Ústav fyzikálního inženýrství Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně GEOMETRICKÁ OPTIKA. Přednáška 4

Podobné dokumenty
ODRAZ A LOM SVĚTLA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Fyzika - Optika

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

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

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

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

Petr Šafařík 21,5. 99,1kPa 61% Astrofyzika Druhý Třetí

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

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

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

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

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

Laboratorní práce č.9 Úloha č. 8. Závislost indexu lomu skla na vlnové délce světla Měření indexu lomu refraktometrem:

Optika pro mikroskopii materiálů I

Jednou z nejstarších partií fyziky je nauka o světle tj. optika. Existovaly dva názory na fyzikální podstatu světla:

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

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

Při demonstraci lomu bílého světla pozorujeme jev, kdy se při lomu bílé světlo rozloží na barevné složky. Tento jev se nazývá disperze světla.

Optika. Zápisy do sešitu

Maticová optika. Lenka Přibylová. 24. října 2010

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

9. Geometrická optika

Měření vlnové délky spektrálních čar rtuťové výbojky pomocí optické mřížky

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

Odraz světla na rozhraní dvou optických prostředí

POČÍTAČOVÁ SIMULACE VLIVU CHYB PENTAGONÁLNÍHO HRANOLU NA PŘESNOST MĚŘENÍ V GEODÉZII. A.Mikš 1, V.Obr 2

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

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

Lom světla na kapce, lom 1., 2. a 3. řádu Lom světla na kapce, jenž je reprezentována kulovou plochou rozhraní, je složitý mechanismus rozptylu dopada

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

3.2.5 Odraz, lom a ohyb vlnění

Fyzika aplikovaná v geodézii

ZOBRAZOVÁNÍ ZRCADLY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Optika

Učební texty z fyziky 2. A OPTIKA. Obor zabývající se poznatky o a zákonitostmi světelných jevů. V posledních letech rozvoj optiky vynález a využití

MĚŘENÍ VLNOVÝCH DÉLEK SVĚTLA MŘÍŽKOVÝM SPEKTROMETREM

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

Měření závislosti indexu lomu kapalin na vlnové délce

ZOBRAZOVÁNÍ ROVINNÝM ZRCADLEM

6. Geometrická optika

n(ω) = ε r (ω)µ r (ω). látky, atd. V rámci praktika budou použity 2 metody, a sice měření indexu lomu kapalin

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

3. SVĚTELNÉ JEVY. Světelné zdroje. Rychlost světla.

Fyzikální praktikum Závislost indexu lomu skla na vlnové délce. Refraktometr

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

5.3.1 Disperze světla, barvy

SOUŘADNICE BODU, VZDÁLENOST BODŮ

5.1.3 Lom světla. vzduch n 1 v 1. n 2. v 2. Předpoklady: 5101, 5102

Vlnové vlastnosti světla

Fyzika 2 - rámcové příklady vlnová optika, úvod do kvantové fyziky

3. Optika III Přímočaré šíření světla

5.3.6 Ohyb na mřížce. Předpoklady: 5305

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Světlo x elmag. záření. základní principy

Analytická geometrie lineárních útvarů

Optika nauka o světle

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

Software Dynamická geometrie v optice. Andreas Ulovec Andreas.Ulovec@univie.ac.at

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

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

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Téma 5: PLANIMETRIE (úhly, vlastnosti rovinných útvarů, obsahy a obvody rovinných útvarů) Úhly 1) Jaká je velikost úhlu? a) 60 b) 80 c) 40 d) 30

Kapitola 5. Seznámíme se ze základními vlastnostmi elipsy, hyperboly a paraboly, které

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

Shodná zobrazení. bodu B ležet na na zobrazené množině b. Proto otočíme kružnici b kolem

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

Přednáška č.14. Optika

VY_52_INOVACE_2NOV67. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 9.

