Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia Jacek A. Michalski Wykłady z Biofizyki

Transkrypt

1 Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia Jacek A. Michalski Wykłady z Biofizyki Zeszyt 1/2010 ISBN: WSZKiPZ Wszelkie Prawa Zastrzeżone

2 WSTĘP W Wyższej Szkole Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia na Studiach Pierwszego Stopnia na kierunku Kosmetologia przedmiot BIOFIZYKA obejmuje 30 godzin zajęć audytoryjnych (wykładów). Zaliczenie przedmiotu odbywa się w oparciu o wynik egzaminu testowego złożonego z co najmniej 30 pytań. Celem testu jest sprawdzenie znajomości przerobionego materiału, a w tym znajomości: stosowanej terminologii i powszechnie używanych definicji, przebiegu omówionych zjawisk i wpływu opisujących je parametrów, aparatury i metod pomiarów oraz prostych algorytmów obliczeniowych stosowanych w fizyce lub biofizyce. Najniższa pozytywna ocena wymaga udzielenia poprawnych odpowiedzi na 50% plus jedno pytanie. Wyższe oceny z dokładnością do pół stopnia wystawiane są proporcjonalnie do większej liczby poprawnych odpowiedzi. Najwyższa ocena przysługuje tylko tym studentom, którzy w całym teście nie udzielili poprawnej odpowiedzi na co najwyżej jedno pytanie. Zadaniem wykładów z Biofizyki jest zaznajomienie studentów ze zjawiskami fizycznymi zachodzącymi zarówno w przyrodzie nieożywionej jak też i w żywych organizmach. Wprowadzenie usystematyzowanych zasad i terminologii powinno ułatwiać im zrozumienie sposobów działania przyrządów pomiarowych i urządzeń stosowanych w zabiegach kosmetycznych. Uzyskana wiedza winna pozwalać im na dokonywanie ocen i Jacek Michalski Wykłady z bio zyki pomiarów prostych wielkości fizycznych w odniesieniu do organizmów żywych i wykluczania wszelkich działań stanowiących chociażby tylko potencjalne zagrożenie. Z drugiej strony studenci powinni posiąść umiejętność rozumienia fizyki działania podstawowych narządów np. układu krążenia, organów wzroku i słuchu itp. W dalszym etapie kształcenia, wiedza ta pozwoli im oceniać siłę oddziaływania poznawanych zabiegów kosmetycznych na poszczególne narządy i cały organizm. Wykładany materiał podzielony jest na 15 wykładów o czasie prezentacji (od około 0.5 do 3 godzin lekcyjnych) zależnym od złożoności omawianych zagadnień. Poniższy spis przedstawia kolejność wygłaszanych wykładów ich tytuły, czas ich trwania i streszczenie (w punktach) omawianych zagadnień. Światło (czas trwania: 3 godziny), zagadnienia: właściwości i natura światła, cień i półcień, widmo fal elektromagnetycznych, mechanizm przechodzenia światła przez ośrodki przeźroczyste, ośrodki nieprzeźroczyste rozpraszanie światła, filtrowanie światła, widmo źródła światła, mieszanie barw, przyjęte standardy barw podstawowych RGB i CMYK, rozpraszanie światła w układach rozproszonych (mgły, koloidy, zawiesiny), odbicie światła (zwierciadła: płaskie, wypukłe i wklęsłe), załamanie światła (soczewki: wypukła i wklęsła), rozszczepienie białego światła (pryzmat), ugięcie fali (dyfrakcja światła), interferencja (światła), Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia

