OPTIKA - NAUKA O SVĚTLE

Transkript

1 OPTIKA

2 OPTIKA - NAUKA O SVĚTLE - jeden z nejstarších oborů yziky - studium světla, zákonitostí jeho šíření a analýza dějů při vzájemném působení světla a látky SVĚTLO elektromagnetické vlnění λ = nm v lidském oku vyvolává vjem vidění šíří se vakuem rychlostí c =, m.s -1 (přesně deinována na 17. všeobecném kongresu o mírách a váhách 1983) MAXWELLOVA DUHA

3 RYCHLOST SVĚTLA Rychlost světla ve vakuu je největší mezní rychlost, kterou se mohou pohybovat hmotné objekty. velikost nezávisí na žádné jiné yzikální veličině univerzální yzikální konstanta Stanovení rychlosti světla: - nejprve astronomickou metodou Ole RØMER (1676) - pohyb Jupiterova měsíce Io - Io vchází a vychází z Jupiterova stínu v pravidelných intervalech -pokud je Jupiter nejblíže k Zemi: doba oběhu měsíce 4,5 hodiny - při vzdalování Jupiter a Země měsíc Io vycházel ze stínu Jupitera postupně stále později výstupnímu "signálu" trvalo déle než dosáhl Země - při přibližování planet byly vstupy měsíce Io do stínu Jupitera o něco častější Z Rømerova odhadu času a tehdejší nepřesné hodnoty astronomické jednotky vypočítal Christiaan Huygens rychlost světla asi km/s.

4 MĚŘENÍ V POZEMSKÝCH PODMÍNKÁCH počátek 17. století: GALILEO Galilei r Hippolyte FIZEAU světelný zdroj zrcadlo - paprsek světla namířen na zrcadlo - na cestě od zdroje světla k zrcadlu paprsek procházel ozubeným kolem se 100 zuby, které se otáčelo rekvencí 100 Hz -při změnách rychlosti otáčení pozoroval, kdy se světlo vrátí stejnou mezerou mezi zuby - při určité rychlosti rotace ozubeného kola projde paprsek směrem od zdroje jedním otvorem a při návratu otvorem následujícím pozorovatel ozubené kolo Montmartre - rychlost světla se dá vypočítat ze známé vzdálenosti zdroje a zrcadla, počtu otvorů (resp. zubů) na kole a rychlosti rotace Rychlost světla publikovaná Fizeauem byla km/s.

5 1. geometrická (paprsková) optika a otometrie: zákony záření založené na přímočarém šíření světla (platí v rozměrech velkých ve srovnání s vlnovou délkou), zobrazování optickými soustavami. vlnová optika: vlnové vlastnosti záření (disperze, intererence, dirakce, polarizace), jde-li o velké množství zářivé energie, při níž nepřihlížíme k její nespojitosti 3. kvantová optika: elementární vlastnosti záření (vznik a absorpci světla), otoelektrický jev, Comptonův rozptyl, rtg záření Foton -světelné kvantum (kvantum elektromagnetického záření)

6 ZÁKLADNÍ POJMY OPTIKY světelné zdroje: tělesa vyzařující světlo (přeměna energie v elektronových obalech atomů) optické prostředí: prostředí, kterými se může světlo šířit a která ovlivňují procházející světlo průhledné: nedochází k podstatnému pohlcení světla, světlo se průchodem nerozptýlí neprůhledné: většina světelné energie se pohlcuje nebo odráží průsvitné: světlo se při průchodu zčásti pravidelně rozptyluje opticky stejnorodé (homogenní): všude stejné optické vlastnosti rekvence světla: je určena zdrojem světla nezávisí na prostředí, kterým světlo prochází ázová rychlost světla: -rychlost šíření světla v libovolném prostředí -v optickém prostředí (kromě vakua) je rychlost světla v < c vlnová délka je kratší světla různých barev se v daném optickém prostředí šířírůznými rychlostmi

