9. Geometrická optika

Podobné dokumenty
Geometrická optika 1

Základní pojmy Zobrazení zrcadlem, Zobrazení čočkou Lidské oko, Optické přístroje

GEOMETRICKÁ OPTIKA. Znáš pojmy A. 1. Znázorni chod význačných paprsků pro spojku. Čočku popiš a uveď pro ni znaménkovou konvenci.

Optika pro mikroskopii materiálů I

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Čočky Čočky jsou skleněná (resp. plastová) tělesa ohraničená rovinnými nebo kulovými plochami. Pracují na principu lomu. 2 typy: spojky rozptylky

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 07_10_Zobrazování optickými soustavami 1

ZOBRAZOVÁNÍ ČOČKAMI. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Septima - Optika

Ing. Jakub Ulmann. Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově

ČOČKY JAKO ZOBRAZOVACÍ SOUSTAVY aneb O spojkách a rozptylkách. PaedDr. Jozef Beňuška jbenuska@nextra.sk

3. OPTICKÉ ZOBRAZENÍ

Optické zobrazení - postup, kterým získáváme optické obrazy bodů a předmětů

OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Paprsková optika. Zobrazení zrcadly a čočkami. Rovinné zrcadlo. periskop zobrazování optickými soustavami.

Aplikovaná optika I: příklady k procvičení celku Geometrická optika. Jana Jurmanová

Optika. Zápisy do sešitu

S v ě telné jevy. Optika - nauka - o světle, jeho vlastnostech a účincích - o přístrojích, které jsou založeny na zákonech šíření světla

M I K R O S K O P I E

Centrovaná optická soustava

DUM č. 5 v sadě. 12. Fy-3 Průvodce učitele fyziky pro 4. ročník

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

VY_32_INOVACE_FY.12 OPTIKA II

ZOBRAZOVÁNÍ ROVINNÝM ZRCADLEM

ZOBRAZOVÁNÍ ODRAZEM NA KULOVÉ PLOŠE aneb Kdy se v zrcadle vidíme převrácení. PaedDr. Jozef Beňuška jbenuska@nextra.sk

Fyzika 2 - rámcové příklady Geometrická optika

Optika OPTIKA. June 04, VY_32_INOVACE_113.notebook

25. Zobrazování optickými soustavami

Výfučtení: Jednoduché optické soustavy

Zákon lomu světla (Snellův zákon) lze matematicky vyjádřit vztahem: , n2. opticky řidšího do prostředí opticky hustšího, láme se ke kolmici.

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Zobrazení čočkou

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Optika nauka o světle

Maticová optika. Lenka Přibylová. 24. října 2010

Odraz světla na rozhraní dvou optických prostředí

Světlo 1) Světlo patří mezi elektromagnetické vlnění (jako rádiový signál, Tv signál) elmg. vlnění = elmg. záření

Dalekohledy. y τ τ F 1 F 2. f 2. f 1. Předpoklady: 5211

R8.1 Zobrazovací rovnice čočky

Bodový zdroj světla A vytvoří svazek rozbíhajících se paprsků, které necháme projít optickou soustavou.

Někdy je výhodné nerozlišovat mezi odrazem a lomem tím způsobem, že budeme pokládat odraz za lom s relativním indexem lomu n = 1.

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

3. Optika III Přímočaré šíření světla

6. Geometrická optika

Rozdělení přístroje zobrazovací

OPTIKA - NAUKA O SVĚTLE

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

Vady optických zobrazovacích prvků

Optika pro studijní obory

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 2

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

F - Lom světla a optické přístroje

Krafková, Kotlán, Hiessová, Nováková, Nevímová

Lupa a mikroskop příručka pro učitele

Geometrická optika. Optické přístroje a soustavy. převážně jsou založeny na vzájemné interakci světelného pole s látkou nebo s jiným fyzikálním polem

Viková, M. : MIKROSKOPIE I Mikroskopie I M. Viková

ZOBRAZENÍ ČOČKAMI. Studijní text pro řešitele FO a ostatní zájemce o fyziku. Jaroslav Trnka. Úvod 3

Nejdůležitější pojmy a vzorce učiva fyziky II. ročníku

Typy světelných mikroskopů

1 Základní pojmy a vztahy

Úloha 6: Geometrická optika

7.ročník Optika Lom světla

Abstrakt: Úloha seznamuje studenty se základními pojmy geometrické optiky

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 6: Geometrická optika. Abstrakt

Fokální korektory. Okuláry. Miroslav Palatka

Základy geometrické optiky a maticová optika

OPTIKA -p vodní význam NAUKA O SV TLE

Fyzika III Optika a částicová fyzika

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_20_FY_C

Název: Čočková rovnice

h n i s k o v v z d á l e n o s t s p o j n ý c h č o č e k

Název školy: Základní škola a Mateřská škola Žalany. Číslo projektu: CZ. 1.07/1.4.00/ Téma sady: Fyzika 6. 9.