Laboratorní práce č. 3: Měření vlnové délky světla

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

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

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

3. OPTICKÉ ZOBRAZENÍ

Trojúhelník a čtyřúhelník výpočet jejich obsahu, konstrukční úlohy

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/

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

OPTICKÉ VLASTNOSTI OKA. ROZKLAD SVĚTLA HRANOLEM 1. OPTICKÉ VLASTNOSTI OKA

Neživá příroda I. Optické vlastnosti minerálů

F - Lom světla a optické přístroje

Učební text k přednášce UFY102

Praktikum školních pokusů 2

GEODEZIE. Pomůcky k vytyčení pravého úhlu

M I K R O S K O P I E

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

OPTIKA - NAUKA O SVĚTLE

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

7.ročník Optika Lom světla

Fyzika 2 - rámcové příklady Geometrická optika

PLANIMETRIE 2 mnohoúhelníky, kružnice a kruh

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

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

STEREOMETRIE 9*. 10*. 11*. 12*. 13*

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

IAM SMART F7.notebook. March 01, : : : :23 FYZIKÁLNÍ VELIČINY A JEJICH JEDNOTKY. tuna metr

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 7 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

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

Základy geometrické optiky a maticová optika

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Učební text k přednášce UFY008

Transkript:

Ústav fyzikálního inženýrství Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně GEOMETRICKÁ OPTIKA Přednáška 4 1

Obsah Základy geometrické (paprskové) optiky Reálné optické prvky -hranol pro lom, -minimální deviace, -optický klín, -planparalelní destička. 2

Úvod Ad impossibilia nemo tenetur Nikdo nemůže být nucen k nemožnostem. 3

Disperze - opakování Jestliže optickými prvky jako jsou čočka nebo hranol prochází bílé světlo, rozkládá se do různých barevných odstínů, protože každá barva se lomí jinak. Tento fenomén je znám jako disperze. Disperze vzniká důsledkem závislosti rychlosti světla v látkách na frekvenci světla (rychlost světla se zpravidla s rostoucí frekvencí zmenšuje ve vakuu k disperzi světla nedochází), index lomu optického prostředí závisí na frekvenci světla a při (normální) disperzi se s rostoucí frekvencí zvětšuje, disperze dokazuje, že bílé světlo je světlo složené z jednoduchých (barevných) světel. φ lámavý úhel na lámavých plochách optického hranolu se světlo láme dvakrát hranolové spektrum (řada na sebe navazujících barevných proužků) Bílé světlo se hranolem rozloží na spektrum, v němž jsou zastoupeny všechny barvy odpovídající paprskům monofrekvenčního světla v posloupnosti : červená (nejmenší hodnota indexu lomu), oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová (největší hodnota indexu lomu). Zdroj: http://www.zeiss.com a http://fyzika.gbn.cz/ 4

Disperze index lomu f = c / λ = c 0 / λ 0 λ vlnová délka světla v daném prostředí, λ 0 vlnová délka světla ve vakuu, c 0 rychlost světla ve vakuu n = c 0 / c λ = λ 0 / n l V optickém prostředí o indexu lomu n je vlnová délka světla n-krát menší než ve vakuu (frekvence se nemění). Hranolový spektroskop přístroj na studium složení světla, základní přístroj používaný ve spektrální analýze kolimátor (štěrbina umístěná v ohnisku spojné čočky), optický hranol, stínítko Pozn.: spektroskop (spektrum pozorujeme okem pomocí dalekohledu) spektrograf (spektrum je zaznamenáno na fotografické desce nebo pomocí záznamového zařízení) 5

Lom světla hranolem Hranol lámavé prostředí omezené dvěma rovinami (jeho stranami), které svírají úhel zvaný lámavý úhel hranolu (ϕ). Přímka, v níž se strany hranolu protínají, je lámavá hrana, každá rovina na ní kolmá je hlavní řez hranolu. Základna hranolu -rovina (kolmá k ose souměrnosti lámavého úhlu a k hlavnímu řezu), kterou je hranol ukončen. Na hranol s lámavým úhlem ϕ a s indexem lomu n dopadá monochromatické světlo pod úhlem ε 1. Paprsek vystupující z hranolu určíme z rovnic: sinε1 sin ε1 =, n ε = ϕ ε, 2 1 sinε = nsin ε. 2 2 6