7 monorekvenční světlo (monochromatické): světlo mající určitou konstantní rekvenci vnímáme jako světlo určité barvy (základní: červená, modrá, zelená, doplňkové: žlutá, purpurová, azurová) složené světlo: -směs skládající se z jednoduchých monorekvenčních složek spadajících do určitého intervalu rekvencí bílé světlo: speciální případ složeného světla monorekvenční složky jsou zastoupeny z celého oboru rekvencí světla např. sluneční záření aditivní míchání barev subtraktivní míchání barev

8 vlnoplocha: plocha, v jejíchž jednotlivých bodech má kmitání stejnou ázi množina všech bodů prostředí (plocha), do kterých se vlnění rozšíří současně za stejný časový interval kulové a rovinné vlnoplochy světelný paprsek: čára probíhající kolmo k vlnoplochám tečna kpaprsku vurčitém místě vlnoplochy určuje směr dalšího postupu vlnění ve stejnorodých prostředích jsou paprsky přímočaré v nestejnorodých prostředích jsou paprsky křivočaré

9 GEOMETRICKÁ OPTIKA Zákon přímočarého šíření světla: ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře v rovnoběžných, rozbíhavých nebo sbíhavých svazcích světelných paprsků yzikální abstrakce při níž nepřihlížíme k ohybu světelného vlnění Zákon o vzájemné nezávislosti paprsků: - jestliže se paprsky navzájem protínají, neovlivňují se a postupují prostředím nezávisle jeden na druhém Geometrický stín: - u překážek, jejichž rozměry jsou nesrovnatelné s vlnovou délkou světla

10 INDEX LOMU PROSTŘEDÍ ABSOLUTNÍ: poměr rychlosti světla ve vakuu a v daném prostředí bezrozměrná veličina index lomu je vždy větší než 1 n = c v v v 1 = v c 1 c v = n n 1 RELATIVNÍ index lomu prostředí vzhledem k prostředí 1: n n 1 = n 1

11 ODRAZ A LOM SVĚTLA platí stejné zákony odvozené při výkladu mechanického vlnění vysvětlení dle Huygensova Fresnelova principu (mechanismus šíření vlnění prostorem) Dospěje-li vlnění do nějakého bodu prostoru, tento bod se stává zdrojem elementárního vlnění. "Výsledná vlnoplocha je obalovou plochou elementárních vlnoploch ve směru šíření vlnění."

12 ZÁKON ODRAZU (ZÁKON REFLEXE): - paprsek dopadající na rozhraní se odráží i láme π - úhel dopadu paprsku měříme vždy od kolmice dopadu α 0, rad α 1 α 1 α - rovina dopadu je určena dopadajícím paprskem a kolmicí dopadu odražený paprsek leží v rovině dopadu úhel odrazu nezávisí na rekvenci světla Úhel odrazu je roven úhlu dopadu. α 1 = α 1

13 I) Odraz na opticky hustším prostředí ( n > n 1 ): dochází ke změně áze odraženého paprsku o π rad (áze se mění na opačnou) II) Odraz na opticky řidším prostředí ( n 1 > n ): nedochází ke změně áze odraženého paprsku

14 SNELLŮV ZÁKON LOMU (ZÁKON REFRAKCE) - paprsek při průchodu optickým rozhraním mění svůj směr - úhel lomu je dán lomeným paprskem a kolmicí dopadu (normálou) rovina lomu splývá s rovinou dopadu α α 1 1 α sinα1 sinα = v 1 = v n n 1 n = α 1 sinα1 n sin v 1,v jsou rychlosti světla v 1. a. prostředí n1,n jsou indexy lomu 1. a. prostředí

15 A) LOM KE KOLMICI: -světlo se šíří z prostředí o menším indexu lomu do prostředí o větším indexu lomu n n 1 - zprostředí opticky řidšího do opticky hustšího - úhel lomu je menší než úhel dopadu α p α 1 α1 α1 α α Př.: při šíření světla ze vzduchu do skla

16 B) LOM OD KOLMICE: -světlo se šíří z prostředí o větším indexu lomu do prostředí o menším indexu lomu n p n1 zprostředí opticky hustšího do opticky řidšího úhel lomu je větší než úhel dopadu α α 1 α1 α1 α α Př.: při šíření světla ze skla do vzduchu

