optika0 Světlo jako vlna

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "optika0 Světlo jako vlna"

Martina Urbanová
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 optika0 Světlo jako vlna Spor o postatě světla se přenesl z oblasti filozofických úvah o reality koncem 17. století. Vlnovou teorii světla uveřejnil v knize Pojenání o světle (190) holanský fyziky Christiaan Huygens. Své přesvěčení, že světlo tvoří vlny, založil na jenouché otázce: Poku by světlo tvořily třeba malinké letící částice, jak vysvětlit některé optické jevy, které příroověci už řau let popisovali? Christiaan Huygens byl sice slavným věcem, ale jeho činnost byla přece jen ve stínu jeho současníka Isaaca Newtona ( ). Ten ve svém spisu Optika (úplný název: Optics or a Treatise of Reflections, Refractions, Inflections an Colours of Light,1704) přeložil vlastní teorii světla. Tvril, že postatou světla je prou částic. Newtonův věhlas byl již v té obě tak ohromný, že většina věců považovala jeho částicovou (korpuskulární) teorii světla za správnou, ba co víc, záhy se stala nezpochybnitelnou až o objevu interference světla. K rozhoujícím pokusům, jež nám pomohly vybrat správný z obou názorů na charakter světla, jsme se ostali již při pokusech se zvukem. Při skláání vou stejných zvuků z vojice reprouktorů jsme viěli (vlastně slyšeli), že v některých místech ošlo k zeslabení zvuku, tzv. estruktivní interferenci. Tehy jsme se ozvěěli, že: Destruktivní interference je ěj typický pro všechny ruhy vlnění. Jestli je tey světlo prouem částic, mělo by se světlo ze vou zrojů vžy zesílit. Poku je světlo vlněním, mohlo by něke ocházet k estruktivní interferenci. Problém při pokusu se světlem spočívá v tom, že neokážeme vytvořit va světelné zroje vysílající zcela shoné světelné vlny. Řešení, které jste sami našli, spočívalo v tom, že jsme světlo z jenoho zroje rozělili. Na olních obrázcích jsou schematicky zachyceny va pokusy, jimiž se nám to poařilo. Třetím pokusem, který jsme proveli, bylo orážení světla soíkové výbojky na pření a zaní stěně tenoulinké slíové estičky. I ze jsme viěli, že oražené světelné vlny se v některých místech zesílily, v jiných místech zeslabily.

Své přesvěčení, že světlo tvoří vlny, založil na jenouché otázce: Poku by světlo tvořily třeba malinké letící částice, jak vysvětlit některé optické jevy, které příroověci už řau let popisovali?

2 Vlnová élka světla Pokus s průchoem světla vojštěrbinou nám umožnil alespoň hrubě určit vlnovou élku c T světla laseru, jenž jsme použili. Na obrázku je schematický obrázek naší sestavy (pro názornost je velmi zkreslen). Již víme, že v místě, ke je maximum 1. řáu, je rozíl vzáleností o obou zrojů (ze štěrbin) právě jena vlnová élka. Stačí tey oečíst o přepony zeleného pravoúhlého trojúhelníka přeponu morého pravoúhlého trojúhelníka a máme hrubý oha vlnové élky světla laseru. 0, m 0, m m Viíme, že vlnová élka červeného světla laseru je velmi malá ve srovnání s vlnovými élkami zvuku. Přitom je o světlo červené barvy, které (jak uviíme) světlo ostatních barev svou vlnovou élkou převyšuje. Světelné vlny jsou elektromagnetické. To znamená, že se o zrojů šíří změna elektrického a magnetického pole, aniž by přitom byla nezbytná látka, jejíž částečky by nějak kmitaly. Stojí sna za připomenutí, že v počátečních úvahách o světelných vlnách byl takový nositel vln ve vakuu přepokláán (tzv. světelný éter). Elektromagnetické vlny, jež vnímáme zrakem viitelné světlo, přestavuje v celém oboru elektromagnetických vln jen nepatrný žďabínek, který je na olním obrázku značně roztažený. Přehlené spektrum všech elektromagnetických vln hrubě ukazuje horní část obrázku.

Stačí tey oečíst o přepony zeleného pravoúhlého trojúhelníka přeponu morého pravoúhlého trojúhelníka a máme hrubý oha vlnové élky světla laseru.

3 Světlo se šíří ve vakuu rychlostí (označení c ) c 3 10 m/s. Je o maximální rychlost, jíž nemůže žáný objekt osáhnout. V látkách je rychlost světla vžy menší než ve vakuu. Příklay rychlostí světla v několika látkách uváí tabulka. látka vzuch le voa glycerol sůl sklo iamant rychlost světla (m/s) 2, , , , , , až 1,9 10-1, Rozkla světla mřížkou Optická mřížka je soustava velkého počtu stejně širokých rovnoběžných štěrbin v malé vzálenosti o sebe. Na obrázku je pro názornost vzálenost štěrbin tisícinásobně zvětšena. Kvalitní mřížky mají stovky štěrbin na jenom milimetru. Kyž mřížku osvětlíme rovnoběžnými svazkem světla laseru, oje k interferenci světelných vln procházejících štěrbinami poobně jako na vojštěrbině. Na stínítku zachycená maxima jsou velmi ostrá a jsou o sebe vzálena tím více, čím jsou štěrbiny mřížky blíž u sebe. Při opau bílého světla na optickou mřížku je nulté maximum bílé, protože je pro všechny složky světla společné. V alších interferenčních maximech vzniká rozkla světla. Vznikající maxima vyšších řáů jsou symetricky rozložena o nultého maxima. Na obrázku je zachyceno maximum nultého řáu a maxima 1. řáu světla žárovky rozloženého mřížkou, která měla 500 štěrbin na 1 mm ( m). Pokusme se najít pomínku pro směr α, v němž jsou o půvoního směru ochýlena maxima jenotlivých barev. Buou to směry, ve kterých je ráhový rozíl jena (nebo několik) vlnových élek. Z obrázku je viět, že pro úhel α v trojúhelníku ABC platí: sin α sin α je vzálenost štěrbin mřížky (tzv. mřížková konstanta) vlnová élka světla α ochýlení max.1. řáu o směru opaajícího světla

látka vzuch le voa glycerol sůl sklo iamant rychlost světla (m/s) 2,99 10-2,30 10-2,25 10-2,05 10-1,95 10-1, až 1,9 10-1,24 10 - Rozkla světla mřížkou Optická mřížka je soustava velkého počtu stejně

