Dane INFORMACYJNE

Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: Zespół Szkół w Sławnie • ID grupy: 97/2_mf_g1 • Kompetencja: matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: Zjawiska optyczne • Semestr/rok szkolny: I / 2009/2010

SPIS TREŚCI Spis treści • Jaka jest natura światła? • Nauka o świetle • Klasyczna optyka

SPIS TREŚCI • Model optyki geometrycznej 4.1 Wiązka, promień światła 4.2 Zjawiska optyki geometrycznej 4.2.1 Prawo odbicia światła a) „Puszczanie zajączków” b) Studium przypadku 1: aula szkolna c) Studium przypadku 2: dowolne pomieszczenie 4.2.2Prawo załamanie światła a) Ciekawy efekt załamania światła 4.3Zaleta modelu optyki geometrycznej 4.4Wada modelu optyki geometrycznej

SPIS TREŚCI • Optyka falowa 5.1 Pojęcie światła w optyce falowej 5.1.1Widmo fal elektromagnetycznych 5.1.2Natura falowa światła a) Obserwacja zjawiska falowego światła 5.1.3 Natura kwantowa światła a) Światło nie jest „ciągłą nitką” b) Wnioski z obserwacji • Podsumowanie: optyka geometryczna czy falowa?

JAKA JEST NATURA ŚWIATŁA? Jaka jest natura światła? • Czy światło jest zbiorem cząsteczek, • czy też ruchem wypełniającym świat?

JAKA JEST NATURA ŚWIATŁA? • Czym jest światło?

NAUKA O ŚWIETLE Nauka o Świetle • Tradycyjnie, naukę o świetle i budowaniu przyrządów optycznych, określano mianem optyka. • Obecnie, światło rozważa się w ramach działu fizyki traktującego o rozchodzeniu się fal elektromagnetycznych.

KASYCZNA OPTYKA Klasyczna optyka • Traktuje o częściach fal elektromagnetycznych, które są odbierane przez oko człowieka.

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ Model optyki geometrycznej • Główne założenia: • światło rozchodzi się jako strumień promieni, • promienie biegną prostoliniowo od źródła światła do momentu, w którym napotkają na przeszkodę lub zmianę ośrodka.

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > WIĄZKA, PROMIEŃ ŚWIATŁA Wiązka, promień światła • Promień światła jest to pojedynczy, bardzo cienki i rozchodzący się w jednym kierunku "fragment" światła". • Wiązka świetlna to wiele promieni rozchodzących się w zbliżonym kierunku. Rodzaje wiązek światła • równoległe • rozbieżne • zbieżne • inne...

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ Zjawiska optyki geometrycznej • odbicie światła • załamanie światła

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA Prawo odbicia światła • Kąt odbicia równy jest kątowi padania. • Kąty, padania i odbicia, leżą w jednej płaszczyźnie α β Ośrodek pierwszy Ośrodek drugi α = β

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA „puszczanie zajączków” Problem zainspirowany dziecięcą zabawą w „puszczanie zajączków” na ścianę. W jaki sposób rozmieścić w auli szkolnej wzdłuż ścian 7 lusterek tak, aby osoba stojąca na środku krótszego boku auli „puszczająca zajączka” została oświetlona światłem odbitym?

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA Studium przypadku 1: Aula szkolna • Obliczenia dla auli o wymiarach 30m x 20m

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA Studiumprzypadku 2: Dowolne pomieszczenie Uogólnienie obliczeń dla dowolnego prostokątnego pomieszczenia.

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA Prawo załamania światła • Stosunek sinusa kąta padania, do sinusa kąta załamania jest dla danych ośrodków stały i równy stosunkowi prędkości fali w ośrodku pierwszym, do prędkości fali w ośrodku drugim. • Kąty padania i załamania leżą w tej samej płaszczyźnie. Ośrodek pierwszy α Ośrodek drugi β α – kąt padania, β – kąt załamania v1 – prędkość światła w ośrodku 1 v2 – prędkość światła w ośrodku 2

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZJAWISKA OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA Ciekawy efekt załamania światła • Złudzenie "złamania" patyka umieszczonego w misce z wodą.