17 -je-li úhel lomu π α = 90 = rad -úhel dopadu nazýváme mezním úhlem - dochází k úplnému (totálnímu) odrazu TOTÁLNÍ ODRAZ α m α

18 ROZKLAD SVĚTLA (CHROMATICKÁ DISPERZE) rychlost šíření monorekvenčního světla závisí na prostředí, kterým světlo prochází rychlost šíření světla v látkách závisí na jeho vlnové délce čím větší je vlnová délka světla, tím rychleji se v látce šíří, tím menší je příslušný index lomu Závislost indexu lomu na vlnové délce charakterizuje pro daná prostředí disperzní křivka. Normální optické prostředí: index lomu s rostoucí vlnovou délkou klesá. λ λ č

19 -při šikmém dopadu paprsku bílého světla na rozhraní dvou prostředí se lomem od původního směru: - nejméně odchyluje červená barva - nejvíce se odchyluje ialová barva - dochází k rozkladu světla na jednotlivé barevné složky: ČERVENÁ ORANŽOVÁ ŽLUTÁ ZELENÁ MODRÁ INDIGOVÁ - FIALOVÁ

20 VZNIK DUHY

21 OPTICKÉ ZOBRAZENÍ - transormace předmětu na obraz pomocí optické soustavy - zanedbáváme částicový nebo vlnový charakter světla viditelná tělesa: zdroje světla nebo tělesa světlo odrážející (tzv. těleso svítící nebo osvětlené) přímé vidění: svazek světelných paprsků dopadá přímo do oka obraz tělesa: souhrn obrazů všech bodů pozorovaného tělesa a) skutečný (reálný) obraz: jsou-li paprsky po výstupu z optické soustavy sbíhavé, obraz lze zachytit na stínítku b) zdánlivý (virtuální) obraz: paprsky po výstupu z optické soustavy tvoří svazek rozbíhavý optické soustavy (oko, zrcadlo, čočka, lupa, mikroskop, dalekohled, otoaparát): slouží k vytváření obrazů předmětů body A, A, B, B sdružené body v optickém zobrazení

22 ZOBRAZENÍ ROVINNÝM ZRCADLEM zrcadlo: dokonale hladké rozhraní dvou optických prostředí vzniká zdánlivý (virtuální, neskutečný) obraz obraz stejně velký jako předmět, vzpřímený, stranově převrácený obraz nelze zachytit na projekční stěně předmětová a obrazová vzdálenost jsou stejné (předmět a obraz jsou sdružené podle roviny zrcadla)

23 ZOBRAZENÍ KULOVÝM ZRCADLEM kulové (sérické) zrcadlo: odrážející plocha je částí kulové plochy rovinné zrcadlo: kulové zrcadlo s nekonečně velkým poloměrem křivosti A) duté zrcadlo (konkávní): zobrazovací plocha je vnitřní částí povrchu koule kolektivní katoptrická soustava =r B) vypuklé zrcadlo (konvexní): zobrazovací plocha je vnější částí povrchu kulové plochy dispanzivní katoptrická soustava

24 ZÁKLADNÍ POJMY 1. střed zrcadla (střed křivosti) C. optická (centrální) osa zrcadla o 3. vrchol zrcadla V 4. osový bod 5. paraxiální paprsky 6. paraxiální prostor 7. ohnisko F 8. ohnisková rovina 9. ohnisková vzdálenost 10. předmětová vzdálenost a 11. obrazová vzdálenost a 1. poloměr křivosti R R

25 GEOMETRICKÁ KONSTRUKCE OBRAZU 3 význačné paprsky: 1) paprsek jdoucí rovnoběžně s optickou osou se odráží do ohniska ) paprsek procházející ohniskem se odráží rovnoběžně s optickou osou 3) paprsek jdoucí středem kulové plochy se vrací zpět DUTÉ ZRCADLO VYPUKLÉ ZRCADLO

