FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 Sětlo elektromagnetické lnění Sětelné jey jsou známy od pradána. Ale až 9. století se podařilo íce proniknout k podstatě sětla a zjistit, že sětlo je druh elektromagnetického lnění (str. 88). O elektromagnetickém lnění jsme se zmínili Elektřině a magnetismu kapitole Střídaé proudy. V roce 865 popsal anglický fyzik J. C. Maxwell (83 879) elektrické a magnetické jey čtyřmi složitými ronicemi (tz. Maxwelloými ronicemi). Podle těchto ronic mají změny magnetického pole za následek znik elektrického pole a podobně změny elektrického pole mají za následek znik magnetického pole. Měnící se elektrické pole nelze tedy od měnícího se pole magnetického oddělit a zniká pole elektromagnetické. Toto elektromagnetické pole se pak šíří podobě lnění a nepotřebuje přitom žádné prostředí, magnetické pole je oporou pro znikající pole elektrické a naopak. Zkusme znázornit obrázkem šíření elektromagnetického lnění případě, že magnetické pole bude omezeno jen na lnoplochy roině nákresny: Všechna elektromagnetická lnění mají některé shodné lastnosti: odrážejí se a lámou stejně jako jiné druhy lnění mezi lnoou délkou a frekencí platí stejně jako pro jiná lnění známý ztah bude-li látka lnění pohlcoat, dojde k jejímu zahříání f šíří se rychlostí sětla a sětlo je jedním z elektromagnetických lnění. Existenci elektromagnetického lnění i jeho podstatné lastnostmi Maxwell ze sých ronic předpoěděl a tepre asi o 0 let později elektromagnetické lnění objeil H. Hertz pomocí pokusů. Elektromagnetická lnění se od sebe liší lnoými délkami a některými dalšími lastnostmi. Uedeme přehled elektromagnetických lnění, která seřadíme od nejdelších lnoých délek po nejkratší lnoé délky:(str. 99 03) Rádioé lny ( 0 3 m m) odrážejí se od odiých předmětů, čím mají kratší lnoou délku, tím přímočařeji se šíří (dlouhé lny se tedy ohýbají podél porchu Země, elmi krátké lny se šíří téměř po přímce). Mikrolny ( m 0 - m) se yužíají mikrolnných troubách (kde dochází k jejich pohlcoání potrainami a zahříání potrain), u radarů, mobilních telefonů, aj. Infračerené záření ( 0-4 m 0-7 m) yzařují zahřátá tělesa. Protože toto tepelné záření yzařují prakticky šechna tělesa, můžeme ho yužít pro idění e tmě nebo mlze pomocí tz. infračerených dalekohledů, yužíají se též dálkoých oladačích elektronických přístrojů. Sětlo ( 0-7 m, rozsah iditelného sětla je 390 nm 790 nm, přitom nejkratší lnoá délka odpoídá sětlu fialoému, nejdelší lnoá délka sětlu čerenému) Ultrafialoé záření ( 0-7 m 0-8 m) je yzařoáno mimo jiné též Sluncem nebo elektrickým obloukem (horským sluncem, soláriem). V menší míře opaluje pokožku a působí prospěšně, e ětší míře způsobuje spálení pokožky, podporuje znik rakoiny kůže, neblaze působí na zrak. Jeho intenzita na porchu Země roste s narušoáním ozónoé rsty atmosféře. Rentgenoé záření ( 0-8 m 0 - m) je pronikaé, je různě pohlcoáno různými materiály. Má chemické a biologické účinky. Použíá se lékařstí diagnostice i terapii. Slouží též ke zkoumání nitřní struktury látek a k yhledáání ad ýrobků.