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > ZALETA MODELU OPTYKI GEOMETRYCZNEJ zaleta modelu optyki geometrycznej • Główną zaletą modelu optyki jest to, że jest użyteczny, w oparciu o niego świetnie działają takie przyrządy jak: • aparaty fotograficzne, • okulary, • lornetki, • teleskopy, itp.

MODEL OPTYKI GEOMETRYCZNEJ > WADA MODELU OPTYKI GEOMETRYCZNEJ Wada modelu optyki geometrycznej • Model ten nie do końca jest zgodny z rzeczywistością. • Prawa optyki geometrycznej przestają działać wtedy, gdy rozmiary obiektów zbliżają się do rozmiaru mikrometra. • Światło przestaje rozchodzić się prostoliniowo i dzieją się zjawiska charakterystyczne dla optyki falowej.

OPTYKA FALOWA Optyka falowa • Model ruchu falowego zakłada, że energia fali przenosi się nie poprzez ściśle określony tor ale porusza się na raz wieloma drogami – właściwie całą dostępną przestrzenią. • Wielkością charakterystyczną dla modelu falowego jest długość fali.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ Pojęcie światła w optyce falowej • Światło jest falą elektromagnetyczną o długościach fali z zakresu od 0,39 μm do 0,74 μm. Światło widzialne stanowi tylko drobną część powstających we wszechświecie fal elektromagnetycznych, a pozostałego zakresu tych fal ludzkie oczy nie są w stanie zarejestrować. • Światło rozchodzi się w próżni z prędkością c= 299 792 458 m/s.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > WIDMO FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH Widmo fal elektromagnetycznych

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA FALOWA ŚWIATŁA Natura falowa światła • W optyce falowej (a także w rzeczywistości) światło może np. omijać przeszkody, rozdzielać się na wiązki, rozszczepiać na kolory tylko z powodu różnic przebytej przez światło drogi.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA FALOWA ŚWIATŁA Obserwacja zjawiska falowego światła • Doświadczenie: • W ciemnym pokoju oświetlamy płytę kompaktową zwykłą latarką, tak aby odbite światło padło na ścianę, pełniącą rolę ekranu.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA FALOWA ŚWIATŁA Obserwacja zjawiska falowego światła Przy pewnym ustawieniu płyty i latarki odbite światło wyraźnie rozszczepia się na wielokolorową piękną tęczę.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA KWANTOWA ŚWIATŁA Natura kwantowa światła • Doświadczenie: • W ciemnym pokoju oświetlamy płytę kompaktową laserem, tak aby odbite światło padło na ścianę, pełniącą rolę ekranu. • Światło lasera ma tę własność, że zawiera w sobie ściśle określoną długość fali (czasami dwie długości fali), czyli bardzo ściśle określoną barwę światła. • Dzięki temu nie rozszczepia się ono na kolorową tęczę.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA KWANTOWA ŚWIATŁA Światło nie jest „ciągłą nitką” Światło jest jakby pokawałkowane w miniaturowe porcje.

OPTYKA FALOWA > POJĘCIE ŚWIATŁA W OPTYCE FALOWEJ > NATURA KWANTOWA ŚWIATŁA Wnioski z obserwacji • Dla pojedynczej fali światła lasera widać, że z jednego strumienia (promienia) światła tworzy się rząd świecących plamek. • Gdyby światło zwyczajnie się odbijało jak pojedyncza wiązka, to na ekranie powstałaby tylko jedna plamka.

PODSUMOWANIE: OPTYKA GEOMETRYCZNA CZY FALOWA? Podsumowanie: Optyka geometryczna czy falowa? • Model geometryczny jest uproszczeniem rzeczywistego rozchodzenia się światła, ale może być stosowany w sytuacjach, w których obiekty stojące na drodze światła są stosunkowo duże.

PODSUMOWANIE: OPTYKA GEOMETRYCZNA CZY FALOWA? Podsumowanie: Optyka geometryczna czy falowa? • Przestaje funkcjonować w sytuacjach, gdy światło spotyka obiekty o wielkościach porównywalnych z długością fali świetlnej. Większość widzialnych obiektów jest wyraźnie większa od tego rozmiaru. Dlatego w typowych życiowych sytuacjach zjawiska falowe się nie ujawniają, a model geometryczny jest jak najbardziej uprawniony.

Dane INFORMACYJNE