26 ZOBRAZOVACÍ ROVNICE KULOVÉHO ZRCADLA 1 a 1 + = a Znaménková konvence pro a, a, 1 = R neboť = = jsou kladné, jsou-li před zrcadlem (na obr. vlevo) jsou záporné, nacházejí-li se za zrcadlem (na obr. vpravo) poměr výšky obrazu a vzoru: z podobnosti trojúhelníků: a a Z = = a PŘÍČNÉ ZVĚTŠENÍ KULOVÉHO ZRCADLA Z = = a y y R Znaménková konvence pro y, y jsou kladné, jsou-li nad optickou osou jsou záporné, nacházejí-li se pod optickou osou

27 Znaménková konvence pro Z Z kladné, obraz je přímý a zdánlivý Z záporné, obraz je převrácený a skutečný DUTÉ ZRCADLO - je-li Z =1, obraz je stejně velký jako předmět Z Z 1 p 1, obraz je zvětšený,obraz je zmenšený a = R a skutečný převrácený zmenšený a = = a p a R a = a 0 p a p skutečný převrácený stejně velký skutečný převrácený zvětšený neskutečný přímý zvětšený VYPUKLÉ ZRCADLO a 0 a p neskutečný přímý zmenšený

28 ČOČKA: ZOBRAZENÍ ČOČKAMI průhledné stejnorodé těleso ohraničené dvěma lámavými optickými plochami (kulové nebo rovinné) index lomu čočky musí být odlišný od indexu lomu okolního prostředí zobrazování založeno na Snellovu zákonu lomu na dvou rozhraních A) spojné čočky - paprsky původně rovnoběžné s optickou osou jsou sbíhavé (kolektivní) B) rozptylné čočky - paprsky původně rovnoběžné s optickou osou jsou rozbíhavé (dispanzivní) tenká čočka: - tloušťka d je zanedbatelná ve srovnání s ohniskovou vzdáleností

29 ZÁKLADNÍ POJMY: 1. středy optických ploch C 1, C. poloměry křivosti optických ploch r 1, r 3. optická osa, optický střed čočky O 4. vrcholy čočky V 1, V 5. tloušťka čočky (vzdálenost V 1, V ) 6. paraxiální prostor, paraxiální paprsky 7. F 1, F - ohnisko předmětové a obrazové 8. ohnisková rovina (předmětová a obrazová) 9. ohnisková vzdálenost, 10. předmětová vzdálenost a 11. obrazová vzdálenost a

30 Předmětové ohnisko F: bod ležící na optické ose, jehož obraz je v nekonečnu sdružené body (F, ) paprsky jdoucí tímto ohniskem se po lomu čočkou šíří rovnoběžně s optickou osou Obrazové ohnisko F : bod ležící na optické ose, jehož vzor je v nekonečnu sdružené body (, F ) tenká čočka: = paprsky jdoucí rovnoběžně s optickou osou se po průchodu čočkou lámou do tohoto ohniska A) před i za čočkou stejné prostředí: 1 = n n1 r1 r n1 je index lomu prostředí kolem čočky n je index lomu látky čočky B) tenká čočka ve vzduchu: 1 1 = n 1 r1 1 r ( ) + n je index lomu látky čočky

31 Znaménková konvence: spojné čočky: 0 rozptylné čočky: p 0 obrazové ohnisko leží v obrazovém prostoru obrazové ohnisko je v předmětovém prostoru OPTICKÁ MOHUTNOST ČOČKY: jednotka: m -1 = D (dioptrie) ϕ = 1 spojné čočky: ϕ 0 rozptylné čočky: ϕ p 0

32 Význačné paprsky: GEOMETRICKÁ KONSTRUKCE OBRAZU 1. paprsek rovnoběžný s optickou osou se láme do obrazového ohniska. paprsek procházející předmětovým ohniskem se láme rovnoběžně s optickou osou 3. paprsek jdoucí optickým středem čočky se neláme SPOJNÁ ČOČKA ROZPTYLNÁ ČOČKA