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 γ záření ( 0-0 m a méně) je druhem radioaktiního záření, má podobné lastnosti jako rentgenoé, ale může být ještě pronikaější. Jako ochrana proti jeho biologickým účinkům slouží oloěné desky (stejně jako u rentgenoého záření). str.89 c. (/30) Odraz a lom sětla V přehledu elektromagnetických lnění jsme iděli, že sětlo je elektromagnetické lnění s elmi krátkou lnoou délkou (390 nm 790 nm, řádoě 0-7 m), proto se bude šířit e stejnorodém prostředí prakticky přímočaře. K yznačení tohoto šíření použíáme přímek, které budeme opatřoat šipkami a nazýat sětelnými paprsky. Čárkoaně yznačíme ta místa na sětelném paprsku, kam již sětlo nedošlo (např. nastal lom sětla). Ohyb sětla za překážku bude pozoroatelný jen u elmi malých předmětů elikostí sronatelných s lnoou délkou sětla. Ve akuu se šíří sětlo rychlostí přibližně = 300 000 km.s -, každém jiném prostředí je jeho rychlost menší. Dopadne-li sětlo na rozhraní dou stejnorodých prostředí, rátí se jeho část do prního prostředí (odraz) a část pronikne do druhého prostředí (lom). Základní pojmy: dopadající paprsek kolmice dopadu 3 odražený paprsek 4 lomený paprsek 5 rozhraní prostředí úhel dopadu úhel odrazu úhel lomu rychlost sětla prním prostředí rychlost sětla druhém prostředí Zákon odrazu 4 3 5 I. Dopadající paprsek, kolmice dopadu a odražený paprsek jsou jedné roině. II. = (elikost úhlu dopadu se roná elikosti úhlu odrazu). Zákon lomu I. Dopadající paprsek, kolmice dopadu a lomený paprsek jsou jedné roině. II. sinα sinβ 3 tečná roina U zákona lomu ystačíme často s tím, že při přechodu sětla z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího, tj. >, nastáá lom ke kolmici, tj. >. Naopak při přechodu sětla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího ( < ), nastáá lom od kolmice ( < ). 5 4
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 3 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 lom ke kolmici lom od kolmice Lom ke kolmici nastáá např. při přechodu sětla z akua do zduchu, ze zduchu do ody, ze zduchu do skla. Dodejme ještě, že sětla různých bare (tj. různých frekencí) se odrážejí pod stejným úhlem odrazu, ale sětla různých bare se lámou pod trochu jinými úhly lomu (úhel lomu záisí poněkud na frekenci sětla). Při lomu tedy může dojít k rozkladu sětla na spektrum (str.97). Rozbor takoého rozloženého sětla se nazýá spektrální analýza a může sloužit k určoání lastností zářící látky. Příklady odrazu a lomu sětla: a) odraz zrcadlem b) odraz rozptyl na neroném porchu c) lom zkreslení hloubky d) lom deskou posunutí předmětu zduch zduch sklo zduch oda Příklady a cičení: Situace znázorníme, popíšeme, jey ysětlíme: a) odraz sětla periskopu b) lom sětla bublinou e skle c) lom sětla odní kapkou d) lom sětla skleněným hranolem e) lom prasklinou e skle f) zlomení hole e odě
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 4 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 g) odraz sětla nad rozpálenou silnicí h*) lom sětla e zduchu nad plamenem i*) odraz sětla na zrcadlech úhlu j*) astronomická refrakce Pokud se nespokojíme pouze se skutečností lomu ke kolmici nebo od kolmice, ale budeme chtít stanoit elikost úhlu lomu, musíme tabulkách najít tz. index lomu: Podíl n se nazýá index lomu z prostředí do prostředí. V tabulkách jsou uedeny indexy lomu ze zduchu (případně z akua, což jsou elmi blízké zd zd n hodnoty) do daného prostředí: n, n n. n Potom je možno ypočítat při lomu přesně úhel lomu, známe-li úhel dopadu. Cičení: Index lomu zduch oda je,3. Vypočítejte úhel lomu, jestliže a) dopadá-li sětlo ze zduchu do ody pod úhlem dopadu = 60. b) dopadá-li sětlo z ody do zduchu pod úhlem dopadu = 60. Záěr: Při elkých úhlech dopadu při přechodu sětla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího se přestáá sětlo lámat nastáá úplný odraz (při mezním úhlu dopadu m by se sětlo lámalo pod úhlem lomu = 90 ) V praxi: Optické zobrazoaní Každý předmět, který je zdrojem sětla (buď lastního, nebo rozptýleného), yzařuje na šechny strany sětelné paprsky. (Pro naše úahy je nejjednodušší bodoý zdroj, jehož rozměry se dají zanedbat.) Oko část sětla zachytí a idí předmět místě, ze kterého paprsky ycházejí (prohlédni obrázek): Je-li cestě sětlu prostředí, které rozbíhaý sazek paprsků spojí, znikne skutečný optický obraz předmětu. Oko idí zdroj Z místě, kde se paprsky protínají tj. místě Z skutečného obrazu předmětu (podíej se na obrázek):
