Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia)

2. Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Sulechowie • ID grupy: • 97/55_MF_G1 • Kompetencja: • MATEMATYKA I FIZYKA • Temat projektowy: • Zjawiska optyczne (świetlne) w atmosferze • Semestr/rok szkolny: • Semestr I, rok szkolny 2009/2010

3. Co nazywamy światłem? • Światło - 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 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm. 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.

4. Prawo załamania światła • Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania, zwany współczynnikiem załamania n ośrodka drugiego względem pierwszego, jest równy stosunkowi prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku pierwszym do prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku drugim. w obu ośrodkach. Promień fali padającej, promień fali załamanej i prosta prostopadła (normalna) do granicy ośrodków leżą w jednej płaszczyźnie.

5. Światło musi pokonać drogę BC w jednymośrodku w tym samym czasie, co drogę AD w drugim ośrodku.

6. Słownie prawo załamania można sformułować następująco: • 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.

7. Wzór prawa załamania – postać 2 Sformułowanie słowne: Stosunek sinusa kąta padania, do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka do którego przechodzi fala, do bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka, z którego fala pada na powierzchnię rozgraniczającą oba ośrodki.

8. Wzór prawa załamania – postać 3 n1 – bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 1n2 – bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 2n12 – współczynnik załamania (względny) ośrodka 2 względem ośrodka 1 Warto zwrócić uwagę na fakt, że względny współczynnik załamania czyta się od tyłu:– jest to współczynnik załamania ośrodka drugiego (do którego wchodzi światło) względem ośrodka pierwszego (z którego przychodzi światło).

9. Prawo odbicia światła • 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= α . Dzięki zjawisku odbicia widzimy nasze otoczenie. Wszystkie przedmioty odbijają światło, które trafia do naszych oczu z informacją o wyglądzie tych ciał.

10. Wyprowadzenie prawa odbicia geometrycznie: Odcinki BC i AD muszą być przebyte w tym samym czasie, więc:

11. Zjawisko falowe • Zjawisko falowe – polega na przekazaniu energii drgań między cząsteczkami. Okresem fali – nazywamy okres drgań cząsteczek. Długość fali – to droga jaką przebywa fala w ciągu jednego okresu drgań cząsteczek. Prędkość fali – to szybkość przekazywania drgań pomiędzy cząsteczkami ośrodka. Opisać falę – tzn. podać równanie za pomocą którego można wyznaczyć położenie dowolnej cząsteczki ośrodka w dowolnej części czasu. Zjawisko Dopplera – jeżeli źródło i obserwator poruszają się względem siebie to obserwator rejestruje inne częstotliwości niż częstość z którą źródło wytwarza.

12. Dyfrakcja • Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali. • Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych. • Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

15. Jeżeli odległość między warstwami jest stała, kolejne maksima fali można opisać zależnością: gdzie: d – stała siatki, θ – kąt od osi wiązki światła, λ – długość fali, n – przyjmuje wartości całkowite dodatnie od 1,2,3,...

16. Dla pojedynczej szczeliny jasność w funkcji kąta odchylenia od osi przyjmuje postać: gdzie: I – intensywność światła, I0 – intensywność światła w maksimum, czyli dla kąta równego 0, λ – długość fali, d – szerokość szczeliny, funkcja sinc(x) = sin(x)/x.

17. Interferencja • Interferencja - to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. W ośrodkach nieliniowych oprócz interferencji zachodzą też inne zjawiska wywołane nakładaniem się fal, w ośrodkach liniowych fale ulegając interferencji spełniają zasadę superpozycji.

18. Interferencja a odbicie fali • Jeżeli fala rozchodzi się w ośrodku rzadkim i odbije od gęstego, to zmienia fazę na przeciwną (do drogi optycznej dodaje się ). Jeśli natomiast rozchodzi się w gęstym i odbija od rzadkiego, to faza pozostaje bez zmian (nie zmienia się na przeciwną).

19. Praktyczne zastosowania interferencji • Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. Światło lasera można podzielić kostką światłodzielącą na dwie wiązki. Jedną z nich umieszcza się na mierzonym odcinku, a drugą wprowadza do detektora jako wiązkę odniesienia. W efekcie rejestrowane natężenie światła będzie rosnąć i maleć cyklicznie w miarę zwiększania długości odcinka. Długość fali może stać się wzorcem odległości, np. metra, co wykorzystuje interferometr laserowy.

22. Polaryzacja • Polaryzacja – własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach. • W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa przestrzeń lub struna.

24. Zwierciadło optyczne • Zwierciadło optyczne, lustro – gładka powierzchnia o nierównościach mniejszych niż długość fali świetlnej. Z tego względu zwierciadło w minimalnym stopniu rozprasza światło, odbijając większą jego część. Dawniej zwierciadła wykonywano poprzez polerowanie metalu, później została opanowana technologia nakładania na taflę szklaną cienkiej warstwy metalicznej (zwykle srebra) metodami chemicznymi. Obecnie lustra produkuje się poprzez próżniowe naparowanie na szkło cienkiej warstwy metalu (najczęściej glinu).