Historie světelné mikroskopie. Světelná mikroskopie. Robert Hook (1670) a Antonie van Leeuwenhoek (1670) zakladatelé světelné mikroskopie

KULOVÁ ZRCADLA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - Septima

Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát

7. Světelné jevy a jejich využití

Optické přístroje

naše vlajka: Řešení prvního úkolu kategorie 3 druhý stupeň: Trochu teorie a historie: Kamarádi ZŠ Chrast S chutí do toho a půl je hotovo,

5.2.3 Duté zrcadlo I. Předpoklady: 5201, 5202

Přednáška 2_1. Konstrukce obrazu v mikroskopu Vady čoček Rozlišovací schopnost mikroskopu

EU PENÍZE ŠKOLÁM NÁZEV PROJEKTU : MÁME RÁDI TECHNIKU REGISTRAČNÍ ČÍSLO PROJEKTU :CZ.1.07/1.4.00/

MODUL 4. OPTIKA 4.1. ÚVODNÍ POJMY, SVĚTLO, ŠÍŘENÍ SVĚTLA, INDEX LOMU SHRNUTÍ

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

MĚŘENÍ VLNOVÝCH DÉLEK SVĚTLA MŘÍŽKOVÝM SPEKTROMETREM

Fyzika III Optika. A. Geometrická optika. Kamil Postava. Institut fyziky, VŠB Technická univerzita Ostrava (A931,tel.

5.2.8 Zobrazení spojkou II

Seznam součástek. A. Seznam prvků soupravy GON. Rozměry (cm) nebo Poloměry* (cm) Značka Název prvku

5.2.9 Zobrazení rozptylkou

Přednáška č.14. Optika

5.2.3 Duté zrcadlo I. Předpoklady: 5201, 5202

Fyzika_7_zápis_7.notebook April 28, 2015

8.1. ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ A JEHO SPEKTRUM. Viditelné světlo Rozklad bílého světla:

5 Geometrická optika

Optika Elektromagnetické záření

17. března Optická lavice s jezdci a držáky čoček, světelný zdroj pro optickou lavici, mikroskopický

Zahrádka,Obrdlík,Klouda

Historické brýle. 1690: brýle Norimberského stylu se zelenými čočkami. 1780: stříbrné brýle. konec 18. století: mosazné obruby, kruhové čočky

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. F3240 Fyzikální praktikum 2

2. Optika II Zobrazování dutým zrcadlem

Transkript:

9. Geometrická optika 1

Popis pomocí světelných paprsků těmi se šíří energie a informace, zanedbává vlnové vlastnosti světla světelný paprsek = křivka (často přímka), podél níž se šíří světlo, jeho energie index lomu (základní optická charakteristika prostředí), 2

9.1. Fermatův princip Světlo se šíří z jednoho bodu prostoru A do jiného bodu B po takové trajektorii (paprsku), aby čas nutný k uražení této dráhy byl minimální. t = dt = 1 c A B n dl Variační počet mění parametry křivky tak, aby křivkový integrál byl co nejmenší 3

4

9.2. Zákony geometrické optiky - zákon lomu (Snellův) sin α / sin β = n 2 / n 1 = v 1 / v 2 http://www.phys.hawaii.edu/~teb/java/ntnujava/propagation/pro pagation.html - zákon odrazu (úhel odrazu je rovný úhlu dopadu) - světlo se šíří v homogenním prostředí přímočaře - paprsky se šíří nezávisle na ostatních paprscích (z toho vyplývá i záměnnosti chodu paprsků jestliže se šíří z A do B určitou cestou, šíří se i z B do A po stejné cestě) 5

9.3. Optické zobrazení Zákony optiky jsou jednoduché Možno velmi dobře navrhovat optické systémy Jednoduché programy file:///f:/optika_2lf/optics/optics.html http://www.mhhe.com/physsci/physical/gia mbattista/optics/optics.html Profesionální software Zemax, Oslo, Code V 6

Zobrazovací soustava Zobrazovací soustava zobrazí předmět, vytváří obraz Obecně může být velmi složitá Ideální zobrazovací soustava zobrazí bod jako bod, úsečku jako úsečku Paraxiální prostor paprsky nesmí mít velkou odchylku od osy, a to úhlovou i prostorovou Snellův zákon se potom zjednoduší To je analogie geometrického promítání po přímkách n 1 θ 1 = n 2 θ 2 7

camera obscura 8

Terminologie optického zobrazování Trocha terminologie pro popis chodu paprsků v optických přístrojích (lupa, fotoaparát, mikroskop, atd.) Optická osa paprsek jdoucí po optické ose se šíří přímo beze změny směru Obrazová, předmětová rovina v ní leží obraz, předmět Ohnisková rovina - do této roviny se promítne obraz nekonečně vzdáleného bodu Hlavní rovina obraz předmětu, ležícího v hlavní rovině se promítne stejně velký jako předmět ohnisková vzdálenost f je vzdálenost hlavní roviny od ohniskové roviny Ohnisko průnik ohniskové roviny a optické osy optická mohutnost φ = 1 / f [ 1D = dioptrie=1/m] Skutečný paprsky se protnou, Zdánlivý (virtuální obraz) paprsky vycházejí u jednoho místa 9