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 5 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 Je-li cestě sětlu prostředí, které způsobí, že se sětelné paprsky nespojí, ale budou zdánliě ycházet z jiného bodu, znikne tomto bodě neskutečný (zdánliý) obraz předmětu. Oko idí zdroj Z místě, ze kterého paprsky zdánliě ycházejí, tj. místě Z neskutečného obrazu předmětu (obrázek): Z zdroj Z Příklad zniku neskutečného obrazu předmětu pomocí roinného zrcadla: Vzniká neskutečný obraz předmětu Z e stejné zdálenosti za zrcadlem, jako je předmět před zrcadlem. Využití: Roinná zrcadla se kromě běžného použití k zobrazoání yužíají k násobení obrazů, k filmoým trikům, kaleidoskopu, u optických přístrojů atd. Zobrazoání kuloými zrcadly (str. 0 6) Základní pojmy: a) duté zrcadlo b) ypuklé zrcadlo S střed křiosti, F ohnisko, f ohniskoá zdálenost, a zdálenost předmětu od zrcadla, o optická osa, P předmět (zdroj sětla) Předpokládáme, že zrcadlící plocha je ždy nasměroána dolea a sětlo ždy přichází zlea Konstrukci obrazu proádíme na základě těchto zásad: I. Každý paprsek ronoběžný s optickou osou prochází po odrazu ohniskem (u ypuklého zrcadla e zpětném prodloužení). II. Každý paprsek procházející středem křiosti zrcadla se odráží zpět opačném směru. V praxi se odrážejí do ohniska jen paprsky, které nejsou příliš zdálené od optické osy. Pro jiné to již přesně neplatí. Příklady konstrukce obrazů kuloými zrcadly:
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 6 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 Duté zrcadlo, a > f duté zrcadlo, a < f P P S F přerácený, zmenšený, skutečný obraz přímý, zětšený, neskutečný obraz. Cičení :Sestrojte obraz předmětu dutým zrcadlem, je-li a =5 cm, f = 3 cm, ýška předmětu cm. (a > f) Cičení :Sestrojte obraz předmětu ypuklým zrcadlem, a =5 cm, f = 3 cm, ýška předmětu,5 cm. (a > f) Cičení 3:Sestrojte obraz předmětu dutým zrcadlem, a =3 cm, f = cm, ýška předmětu 0,5 cm. (f < a < f) Dutá zrcadla se použíají jako objektiy hězdářských dalekohledů, k odrážení a soustřeďoání sětla u projektorů a mikroskopů, jako zubařská zrcátka aj. Vypuklá zrcadla se uplatňují jako zpětná zrcátka u automobilů, zrcadla na křižoatkách, u hězdářských dalekohledů aj.
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 7 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 Zobrazoání čočkami (str. 6 ) Základní pojmy: a) spojná čočka spojka b) rozptylná čočka - rozptylka F ohnisko, S optický střed čočky, f ohniskoá zdálenost, a zdálenost předmětu od čočky, o optická osa, č čočka, P předmět. Budeme předpokládat, že sětlo přichází ždy zlea a oko bude ždy prao. Vystačíme potom u čoček jen s jedním ohniskem. Předpokládáme, že jde o čočky tenké a je tedy možno jejich tloušťku zanedbat. Podobně jako u zrcadel uažujeme jen paprsky blízké optické ose. Konstrukci obrazu proádíme podle těchto zásad: I. Každý paprsek ronoběžný s optickou osou prochází po lomu ohniskem (u rozptylky po zpětném prodloužení). II. Každý paprsek procházející optickým středem čočky nemění sůj směr. V praxi se lámou do ohniska jen paprsky, které nejsou příliš zdálené od optické osy. Pro jiné to již přesně neplatí. Zrcadloá a čočkoá ronice Pomocí podobnosti geometrii lze ododit ze základních praidel pro konstrukce obrazů zrcadly a čočkami čočkoou a zrcadloou ronici: a a f a je poloha obrazu měřená od zrcadla nebo od čočky. Ronici ještě musíme doplnit znaménkoou dohodou: pokud jsou u zrcadel měřené zdálenosti do lea, poažujeme je za kladné, jinak budou záporné; pokud jsou u čoček zdálenosti f, a měřené dopraa, budou kladné, jinak budou brány záporně; U zrcadel je přirozený odraz dolea, u čoček je přirozený lom dopraa. Tyto přirozené situace jsou yjadřoány kladnými čísly. Zrcadloá a čočkoá ronice umožňují polohy obrazu ypočítáat Optické přístroje (str. 5) Lupa je spojka, kterou přibližujeme k předmětu do menší zdálenosti, než je ohniskoá zdálenost. Princip zobrazení: spojka, a < f. Vznikne přímý, zětšený, neskutečný obraz. Lupa se použíá k zětšoání drobných předmětů (filatelisté, hodináři) nebo je součástí složitějších optických přístrojů (Keplerů dalekohled, mikroskop aj.).