4 Z uveeného vztahu je viět, ve shoě s pokusem, že nejméně ochýlené světlo je fialové má nejmenší vlnovou élku. Červené světlo je ochýleno nejvíce, jeho vlnová élka je největší. Pro směry maxim 2., 3. a vyšších řáů je výslený vzorec obobný: sin α n, ke n je celé číslo. Pokus, jejž jsme proveli, nám umožnil hrubě ověřit interval vlnových élek o fialového po červené světlo žárovičky. Na tabuli vytvořila mřížka (vzálená 7,5 m o tabule), která měla 500 štěrbin na 1 mm ( m), spektrum (1. řáu) tak, že červený okraj byl vzálen o nultého maxima 145 cm, fialový okraj spektra byl vzálen 25 cm. Pomocí funkce tg α ochylka : vzálenost o mřížky nám vychází pro ochýlení: tg α FIALOVE 0,197 α FIALOVE 11 O, otu sin α FIALOVE 0,19 a pro FIALOVE 400 nm. tg α CERVENE 0,30 α CERVENE 21 O, otu sin α CERVENE 0,3 a pro α CERVENE 700 nm. Výsleky jsou v obré shoě s úaji z tabulek. Se sklááním světelných vln si můžete pohrát v appletu coloraské university na arese: Úlohy 1. K orientačním honotám vlnových élek různých elektromagnetických vln vypočtěte frekvence a perioy kmitů. Zaokrouhlujte na 1 platnou cifru. vlnová élka 0,01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 mm 1 cm 1 m 1 km perioa (s) frekvence (Hz) Uveďte typ elektromagnetické vlny, jež a) může způsobit fluorescenci b) se ohýbá kolem kopců c) se používá v raaru ) prochází kovy e) je vyávána horkými látkami f) je vnímána okem 3. Jaká je vlnová élka elektromagnetických vln, která se používá pro přenos rozhlasového signálu stanice o frekvenci 100 MHz? Řešení: c / f 3 10 / m 3 m 4. Buíky a náramkové hoinky řízené ráiem se říí louhovlnným signálem z Meinflingenu u Frankfurtu na Mohanem. O kolik se liší úaj na takových hoinkách v Praze o správného času? (Meinflingen Praha 30 km) Řešení: 3 Δs m Δt 0,0012 s 1,2 ms, zpožění je zanebatelné c 3 10 m/s 5. Vložíme-li o mikrovlnné trouby, z níž jsme vynali otáčecí talíř, několik plátků trustového chleba a na několik minut troubu zapneme, objeví se na chlebu spálená místa v oblastech intenzivního ohřevu. Jsou to místa, ke byly kmitny stojatého elektromagnetického vlnění, které v mikrovlnce vzniká. Změřením vzáleností spálenin můžeme ohanout vlnovou élku a frekvenci f, na níž mikrovlnka pracuje.

Na tabuli vytvořila mřížka (vzálená 7,5 m o tabule), která měla 500 štěrbin na 1 mm ( 2 10 - m), spektrum (1.

5 Řešení: 2 0,05 m f c m/s 0,13m 2, 3 10 Hz 2,3GHz. Vypočítejte úhlovou šířku Δα α CERVENE - α FIALOVE spektra v maximu 2. řáu, vytvořeného mřížkou, která měla 250 štěrbin na 1 mm. Použijte známé honoty vlnových élek okrajů viitelného spektra. Řešení: sinα sinα 2 CERVENE CERVENE 0,35 α CERVENE FIALOVE FIALOVE 0,20 α FIALOVE 4 10 Δα α CERVENE - α FIALOVE 9 O Úhlová šířka spektra 2. řáu je v tomto přípaě 9 stupňů.. Ukažte, že se v přecházejícím přípaě ) překrývá červený okraj spektra 2. řáu s fialovým okrajem spektra 3. řáu. Řešení: Vypočtěte sin α FIALOVE pro n 3 a sin α CERVENE pro n 2 a porovnejte úhly α FIALOVE. s α CERVENE. 11,5 20,5 o o

Řešení: sinα sinα 2 CERVENE 1400 10 CERVENE 0,35 α CERVENE 2 4 10 FIALOVE 00 10 FIALOVE 0,20 α FIALOVE 4 10 Δα α CERVENE - α FIALOVE 9 O Úhlová šířka spektra 2.

Podobné dokumenty

Vypracoval Datum Hodnocení. V celé úloze jsme používali He-Ne laser s vlnovou délkou λ = 632, 8 nm. Paprsek jsme nasměrovali

Vypracoval Datum Hodnocení. V celé úloze jsme používali He-Ne laser s vlnovou délkou λ = 632, 8 nm. Paprsek jsme nasměrovali Název a číslo úlohy - Difrakce světelného záření Datum měření 3.. 011 Měření proveli Tomáš Zikmun, Jakub Kákona Vypracoval Tomáš Zikmun Datum. 3. 011 Honocení 1 Difrakční obrazce V celé úloze jsme používali