Lom světla hranolem úhel deviace Z podmínky, že součet úhlů ve čtyřúhelníku ϕ + ε + 90 + 90 = 360 a že v trojúhelníku je ε 1+ ε2 + ε = 180 vyplývá, že ϕ = ε + ε 1 2. Jinak zapsáno: ε = ϕ ε. 2 1 Pro celkovou odchylku (deviaci) δ lomeného paprsku od dopadajícího platí: Další úhly lomu na rovinách hranolu: ε = ε + δ a ε δ = ε 1 1 1 2 2 2 δ = ε ε a δ = ε ε. 1 1 1 2 2 2 nebo δ = δ + δ. 1 2 Z toho vyplývá: δ = ( ε ε ) + ( ε ε ). 1 1 2 2 Dosazením ϕ dostaneme: δ = ( ε ε ) + ( ε ε ) = ε + ε ϕ, 1 1 2 2 1 2 δ = ε + ε ϕ 1 2. 7

Lom světla hranolem úhel minimální deviace Pro odchylku (deviaci) δ lomeného paprsku od dopadajícího platí: δ = ( ε ε ) + ( ε ε ) = ε + ε ϕ, nebo* 1 1 2 2 1 2 ( ) δ = arcsin( nsin ε 1) + arcsin nsin ϕ ε 1 ϕ. δ 2 ( 1 n ) si ( ϕ ε 1) dδ 0, dε = ncosε ncos( ϕ ε ) 1 1 = = 2 2 1 ( nsin ε 1) 1 nsin ( ϕ ε 1) n 2 = 0. *využitím: sinε = nsin ε, ε ε = ϕ, nsinε = sinε 1 1 1 1 2 2 2 0 nebo po úpravě sin( ϕ 2 ε ) = 0, ε = ϕ/2, 1 1 ϕ ε = 2, ε = ε. a pro lom světla hranolem při minimální deviaci plyne: 2 2 1 8

Lom světla hranolem úhel minimální deviace Z výsledku je zřejmé, že minimální odchylka δ min nastane po takový úhel dopadu, při kterém je paprsek uvnitř hranolu kolmý k rovině souměrnosti lámavého úhlu ( ε 1 = ε2 ), nebo paprsek dopadajícía vstupující jsou souměrně položeny vzhledem k rovině souměrnosti lámavého úhlu ( ε 1 = ε2 ). Platí tedy: nsin ϕ/2= sin ε1, a pro ε 1 v případě ε, a 2 = ε1 δ = δm dostáváme: ε a pro index lomu vychází: n 1 sin ( ϕ + δm ) = 2. ϕ sin 2 ϕ + δ m 2 1 =, Na tomto vzorci spočívá Fraunhoferova metoda k určování indexu lomu látek*. * Viz např.: Fuka/Havelka: Optika str. 778 9

Lom světla hranolem Aby paprsek z hranolu vystoupil, je nutné, aby úhel byl menší než úhel mezný. 1 Paprsek vystupuje podél stěny (tj. ε 2 = 90 ), je-li sin ε 2 =. n ( ) Ze vztahu sinε1 = n sin ϕ ε2, je patrno, že pokud ϕ > ε, 2 jsou úhly dopadu jen kladné, je-li ϕ < ε, 2 jsou úhly dopadu kladné i záporné. ε 2 10

Optické klíny (hranoly s malým lámavým úhlem) sinε = n ε = ϕ ε, 1 sin ε1, 2 1 sinε = nsin ε. 2 2 ε1 ε1 =, n ε = ϕ ε, 2 1 ε = nε 2 2. δ ( n 1) ϕ. = ε 1 0, δ = ( n 1 ) ϕ. ε δ = ε + ε ϕ = ε + ϕ ϕ = ε ε + ϕ ϕ n 1 1 2 1 n 1 1 n, ncosε n+ 1 2 ( n 1) 1, 1 δ = ϕ + ε1 ϕ cosε1 2n * viz Havelka: Optika vz. (1.14) nebo Fuka, Havelka: Optika I, vz. (32) 11

Optické klíny -využití Diasporametr soustava dvou stejných klínů, které se otáčejí proti sobě kolem osy OO. Jsou-li lámavé hrany klínů rovnoběžné a na stejné straně osy OO je odchylka největší (rovná se dvojnásobku odchylky δ 1 jednoho klínu). Otočí-li se každý klín o úhel ψ z této základní polohy, je 2 2 2 odchylka soustavy: δ = δ1 + δ1 + 2δ1 cos2ψ = 2δ1cos ψ. Uvedená dvojice klínů představuje tedy klín proměnlivé odchylky od 0 do 2δ 1. Využití: například na zvýšení měřícího rozsahu fokometrů -tj. přístrojů které měří vrcholovou vzdálenost brýlových čoček, sférických, tórických a prizmatických. Transformace eliptického svazku na kruhový (např. u laserových diod) Anamorphic prism pairs Zdroj: http://www.thorlabs.com/ 12

