1. Podstata světla Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm. Vznik elektromagnetických vln (záření): 1. při pohybu elektricky nabitých částic s nenulovým zrychlením (např. televizní vlny, rádiové vlny, tepelné záření), 2. při změnách ve vnitřní struktuře jednotlivých atomů a molekul (např. gama záření). Rozklad bílého světla Světlo různých vlnových délek vyvolává u člověka zrakový vjem, který charakterizujeme jako barvu světla. Nejkratší vlnové délce (390nm) odpovídá barva fialová a nejdelší vlnové délce (770 nm) odpovídá barva červená. (obrázek 1) Obrázek 1 Oko je různě citlivé na různé barvy. Například na žlutozelenou je lidské oko nejcitlivější (550 nm) tedy zhruba uprostřed spektra. Světlo z různých světelných zdrojů, ale nepovažujeme za barevné, nazýváme ho bíle světlo. Bíle světlo je složením všech vlnových délek světla. Důkaz tohoto jevu je rozklad světla na skleněném hranolu (obrázek 2) nebo rozklad světla na vodních kapkách duha (obrázek 3, obrázek 4) Obrázek 2 Obrázek 3 Obrázek 4
Bíle světlo můžeme získat i smícháním menšího množství barev například u televizní obrazovky mícháme pouze červenou, zelenou a modrou barvu (RGB Red Green Blue) (obrázek 5). Obrázek 5 Rychlost světla: Je důležitou charakteristikou světelné vlny, která se šíří prostorem. Ve vakuu je rychlost šíření veškerého elektromagnetického záření (tedy i světla) konstantní. Značení a velikost: Rychlost světla ve vakuu je fyzikální konstanta je to největší rychlost, které lze dosáhnout. V látkovém prostředí je ovšem rychlost světla menší. vzduch : voda : sklo : S rychlostí světla se mění i vlnová délka, frekvence se ovšem s přechodem prostředí nemění. Nemění se ani barva světla: kde je frekvence, rychlost světla a je vlnová délka. Příklady k procvičení: 1. Určete frekvenci, která odpovídá fialovému a červenému světlu ve vakuu. 2. Určete frekvenci, která odpovídá fialovému a červenému světlu ve vodě. 3. Určete přibližnou hodnotu světelného roku ( light year). Světelný rok je vzdálenost, kterou urazí světlo za jeden rok. Jedná se o jednotku délky využívanou v astronomii. 4. Určete dobu, za kterou doletí světlo ze Slunce na Zemi. Střední vzdálenost Slunce a Země je přibližně 150.10 6 km.
2. Šíření světla To jak se světlo šíří, je dáno prostředím. Následující příklady ukazují rozdílnosti optických prostředí: Okenní tabulí projde světlo beze změny Barevným filtrem projde jen určitá vlnová délka, zbylé se pohltí. Nastává jev známy jako absorpce světla. Matné sklo mění náhodně směr šíření světla. Nastává jen známy jako rozptyl světla. Zrcadlo také mění směr šíření, ale jím světlo neprochází. Nastává jev známý jako odraz světla. Optické prostředí dělíme na: 1. Průhledné světlo projde a nedochází na něm k rozptylu světla (klidná voda, čiré sklo ). 2. Průsvitné světlo projde a dochází na něm k rozptylu světla (matné sklo, proudící voda, ). 3. Neprůhledné světlo se v něm silně pohlcuje nebo odráží (kov, dřevo, ). Pokud má optické prostředí kdekoliv ve svém objemu stejné optické vlastnosti (například sklo nemá žádné vady) nazýváme ho opticky homogenní prostředí neboli stejnorodé. Světlo se v homogenním prostředí šíří všemi směry stejně. Ve zdroji světla vzniká světelné vlnění a to se šíří ve vlnoplochách směrem od zdroje. Pokud můžeme rozměry zdroje zanedbat vzhledem ke vzdálenosti šíření, mluvíme o bodovém zdroji světla. Vlnoplochy mají v tomto případě tvar soustředných koulí. Ve velké vzdálenosti od zdroje můžeme čísti kulové plochy považovat za rovinné plochy. Obrázek 6 Směr šíření světla ve stejnorodém optickém prostředí udávají přímky kolmé na vlnoplochu, které se nazývají světelné paprsky (obrázek 6). Ve stejnorodém prostředí se světlo šíří přímočaře.
3. Jevy na rozhraní dvou prostředí Odraz světla: Světelný paprsek dopadá na rozhraní pod úhlem dopadu, který paprsek svírá s kolmicí dopadu, vztyčenou v místě dopadu na rozhraní dvou optických prostředí. Paprsek dopadajícího světla a kolmice dopadu leží v rovině, kterou nazýváme rovina dopadu (obrázek 7). Odražené světlo se šíří od rozhraní ve směru určeném odraženým paprskem. Ten svírá s kolmicí dopadu úhel odrazu. Obrázek 7 Zákon odrazu světla: Velikost úhlu odrazu se rovná velikosti úhlu dopadu : Lom světla Lom světla nastává na rozhraní dvou optických prostředí, přičemž světla druhým prostředí může procházet. Příčinou tohoto fyzikálního jevu je různá rychlost světla v různých optických prostředích. Prochází-li tedy světelný paprsek z prvního prostředí kde se šíří rychlostí do druhého prostředí, kde se šíří rychlostí. Poměr těchto rychlostí je u těchto dvou prostředí stejný a jedná se tedy o látkovou konstantu. Tento poměr nazýváme index lomu. Vzhledem k tomu, že index lomu je poměr dvou rychlostí jedná se o bezrozměrnou veličinu. Index lomu: Nejčastěji se budeme setkávat s případem, že prvním prostředím je vzduch, kde se světlo šíří rychlostí a libovolné druhé prostředí, kde rychlost šíření je. Tedy index lomu vždy závisí na volbě dvojice optických prostředí. Například rozhraní vzduch-voda má index lomu 1,33. Když má světlo v jednom prostředí větší rychlost než v druhém, je první prostředí vzhledem k druhému opticky řidší a druhé vzhledem k prvnímu opticky hustší.
Paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí pod úhlem dopadu tam se láme a prochází do druhého prostředí pod úhlem lomu. Zákon lomu Poměr sinus úhlu dopadu k sinu úhlu lomu je pro dvě daná prostředí veličina stálá a rovná se poměru rychlostí světla v obou prostředích. Lomený paprsek zůstává v rovině dopadu (obrázek 8). Obrázek 8 Pokud je úhel lomu menší než úhel dopadu říkáme, že nastal lom ke kolmici (obrázek 9). Pokud je úhel lomu větší než úhel dopadu říkáme, že nastal lom od kolmice (obrázek 10). Obrázek 9 Obrázek 10 Podle zákonu lomu můžeme tedy usoudit, že pokud světlo přechází do opticky hustšího prostředí, nastane vždy lom ke kolmici. A pokud světlo přechází do opticky řidšího prostředí, nastane vždy lom od kolmice. Úplný odraz Jedná se o speciální případ při přechodu světla z opticky hustšího prostředí do opticky řidšího (například ze skla do vzduchu). Světlo se tady láme od kolmice a při určitém úhlu dopadu dosáhne úhel lomu maximální hodnoty tedy 90. Pokud bude úhel dopadu větší, už nenastává lom světla, ale nastává odraz. (obrázek 11) Obrázek 11 Tento jev má důležité technické využití. Nejčastěji se s ním setkáváme u optického vedení, refraktometrů (přístroj na měření indexu lomu), odrazné hranoly různých optických přístrojů jako jsou dalekohledy, fotoaparáty a podobně.
4. Zobrazení zrcadlem Zrcadlo obecně označujeme za optický prvek, na kterém dochází k odrazu světla. Jevy na na rozhraní zrcadla se tedy řídí zákonem o odrazu světla. Neuvažujeme s vlnovým charakterem světla, ale využíváme k popisu pouze paprskovou optiku. Rovinné zrcadlo Nejjednodušší optický prvek je rovinné zrcadlo. Jedná se o lesklou rovnou plochu. Takovéto zrcadlo je naprosto běžné a každý z nás se s ním často setkává. Také máme celkem přesnou představu o tom, jak takové jednoduché zrcadlo zobrazuje daný předmět (obrázek 12). Obrázek 13 Obrázek 12 Paprsky vycházející z bodu P (předmět) dopadají na zrcadlo a odrážejí se pod stejným úhlem, pod kterým dopadly (zákon odrazu). Paprsky, které se od zrcadla odrazily, se tedy rozbíhají (stále jsme před zrcadlem) a tedy vzniká zdánlivý obraz P za zrcadlem. Ten se vytvoří v místě, kde se protnou prodloužení odražených paprsků (obrázek 13). Obraz vytvořený rovinným zrcadlem je vždy zdánlivý, stejně veliký jako předmět, je souměrný s předmětem podle roviny zrcadla a je stranově převrácený. Kulové zrcadlo Zrcadlící plocha je tvořena částí koule. Pokud se paprsky odrážejí od vnější části koule, hovoříme o vypouklém zrcadle, pokud od vnitřní části hovoříme o dutém zrcadle. Mezi základní vlastnosti kulového zrcadla patří poloměr křivosti. Je to vzdálenost mezi středem křivosti a vrcholem zrcadla. Obrázek 14: Vypouklé zrcadlo Obrázek 15: Duté zrcadlo
Geometrie zobrazování: Pro geometrii zobrazení jsou potřeba tři základní druhy paprsků. 1) Paprsek procházející středem křivosti se odrazí zpět do středu křivosti. 2) Paprsek procházející ohniskem se odrazí rovnoběžně s optickou osou. 3) Paprsek rovnoběžný s optickou osou se odrazí do ohniska. Předmět S Obraz F Obrázek 15: Zobrazení dutým zrcadlem, předmět je za poloměrem křivosti. V případě, že předmět je ve větší vzdálenosti, než je poloměr křivosti (obrázek 15) je obraz zmenšený, skutečný a převrácený. Obraz Předmět S F Obrázek 16: Zobrazení dutým zrcadlem, předmět je mezi poloměrem křivosti a ohniskem V případě, že předmět je mezi poloměrem křivosti a ohniskem (obrázek 16) je obraz zvětšený, skutečný a převrácený
F S Předmět Obraz Obrázek 17: Zobrazení dutým zrcadlem, předmět je mezi ohniskem a vrcholem zrcadla. V případě, že předmět je mezi ohniskem a vrcholem zrcadla (obrázek 17) je obraz zvětšený, neskutečný a přímý.