25. Rodzaje zwierciadeł • Ze względu na kształt powierzchni, zwierciadła dzieli się na: • płaskie • wklęsłe (skupiające) • wypukłe (rozpraszające) • Ze względu na rodzaj krzywizny zwierciadła wklęsłe i wypukłe dzieli się na: • sferyczne/kuliste • cylindryczne • paraboliczne (paraboloidalne) • hiperboliczne (hiperboloidalne) • inne (o powierzchni opisanej równaniami wyższego rzędu lub nieregularnej)

26. Zwierciadło płaskie x - odległość przedmiotu od zwierciadła y - odległość obrazu od zwierciadła W zwierciadle płaskim powstaje obraz pozorny, to znaczy, że powstał w wyniku przecięcia się przedłużeń promieni odbitych.

27. Zwierciadło kuliste wklęsłe O - środek krzywizny, czyli środek kuli, z której zwierciadło zostało wycięte r - promień krzywizny, czyli promień kuli, z której zwierciadło zostało wycięte F - ognisko zwierciadła, czyli punkt przecięcia promieni odbitych f - ogniskowa zwierciadła, czyli odległość ogniska od zwierciadła

28. Zwierciadło kuliste wypukłe Zwierciadło wypukłe ma ognisko pozorne.

29. Obrazy w zwierciadłach • zwierciadło wklęsłe Obraz: rzeczywisty, pomniejszony, odwrócony Obraz: rzeczywisty, odwrócony, tej samej wielkości

30. Obraz: rzeczywisty, odwrócony, powiększony Obraz nie powstaje Obraz: pozorny, powiększony, prosty

31. Obrazy w zwierciadłach • zwierciadło wypukłe Obraz: pozorny, pomniejszony, prosty

32. Soczewki Najczęściej są stosowane soczewki sferyczne, ograniczone powierzchniami kulistymi. Soczewki dzielimy na: wklęsłe wypukłe

33. Soczewka skupiająca Wiązka promieni przy osiach optycznych biegnąca równolegle do głównej osi optycznej, po dwukrotnym załamaniu skupia się w jednym punkcie, zwanym ogniskiem soczewki. Soczewkę skupiającą oznacza się schematycznie:

34. Soczewka rozpraszająca Wiązka promieni przy osiach biegnąca równolegle do głównej osi optycznej, po dwukrotnym załamaniu rozbiega się, ale przedłużenia promieni wychodzących z soczewki skupiają się w jednym punkcie, który jest pozornym ogniskiem soczewki. Soczewkę rozpraszającą oznacza się schematycznie:

35. Obrazy w soczewkach soczewka skupiająca Obraz: rzeczywisty, pomniejszony, odwrócony Obraz: rzeczywisty, odwrócony, tej samej wielkości

36. Obraz: rzeczywisty, odwrócony, powiększony Obraz nie powstaje

37. Obraz: pozorny, powiększony, prosty

38. Soczewka rozpraszająca Obraz: pozorny, pomniejszony, prosty

39. Aberracja chromatyczna • Aberracja chromatyczna, chromatyzm – cecha soczewki lub układu optycznego, wynikająca z różnych odległości ogniskowania (ze względu na różną wartość współczynnika załamania) dla poszczególnych barw widmowych światła (różnych długości fali światła). W rezultacie występuje rozszczepienie światła, które widoczne jest na granicach kontrastowych obszarów pod postacią kolorowej obwódki (zobacz zdjęcie obok). • 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.

40. Powstawanie aberracji chromatycznej i korekta

42. Aberracja sferyczna • Aberracja sferyczna - cecha soczewki, układu optycznego, obiektywu lub zwierciadła sferycznego, polegająca na odmiennych długościach ogniskowania promieni świetlnych ze względu na ich położenie pomiędzy środkiem a brzegiem urządzenia optycznego - im bardziej punkt przejścia światła zbliża się ku brzegowi urządzenia (czyli oddala od jego osi optycznej), tym bardziej uginają się promienie świetlne. • W modelu nieskończenie cienkiej soczewki pomija się jej grubość. W takim wypadku wszystkie padające na nią promienie, niezależnie od ich odległości od osi optycznej, skupiają się w jednym punkcie (w przypadku soczewki rozpraszającej - mają ognisko pozorne w jednym punkcie). Natomiast każda rzeczywista soczewka, której powierzchnie są sferami, ma skończoną grubość, dlatego występuje w niej aberracja sferyczna, zależna od rozmiarów soczewki i materiału, z którego jest wykonana. • Efektem tego rodzaju aberracji jest spadek ostrości obrazu w całym polu widzenia. • Aberracja sferyczna jest jedną z aberracji optycznych.

43. Schemat powstawania aberracji sferycznej

45. Przyrząd optyczny • Przyrząd optyczny, urządzenie 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.

46. Rodzaje przyrządów optycznych Aparat fotograficzny Camera obscura Diaskop Epidiaskop Episkop Grafoskop Lorneta Teleskop

47. Lupa Kamerafilmowa Mikroskop Monokl Okulary Peryskop Powiększalnik Projektor

48. Reflektor Rzutnikprzezroczy Zwierciadło optyczne

49. Zorza polarna • Zorza polarna – zjawisko świetlne obserwowane na wysokich szerokościach geograficznych, występuje głównie za kołem podbiegunowym, chociaż w sprzyjających warunkach bywa widoczna nawet w okolicach 50. równoleżnika. Zdarza się, że zorze polarne obserwowane są nawet w krajach śródziemnomorskich. 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, natomiast azot świeci w kolorach purpury i bordo. Lżejsze gazy - wodór i hel - świecą w tonacji niebieskiej i fioletowej.