33 Znaménková konvence: a a 0 p 0 před čočkou (předmět v předmětovém prostoru) za čočkou (předmět v obrazovém prostoru) a 0 a p 0 za čočkou (obraz v obrazovém prostoru) před čočkou (obraz v předmětovém prostoru) Skutečný obraz: a 0 Virtuální obraz: a p 0 reálné obrazy se tvoří na opačné straněčočky virtuální obrazy na téže straněčočky, jako se nachází předmět PŘÍČNÉ ZVĚTŠENÍ ČOČKY: Z = y y a = a a = = a ZOBRAZOVACÍ ROVNICE ČOČKY: 1 a + 1 a = 1

34 Z Z 0 p 0 obraz je přímý a zdánlivý obraz je převrácený a skutečný Z = 1 obraz je stejně velký jako předmět Z Z 1 p1 obraz je zvětšený obraz je zmenšený SPOJNÁ ČOČKA a a skutečný převrácený zmenšený a = a = skutečný převrácený stejně velký a a skutečný převrácený zvětšený a p 0 p a p neskutečný přímý zvětšený ROZPTYLNÁ ČOČKA a 0 a p neskutečný přímý zmenšený

35 OKO JAKO OPTICKÁ SOUSTAVA spojná optická soustava rohovka, zornice (clona), oční mok, čočka, sklivec, sítnice oční čočka dvojvypuklá spojka sproměnným indexem lomu (od povrchu čočky dovnitř se zvětšuje) obraz se tvoří na sítnici: skutečný, zmenšený, převrácený citlivost sítnice asi 104krát větší než citlivost čipu digitální kamery Akomodace: Blízký bod: Daleký bod: - schopnost oka měnit optickou mohutnost čočky - ostré vidění předmětů vrůzných vzdálenostech - nejbližší bod, který se ještě zobrazí na sítnici ostře (při největším zakřivení čočky) - oku nejvzdálenější bod, který oko vidí ostře bez akomodace - u zdravého oka je v nekonečnu

36 Konvenční zraková vzdálenost: oko se nejvíce unaví při pozorování předmětů v okolí blízkého bodu (největší akomodace) bez větší únavy lze sledovat předměty v konvenční zrakové vzdálenosti dohodou stanoveno 5 cm Normální oko: - vytváří na sítnici ostrý obraz všech předmětů mezi blízkým a dalekým bodem Krátkozraké oko: - obraz velmi vzdáleného bodu vytváří před sítnicí - korekce rozptylnými brýlemi Dalekozraké oko: - obraz velmi vzdáleného bodu se vytváří za sítnicí - korekce spojnými brýlemi

37 Zorný úhel: -úhel, který spolu svírají paprsky jdoucí optickým středem oční čočky a okraji pozorovaného předmětu -rozlišovací schopnost oko rozliší dva předměty (body), když je vidí pod zorným úhlem 1 - pro zorné úhly < 1 vnímá dva body jako jeden zvětšení zorného úhlu (lupa, mikroskop)

38 LUPA spojná čočka (soustava čoček) ohnisková vzdálenost menší než konvenční zraková vzdálenost vytvoří obraz neskutečný, zvětšený, přímý v konvenční zrakové vzdálenosti ÚHLOVÉ ZVĚTŠENÍ: - zvětšení zorného úhlu τ na úhel τ - jsou-li tyto úhly malé: γ d a τ γ = τ 5 cm = a... a je vzdálenost předmětu od lupy předmět umisťujeme do ohniska: nebo mezi lupu a ohnisko: a = a p

39 MIKROSKOP Optický přístroj s objektivem a okulárem: ohnisková vzdálenost objektivu je menší než u okuláru zvětšení zorného úhlu optické osy objektivu a okuláru splývají obraz je zvětšený, neskutečný, převrácený Úhlové zvětšení mikroskopu: -součin úhlového zvětšení objektivu a okuláru (lupy): γ m = ob d ok je tzv. optický interval mikroskopu (vzdálenost obrazového ohniska okuláru a předmětového ohniska objektivu)