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 8 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 Fotoaparát, oko, objekti dalekohledu pracují na stejném zobrazoacím principu: spojka, a > f. Vzniká přerácený, zmenšený, skutečný obraz. Fotoaparát: Oko: objekti (spojná soustaa čoček) čočka (zaostřuje akomodací) clona (omezuje množstí sětla) duhoka (funguje jako clona) 3 citliá rsta (film, deska) 3 sítnice (obsahuje čípky a tyčinky citlié na sětlo) Vytoří-li oční čočka obraz před sítnicí (oko není schopno zaostřit, jde o krátkozrakost), použíáme brýle s rozptylkami. Vzniká-li obraz za sítnicí (dalekozrakost), použíáme brýle se spojkami. Přitom -D (dioptrie) odpoídá rozptylce s ohniskoou zdáleností ½ m, +0D odpoídá spojce s ohniskoou zdáleností 0, m Keplerů (hězdářský) dalekohled po úpraě triedr Galileů (holandský) dalekohled diadelní kukátko objekti, okulár (spojka) objekti, okulár (rozptylka) Dalekohled má elkou délku, dáá Dalekohled je krátký, dáá přímý elké zětšení a přerácený obraz. obraz, ale jen malé zětšení. Triedr je kratší a dáá přímý obraz.
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 9 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 Promítací přístroj, objekti mikroskopu pracují na stejném zobrazoacím principu: spojka f < a < f zniká zětšený, přerácený a skutečný obraz Promítací přístroj (projektor) Mikroskop objekti, diapoziti (předmět), objekti (spojná soustaa), 3 kondenzor (soustaa čoček okulár (lupa), 3 preparát soustřeďujících sětlo), 4 žároka (předmět), 4 stojan (stati), 5 duté zrcadlo (odráží sětlo směrem 5 duté prosětloací zrcátko na diapoziti (k soustředění sětla na preparát) Vlnoé lastnosti sětla (str. 03 06) Jsou to zejména interference, ohyb a polarizace Interference sětla je skládání sětelných lnění (str. 03). V některých místech prostoru dochází k zesiloání, jiných k zeslaboání sětla (podobně jako u zuku nebo při skládání jiných lnění). V případě bílého sětla se mohou zesiloat některé bary, jiné se budou zeslaboat a je bude doproázen duhoými barami. Příklady: duhoé zabarení tenkých olejoých skrn, duhoé zabarení tenkých křídel hmyzu, mýdloých bublin, Newtonoých skel, zabarení objektiů optických přístrojů na nichž jsou naneseny tenké antireflexní rsty. Dále dochází k interferenci sětla po odrazech na gramofonoých deskách a na CD discích. Vysětlíme interferenci sětla na tenkých rstách pomocí obrázku: Po lomu urazí sětlo delší dráhu a oba paprsky mohou přijít do oka se stejnou nebo s různou fází (dojde k zesílení nebo zeslabení ).
FYZIKA praconí sešit pro ekonomické lyceum 0 Jiří Hlaáček, OA a VOŠ Příbram, 05 V případě bílého sětla složeného z různých barených sětel se určitém směru zesiluje např. bara čerená a zeslabuje bara zelená. Interference je doproázena znikem duhoých bare. Interference se yužíá praxi pro přesná měření a kontrolu přesných ýrobků. Ohyb sětla difrakce se uplatní případě dopadu sětla na překážky malých rozměrů lákna, štěrbiny, malé otory sětlo se dostane za tyto překážky a do míst, kam by se přímočarým šířením nedostalo (str. 04, 05). Malé rozměry jsou rozměry sronatelné s lnoou délkou použitého sětla Pokusy a příklady: žiletkou prořízneme štěrbinu alobalu a budeme přes ni ze zdálenosti asi 30 cm sledoat sětelný zdroj uidíme ohyboé proužky špičkou jehly propíchneme alobalu nepatrný otor a budeme přes něj ze zdálenosti asi 30 cm sledoat sětelný zdroj uidíme ohyboé kroužky při pohledu na sětelný zdroj přes jemnou tkaninu je možné idět ohyboé kroužky sětelné kruhy kolem Měsíce naznačují existenci drobných částic oblačnosti, na kterých zniká ohyboý je kroužky idí-li čloěk čistém prostředí kruhy, může to znamenat zakalení jeho oční rohoky nebo čočky Polarizace sětla Sětlo je příčné elektromagnetické lnění elektrické a magnetické eličiny E a B jsou kolmé ke směru šíření elektromagnetické lny (a i k sobě nazájem), ale jinak mohou mít roině kolmé ke směru šíření jakékoli směry (str. 05). Nakreslíme obrázek s možnými směry ektoru E : Vhodným odrazem nebo hodným lomem lze získat sětlo lineárně polarizoané, němž je ektor E např. jen sislý. Nakreslíme obrázek s možnými směry ektoru E : Využití polarizace sětla praxi: polarizační brýle umožňují sledoat prostoroě nafilmoané záznamy polarizační filtry pro fotografoání omezují odrazy sětla od ýkladních skříní nebo odních ploch. rybářům mohou omezit nepříjemné odrazy sětla od odních ploch také polarizační brýle některé organické látky stáčejí roinu polarizoaného sětla. Pomocí tz. polarimetrů je pak možné zjistit obsah příslušné organické látky roztoku (str. 06) ------------------------------------------