Planparalelní destička Pro ϕ=0 přechází hranol v planparalelní destičku. Planparalelní destička neodchyluje paprsek, nýbrž jej rovnoběžně posouvá. 13

Planparalelní destička Snellův zákon: 14

Planparalelní destička 15

Odrazné hranoly Odrazné hranoly (využívá se úplný - totální odraz světla) se využívají zejména v optických přístrojích namísto odrazu na kovech (zrcadla). Nahrazují rovinná (kovová) zrcadla. Výhody: větší odrazivost, nevzniká dvojitý odraz (jak je tomu u zrcadel s kovovou vrstvou na zadní straně skla), odrazné plochy hranolů jsou pevné a svírají navzájem neproměnný úhel celek je stabilnější než soustava zrcadel. Odrazné hranoly jsou zpravidla sestaveny tak, aby střední paprsky svazků byly kolmé ke stěně vstupní a výstupní (zmenší se tím ztráty světla odrazem a optické vady). Odrazné plochy u těchto hranolů se opatřují kovovou vrstvou jenom tehdy, jestliže paprsky dopadají pod úhlem menším než je úhel mezní (viz. např. pentagonální hranol). 16

Odrazné hranoly pravoúhlý rovnoramenný hranol Pravoúhlý rovnoramenný hranol má troje využití. Right angle prisms Zdroj: http://www.thorlabs.com/ Dove prism Zdroj: http://www.thorlabs.com/ a http://www.lambda.cz/ Chod paprsků pravoúhlým rovnoramenným hranolem Obdoba zrcadla, vytváří však skutečný obraz. Přetočení obrazu beze změny optické osy. 17

Odrazné hranoly střechový hranol Střechový hranol má vzhled obyčejného pravoúhlého rovnoramenného hranolu, jehož přeponová stěna je nahrazena dvěma stěnami protínající se pod úhlem 90. Chod paprsků střechovým hranolem. Roof prisms Zdroj: http://www.thorlabs.com/ 18

Odrazné hranoly pentagonální hranol Kolmým řezem pantagonálním hranolem je pětiúhelník ABCDE. Vstupní stěna AB svírá se stěnou výstupní BC úhel 90, odrážející stěny AC a CD mohou být pokryty kovovou vrstvou (stříbro, hliník) a svírají úhel 45, stěna DE nemá optického účinku. Libovolný paprsek SU po dvou odrazech a lomech vystupuje z hranolu ve směru U S kolmém ke směru paprsku kolmém ke směru paprsku dopadajícího, co je velmi důležitá vlastnost tohoto hranolu (využití např. v geodézii). Chod paprsků pentagonálním hranolem. Penta prism Zdroj: http://www.lambda.cc/ Otočení optické osy o 90, ale nepřetáčí obraz stranově (jako pravoúhlý hranol). Příklad použití: - jednooká zrcadlovka tvorba vzpřímeného obrazu v hledáčku. 19

Odrazné hranoly rombický hranol Rombický hranol se skládá v principu ze dvou pravoúhlých rovnoramenných hranolů. Rhombic prism Zdroj: http://www.lambda.cc/ 20

Odrazné hranoly příklad využití: dalekohled Panel 1 of the figure shows the optics inside a pair of binoculars. They are essentially a pair of telescopes, one for each eye. But to make them more compact, and allow the eyepieces to be the right distance apart for a human face, they incorporate a set of eight prisms, which fold the light path. In addition, the prisms make the image upright. Panel 2 shows one of these prisms, known as a Porro prism. The light enters along a normal, undergoes two total internal reflections at angles of 45 degrees with respect to the back surfaces, and exits along a normal. The image of the letter R has been flipped across the horizontal. Panel 3 shows a pair of these prisms glued together. The image will be flipped across both the horizontal and the vertical, which makes it oriented the right way for the user of the binoculars. Zdroj: http://www.lightandmatter.com/ 21

Odrazné hranoly poznámka Každý odrazný hranol působí jako planparalelní destička. Příklad: pravoúhlý rovnoramenný hranol a pentagonální hranol: 22