Zvětšení příčné a úhlové Z y ' y b a f a f b f f w = θ 1 θ2 10

Zobrazení konvence X 1 f a 1 f X 2 a 2 takto orientované směry jsou kladné (jsou i jiné konvence) 11

9.4. Zobrazení odrazem -zrcadla Odraz světla na kulovém, plochém, nebo jiném povrchu Rovinné zrcadlo Obraz je stranově převrácený, zdánlivý 12

Kulová zrcadla Vypuklé zrcadlo Vyduté zrcadlo 13

Význačné paprsky Jdoucí středem zrcadla (čočky) nemění směr Jdoucí ohniskem rovnoběžně s osou Jdoucí rovnoběžně s osou do ohniska Bod z něhož dva paprsky vycházejí se zobrazuje zase v jejich průsečíku po odrazu na zrcadle 14

Zobrazovací rovnice Ohnisko zrcadla, ohnisková vzdálenost Popis šíření světla pomocí paprsků, omezeno na prostor blízko optické osy!!!! sin α=α 1 a 1 b 1 f f r 2 15

Zvětšení, zmenšení obrazu Příčné zvětšení rozměrů Z y' y 16

9.5. Zobrazení lomem na kulové ploše rozhraní Budeme studovat lom na kulovém rozhraní dvou oblastí v paraxiální oblasti. Paprsek vychází s bodu O v prostředí n 1, láme se v bodě P na kulové ploše s poloměrem křivosti R se středem v bodě C do bodu I v prostředí n 2. d 1 d 2 17

Lom na kulovém rozhraní Z trojúhelníků PIC: = + 2 ; OPC: 1 = + V paraxiální oblasti platí : Snellův zákon : n 1 1 = n 2 2 S použitím výšky h bodu P od optické osy: = h/d 1 ; = h/r; = h/d 2 Po jednoduché úpravě vymizí úhlové závislosti : n1 n2 ( n2 n1 ) n1 n2 n2 n1 d d R 1 2 ^ 18

Lensmaker s equation I Q R 2 R 1 19

Lensmaker s equation II Studujeme lom paprsku přicházejícího z vakua na dvou kulových rozhraních ohraničujících oblast n v paraxiální oblasti. Paprsek přichází paralelně s optickou osou. Láme se v bodě A 1, ležícím v přední kulové ploše se středem C 1 a poloměrem R 1, do oblasti n a v bodě A 2, ležícím v zadní kulové ploše se středem C 2 a poloměrem R 2, se znovu láme do ohniska F. Zavedeme odklon při prvním lomu: = 1-2 Z trojúhelníků C 2 A 2 F: 4 = + ; A 1 A 2 Q: 3 = + V paraxiální oblasti platí : Snellův zákon : 1 = n 2 ; 4 = n 3 S použitím výšek h 1 a h 2 bodů A 1 a A 2 : 1 = h 1 /R 1 ; = h 2 /R 2 ; = h 2 /f V poslední rovnici uvažujeme velmi tenkou čočku. 20

n n n n 1 1 2 1 4 3 Můžeme tedy postupně psát : Vyjádříme-li úhly pomocí výšek : Uvážíme-li že pro velmi tenkou čočku přibližně platí : h 1 =h 2, dostaneme po drobných úpravách nakonec : 1 1 1 1 2 2 2 2 2 nr h R h nf h nr h R h ) 1 1 1)( ( 1 R 1 R 2 n f 21

Jaká je ohnisková vzdálenost čočky podle obrázku, vyrobené ze skla n = 1.50? Je nutné si uvědomit, že nyní je R 2 záporné. Po dosazení : 1 f (0.5)( 1 0.224 1 ) 0.462 1.15 f 0.87 ^ 22

Čočky 23

Spojka a rozptylka Závisí na tom, v kterém prostředí je čočka umístěna Spojka f>0 Rozptylka f<0 1 1 f ( n 1) n r r, 1 2 N N sklo okolí 24

Zobrazení čočkami Spojka Rozptylka 25

Rozptylka - chod paprsků 26

Zobrazovací rovnice pro čočky Formálně stejná jako pro zrcadla 1 a 1 b 1 f Ohnisková vzdálenost však již není polovinou poloměru křivosti ploch čočky a,b,f < 0 nebo > 0 27

