ośrodku. Współczynnik ten wiąże się bezpośrednio z kątem padania i kątem załamania. Związek ten wyraża prawo Snelliusa α – kąt padania promienia fali na granicę ośrodków (kąt między kierunkiem promienia a normalną do powierzchni granicznej ośrodków), β – kąt załamania (kąt między kierunkiem promienia załamanego w danym ośrodku a normalną do powierzchni). 31

32 Kąt odbicia, kąt zawarty pomiędzy kierunkiem dalszego rozchodzenia się odbitej fali (lub cząstki), a normalną do odbijającej powierzchni. Kąt odbicia jest równy kątowi padania. Kąty: odbicia i padania leża w jednej płaszczyźnie. Współczynnik odbicia fali to stosunek natężenia fali odbitej do natężenia fali padającej          gdzie    - natężenie fali padającej,    - natężenie fali odbitej. W ogólnym przypadku współczynnik odbicia jest funkcją kąta padania i długości fali. Dla fali poprzecznej inny może być dla składowej równoległej do powierzchni odbijającej i inny dla składowej do niej prostopadłej.

33 Graficzne przedstawienie całkowitego odbicia wewnętrznego
Zjawisko załamania i odbicia kąta 33

34 Prezentację przygotowali:
Michał Biegański (lider grupy) Szymon Andrzejak Łukasz Bartsch Przemysław Cieluch Mateusz Cierpka Mateusz Gierz Marcin Leja Katarzyna Pałat Karolina Pławłucka Mikołaj Tomczak Alicja Sobczak Robert Śledzik Michał Walkowiak Opiekun grupy: Krystyna Chmielewska III Liceum Ogólnokształcące w Ostrowie Wielkopolskim

35 35