Příčné zvětšení Zvětšení-zmenšení obrazu Z y ' y b a f a f b f f Přímý obraz y >0, Z>0 Převrácený obraz y <0, Z<0 28

9.6.Vady zobrazovacích soustav A) barevná index lomu závisí na vlnové délce B) monochromatické prakticky odchylka od zjednodušeného tvaru Snellova zákona n 1 θ 1 = n 2 θ 2 29

Barevná vada Různé vlnové délky mají ohnisko v různé vzdálenosti nejvíce patrná na okrajích zobrazovaných předmětů F Korekce - achromatický dublet 30

Korunové a flintové sklo Abbeho číslov D, určuje velikost disperze D-, F- and C- spektrální čáry výbojek 589.3 nm, 486.1 nm and 656.3 nm

Achromatický dublet

Vady zobrazení Odraz nezávisí na vlnové délce Lom závisí na vlnové délce, tzv. barevné vada Monochromatické vady sférická vada - Astigmatismus - Koma - zkreslení obrazu 33

Sférická (otvorová vada Koma 34

Astigmatismus dva kolmé směry jsou zaostřeny v různých ohniscích, místo kruhové plošky se zobrazuje kometa 35

Zkreslení obrazu Obraz se nezobrazuje se na kulovou plochu, ale na rovinu - soudkovité, poduškovité 36

37

9.7. Optické přístroje Lupa Mikroskop Dalekohled Fotoaparát 38

9.7.1.Lupa Konvenční zraková vzdálenost l =25cm Lupa = spojná čočka, předmět mezi ohniskem a čočkou blízko ohniska, obraz zdánlivý zvětšený Porovnáváme s obrazem, který by jsme sledovali ve vzdálenosti l =25cm od oka 39

Spojka jako lupa Zdánlivý a zvětšený obraz 40

Úhlové zvětšení lupy Oko zaostřeno na nekonečno b w ' / l f b b f e l f a b e 41

9.7.2.Mikroskop Objektiv - f 1 ~1mm Okulár - f 2 ~1cm Optický interval Δ=160mm Obraz vytvořený objektivem je pozorován okulárem jako lupou 42

Úhlové zvětšení mikroskopu Úhlové zvětšení w ' f l f 1 2 Předmět blízko ohniska objektivu Objektiv vytvoří jeho zvětšený, skutečný obraz v ohnisku okuláru Ten pozorujeme okulárem jako lupou (např.okem, zaostřeným na nekonečno) Vzdálenost mezi ohnisky objektivu a okuláru se nazývá optický interval Δ Z 1 Z 2 F 2 F 2 α Objektiv - f1~1mm Okulár - f2~1cm Optický interval Δ=160mm F 1 Δ f 2 f 1 F 1 43

9.7.3. Dalekohledy Přístroj k optickému přiblížení pomocí dvou soustav čoček nebo zrcadel: objektivu a okuláru, jímž se obraz pozoruje. Hlavními parametry optických dalekohledů jsou světelnost a zvětšení. Opticky účinná plocha objektivu určuje světelnost dalekohledu a poměr ohniskových vzdáleností objektivu a okuláru jeho zvětšení. 44

Refraktory - Keplerův 45

Refraktory - Galileův Spojný objektiv Rozptylný okulár Obrazové ohnisko objektivu splývá s obrazovým ohniskem okuláru Divadelní kukátko 46

Reflektory - Cassegrainův Duté primární zrcadlo Hyperbolické sekundární zrcadlo Vychází z něj Ritchey-Chrétien dalekohled 47

Reflektory - Newtonův V ohnisku primárního zrcadla malé rovinné zrcadlo, obraz převrácený 48

Hubbleův vesmírný dalekohled zkratka HST z Hubble Space Telescope Typ Ritchey-Chrétien Velmi ostré snímky vesmírných těles Po pár týdnech provozu zjištěna chyba Částečně opravena 1993 Poslední oprava 2009 49

50

51

Eagle Nebula 52

Cat s Eye Nebula 53

European Extremely Large Telescope

Chile 2024 Primární zrcadlo průměr 39 m 798 hexagonálních zrcadel Čtvrté zrcadlo adaptabilní optika

14. Aproximace geometrické optiky, Fermatův princip a princip nejmenší akce v současné fyzice Fermatův princip, velmi názorné pro odraz i lom zároveň, anglicky http://ephysics.physics.ucla.edu/ntnujava/fermat/efermat.htm K Fermatovu principu, jednoduché, spíše pro doplnění, anglicky http://www.physics.ucla.edu/demoweb/ntnujava/indexpopup.h tml Základní popis Fermatova principu, česky http://fyzweb.cz/materialy/aplety_hwang/fermat_principle/fer mat/fermat_cz.html