3 interferencja światła na cienkich błonach, polaryzacja światła, emisja światła (źródła światła), widzenie oko ludzkie. Mechanika płynów (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: definicja płynu, pojęcia podstawowe (masa, objętość, gęstość, gęstość średnia), definicje (układ, faza, wielkość fizyczna), pojęcie ciśnienia, ciśnienie hydrostatyczne, wypływ cieczy ze zbiornika, prawo Archimedesa, konsekwencje prawa Archimedesa, naczynia połączone stan równowagi, propagacja ciśnienia w układzie fizycznym (prawo Pascala), zasada działania prasy hydraulicznej i podnośnika hydraulicznego, urządzenia i zasady pomiaru wielkości fizycznych (objętości, gęstości cieczy, gęstości ciał stałych, ciśnienia), napięcie powierzchniowe (na granicy ciecz-gaz i na granicy ciecz ciało stałe), wpływ temperatury na napięcie powierzchniowe, urządzenia i zasady pomiaru napięcia powierzchniowego, kąt zwilżania powierzchni stałych przez ciecze (pojęcia hydrofilowości i hydrofobowości), zjawisko włoskowatości (sił kapilarnych), przepływ płynów zasada ciągłości, lepkość dynamiczna definicja, zachowania reologiczne płynów, urządzenia i zasady pomiaru lepkości płynów, ruch laminarny ruch burzliwy płynów, liczba Reynoldsa jako kryterium, układ krwionośny człowieka. Filtracja (czas trwania 0.5 godziny), zagadnienia: filtracja definicja zjawiska, wpływ siły grawitacji na szybkość filtracji, wpływ różnicy ciśnień na szybkość Jacek Michalski Wykłady z bio zyki filtracji, wykorzystanie siły odśrodkowej do filtracji, zjawiska towarzyszące filtracji. Ruch fal (czas trwania 2.5 godziny), zagadnienia: ruch cykliczny źródło fal, definicje podstawowych wielkości opisujących ruch falowy (częstotliwość, długość fali, prędkość propagacji fali), definicje fal podłużnych i poprzecznych, fale sejsmiczne i ich propagacja w kuli ziemskiej, interferencja fal (mechanicznych), fale stojące definicja, zjawisko Dopplera, fale dziobowe ruch z prędkością naddźwiękową, fala uderzeniowa definicja i źródła, dźwięki (infradźwięki, dźwięki, ultradźwięki), propagacja dźwięków w powietrzu, odbicie fal dźwiękowych, załamanie fal dźwiękowych, częstotliwość własna ciał, rezonans (mechaniczny), interferencja fal dźwiękowych, zjawisko dudnienia, budowa ucha człowieka. Elektrostatyka (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: budowa materii natura ładunków elektrycznych, oddziaływanie na siebie ładunków jedno- i różnoimiennych, hipoteza elektroobojętności Wszechświata, ładunki elementarne, pojęcie izotopu pierwiastka chemicznego, definicja jonu, elektryzowanie się ciał najprostsze źródło ładunków elektrycznych, prawo Coulomba, przewodniki i izolatory, metale gaz elektronowy, prędkość ruchu elektronów w metalach, wpływ pola elektrycznego na ruch elektronów w metalach, mechanizm przepływu prądu elektrycznego w metalach, zjawisko jonizacji, półprzewodniki, wpływ Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia

4 Jacek Michalski Wykłady z bio zyki stężenia i rodzaju domieszek na przewodnictwo półprzewodników i występujące w nich nośniki prądu, własności złącz n-p, nadprzewodniki (zjawisko nadprzewodnictwa), przepływ prądu przez roztwory elektrolitów, kationy i aniony jako nośniki prądu elektrycznego w roztworach, sposoby elektryzowania ciał, natura wyładowań atmosferycznych, polaryzacja ładunkowa dipol, dipole występujące naturalnie w przyrodzie, pole elektryczne, natężenie pola i linie jego sił, ekranowanie pola elektrycznego, potencjał elektryczny, kondensator powietrzny, wpływ wsunięcia dielektryka do kondensatora powietrznego na ładunek w nim zgromadzony, generator van de Graaffa. Prąd elektryczny (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: definicja prądu elektrycznego, warunki przepływu prądu elektrycznego, napięcie i natężenie prądu, definicja obwodu elektrycznego, obwód elektryczny zamknięty, opór elektryczny prawo Ohma, wpływ temperatury na oporność właściwą materiałów, stosowane powszechnie oznaczenia dla wielkości elektrycznych (rezystancji, napięcia i natężenia prądu), urządzenia i zasady pomiarów wielkości elektrycznych (rezystancji, napięcia i natężenia prądu), prawo Ohma a porażenie elektryczne, warunki bezpiecznego posługiwania się energią elektryczną, rodzaje prądu elektrycznego (stały, zmienny, przemienny), prostowanie prądu przemiennego, dioda półprzewodnikowa zasada działania, prędkość elektronów w obwodzie elektrycznym, przyczyny niezerowej rezystancji materiałów, moc prądu elektrycznego, zużycie mocy urządzenia i metody pomiaru, obwód szeregowy definicja (zalety i wady), obwód równoległy definicja (zalety i wady ), przeciążenie obwodu elektrycznego, układ nerwowy człowieka. Magnetyzm (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: budowa magnesu, wzajemne oddziaływania biegunów różno- i równoimiennych biegunów magnesu, igła kompasu zasada działania, położenie linii pola magnetycznego pomiędzy przyciągającymi się i odpychającymi się biegunami, przyczyny obojętności magnetycznej większości atomów pierwiastków, wirowanie elektronów wokół własnej osi jako źródło pola magnetycznego, domeny magnetyczne, warunki magnesowania się materiałów, pole magnetyczne prądu elektrycznego, sposoby dowolnego kształtowania pola magnetycznego, elektromagnes (budowa i zastosowanie), przyszłe zastosowania pól magnetycznych, siła pola magnetycznego a ruch ładunku, elektryczne przyrządy pomiarowe (budowa i zasada działania), silnik elektryczny prądu stałego (budowa i zasada działania), pole magnetyczne Ziemi i jego hipotetyczne źródło, pole magnetyczne Słońca, pole magnetyczne Ziemi jako ochrona przed promieniowaniem kosmicznym, zorza polarna mechanizm jej powstawania, biomagnetyzm, tomografia rezonansu magnetycznego (zasady pomiaru). Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia

5 Indukcja magnetyczna (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: zmienny prąd elektryczny jako źródło zmiennego pola magnetycznego (odkrycie Oersteda), prawo Faradaya i jego fizyczne konsekwencje, pojęcie indukcyjności cewki, generatory prądów zmiennych (budowa i zasada działania), źródła mocy (początki energetyki), prądnica trójfazowa (budowa i zasada działania), generatory magnetohydrodynamiczne (budowa i zasada działania), transformator (budowa i zasada działania), przekładnia transformatora definicja, natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora jako funkcja jego przekładni (podwyższającej lub obniżającej), zjawisko samoindukcji, przesyłanie energii elektrycznej. Ciepło (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: potoczne rozumienie ciepła, pojęcie energii mechanicznej (translacyjnej, rotacyjnej i oscylacyjnej) skumulowanej w każdej molekule, temperatura jako miara średniej energii molekuł, skala temperatur Celsjusza, skala temperatur Farenheita, bezwzględne skale temperatur Kelvina i Rankine a, termometry i zasady pomiaru temperatury, fizyczna definicja ciepła, definicja energii wewnętrznej substancji (układu), jedyny uprzywilejowany kierunek przepływu ciepła (od ciała o wyższej do ciała o niższej temperaturze), pomiar ciepła lub temperatury (zasady), ciepło właściwe definicja, właściwości wody a stabilizacja klimatu (temperatury) w pobliżu dużych zbiorników wodnych, Jacek Michalski Wykłady z bio zyki rozszerzalność cieplna definicja, wpływ zjawiska rozszerzalności cieplnej na konstrukcje budowlane, bimetal (budowa, zasada działania, zastosowania), rozszerzalność cieplna wody i jej wpływ na faunę i florę. Przenoszenie ciepła (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: zjawisko przewodzenia ciepła, rola gazu elektronowego w przewodnictwie cieplnym, izolacja termiczna (morfologia stosowanych materiałów), zjawisko konwekcji wywołane przenoszeniem ciepła, ruch molekuł gazu w atmosferze i ich wpływ na przenoszenie ciepła, zjawisko ucieczki lekkich molekuł z powierzchni Ziemi, wpływ freonów na środowisko naturalne, oziębianie się gazów podczas ich rozprężania (efekt Joule a Thomsona), mechanizm powstawania wiatrów w atmosferze, promieniowanie cieplne definicja, temperatura ciała a jego barwa, pochłanianie i odbicie promieniowania (opis zjawisk i ich uwarunkowania), emisja wypromieniowywanego ciepła, prawo Newton a (prawo stygnięcia), efekt cieplarniany i globalne ocieplenie (opis jakościowy), zasada działania cieplarni, dopływ energii słonecznej do powierzchni Ziemi, naczynie Dewar a termos (zasada i warunki działania). Przemiany fazowe (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: równanie stanu definicja, zjawisko parowania cieczy (zwykle jej ochłodzenie), pojęcie prężności pary nasyconej, bio- zastosowanie parowania wody dla Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia

6 Jacek Michalski Wykłady z bio zyki ochładzania ciał zwierząt, zjawisko skraplania-kondensacji, kondensacja w atmosferze (opady, chmury, mgła), różnice w powstawaniu mgieł i chmur, zjawisko wrzenia, wpływ ciśnienia na temperaturę wrzenia, mechanizm działania gejzeru, zjawisko jednoczesnego wrzenia i zamarzania, zjawiska topnienia i krzepnięcia, zjawiska sublimacji i desublimacji, zjawisko regelacji, pojęcie ciepła przemiany fazowej, opis innych przemian fazowych np. absorpcji lub desorpcji. Przenoszenie masy (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: zjawisko rozchodzenia się zapachów opis fenomenologiczny, dyfuzja przenoszenie masy skutkiem chaotycznego ruchu molekuł (gazy, ciecze i ciało stałe), definicja strumienia dyfundującej masy (Isze prawo Ficka), wyrównanie stężeń a ruch molekuł, konwekcja wpływ gęstości przenoszonej substancji na ruch makroskopowych fragmentów płynu, konwekcja naturalna, równowaga międzyfazowa ciśnienie pary nasyconej i rozpuszczalność, wpływ temperatury na prężność pary nasyconej, wpływ temperatury na rozpuszczalność cieczy i ciał stałych oraz gazów w cieczach, zjawisko adsorpcji, stężenie powierzchniowe definicja, zjawisko chemisorpcji definicja, zjawisko przenikania masy przez powierzchnię międzyfazową, układ limfatyczny człowieka. Wytrzymałość materiałów (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: potoczne rozumienie wytrzymałości i elastyczności materiałów, prawo Hooke a i jego zastosowanie, opis doświadczalnych metod oceny wytrzymałości materiałów, wytrzymałość na rozciąganie, interpretacja wykresu zależności naprężeń rozciągających od wydłużenia próbki, badania niszczące definicja, zjawisko zerwania próbki mechanizm, izotropia i anizotropia materiałów oraz ich wpływ na wytrzymałość, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na ścinanie, wytrzymałość na skręcanie, wytrzymałość na wyboczenie, wytrzymałość na rozdzieranie, twardość powierzchni definicja, metody pomiaru twardości powierzchni, związek wytrzymałości materiałów i twardości powierzchni z kosmetyką. Osmoza, elektroforeza, jontoforeza (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: zjawisko osmozy (opis i geneza), schematyczny mechanizm działania błony półprzepuszczalnej, ciśnienie osmotyczne definicja, terminologia i znaczenie (roztwór hipotoniczny, hipertoniczny, izotoniczny), wpływ stężenia substancji rozpuszczonej i temperatury na ciśnienie osmotyczne, żywe komórki a zjawisko osmozy, zjawiska hemolizy i plazmolizy, osmoza odwrócona definicja i praktyczne zastosowania, zjawisko elektroforezy definicja, współczynnik ruchliwości elektroforetycznej definicja i znaczenie, zastosowania elektroforezy, stosowane techniki laboratoryjne (elektroforeza swobodna, elektroforeza bibułowa, elektroforeza żelowa) i ich znaczenie, zjawisko jontoforezy (jonoforezy) opis i zastosowanie, prąd stały a prąd impulsowy jako Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia

7 czynnik wymuszający wnikanie jonów, materiał stosowanych elektrod a odczyn (zasadowy lub kwaśny) pojawiający się na ich styku ze skórą. Zasady dynamiki (czas trwania 2 godziny), zagadnienia: geneza praw rządzących ruchem ciał materialnych, pierwsza zasada dynamiki definicja i jej konsekwencje, definicje wielkości podstawowych (masa, ciężar, siła), uniwersalność pojęcia bezwładności ciał obdarzonych niezerową masą, druga zasada dynamiki definicja, przyspieszenie a siła i masa, składanie sił określanie siły wypadkowej, równowaga mechaniczna czyli ruch bez przyspieszenia, tarcie definicja i właściwości, tarcie statyczne i tarcie poślizgowe, spadek swobodny ciał ruch z przyspieszeniem g, spadek z tłumieniem czyli spadek z przyspieszeniem mniejszym od g, opór ośrodka, i jego wpływ na prędkość opadania ciał, pojęcie prędkości granicznej, trzecia zasada dynamiki definicja, konsekwencje fizyczne wynikające z trzeciej zasady dynamiki. Ze względu na brak w cyklu kształcenia kursu matematyki stosowany aparat matematyczny został ograniczony do poziomu wymaganego na egzaminie maturalnym. Podawane równania mają formę wynikową, a ich sposoby wyprowadzenia są pozostawione dociekliwości studentów. Stosowane gdzie niegdzie przekształcenia matematyczne są pokazane explicite bez dowodów matematycznych. Jacek Michalski Wykłady z bio zyki Literatura: 1. Paul G. Hewitt, Fizyka wokół nas, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2008 (Podręcznik). 2. Atlas anatomiczny człowieka (dowolnego autora i dowolnego wydawnictwa) Biofizyka, pod redakcją Feliksa Jaroszyka, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 2008 (Literatura uzupełniająca). Zeszyty Dydaktyczne Wyższej Szkoły Zawodowej Kosmetyki i Pielęgnacji Zdrowia

8 ŚWIATŁO CECHY I NATURA

9 Właściwości światła: Ruch prostoliniowy Barwa Zdolność do odbijania się od gładkich powierzchni Zdolność do załamywania się przy przechodzeniu przez ośrodki przeźroczyste

10 CIEŃ I PÓŁCIEŃ

11 Wyjaśnianie zjawisk optycznych dokonuje się na podstawie: Teorii korpuskularnej światła zakładającej, że strumień światła złożony jest z kwantów ( porcji ) energii; Teorii falowej światła zakładającej, że światło zachowuje się jak fala elektromagnetyczna. Podane sposoby opisu natury światła nie konkurują ze sobą, ale wzajemnie uzupełniają się stanowiąc istotę dualizmu falowo-korpuskularnego. Prędkość światła wyznaczona na ich podstawie wynosi m/s.

12 f = λ λ = f f częstotliwość [Hz] λ długość fali [m]

13 Ośrodki przeźroczyste: o W całym zakresie widma o W wycinku widma (filtry optyczne)

14 Ośrodki nieprzeźroczyste o Równomiernie rozpraszające całe widmo (ciała o różnym odcieniu szarości, od białego do czarnego) o Selektywnie rozpraszające widmo światła

15 Widmo źródła światła Widmo światła słonecznego

16 Mieszanie barw Są to trzy barwy podstawowe addytywne RGB (Red, Green, Blue). Mieszanie ich w odpowiednich proporcjach pozwala na wytworzenie dowolnej barwy. Skutkiem złudzenia takie wrażenie będzie odnosił postronny obserwator (człowiek).

17 Wynik zmieszania barw RGB

18 Złudzenie widzenia przez człowieka danej barwy można uzyskać mieszając również inne kolory. W drukarstwie stosuje się jako barwy podstawowe: turkusową, purpurową i żółtą oraz czarną (CMYK Cyan, Magenta, Yellow, K-black). Warto zauważyć, że barwy RGB są dopełniającymi do barw CMYK (z wyjątkiem czarnego) i vice versa.

19 Rozproszenie i absorpcja światła w mgłach, koloidach, zawiesinach Wzrost stężenia fazy rozproszonej zwiększa absorpcję światła w takim ośrodku, Według kolejności najsilniej absorbowane są barwy: nadfioletowa, fioletowa, niebieska, zielona, itd. W ośrodkach, w których stężenie masowe lub objętościowe są w przybliżeniu stałe, zmniejszanie wymiarów zawieszonych cząstek (kropel) powoduje przesunięcie rozpraszanych barw w stronę ich wyższych częstotliwości (krótszych fal), czyli w kierunku fioletu.

20 Odbicie światła θ P = θ O Kąt padania promienia światła jest równy kątowi jego odbicia. Ponadto oba promienie i normalna do powierzchni leżą w tej samej płaszczyźnie.

21 Zwierciadło płaskie Widziany obraz konstruuje się jako symetryczne odbicie względem płaszczyzny zwierciadła. Jest to obraz pozorny o tej samej wielkości. Obraz pozorny to taki, którego nie da się wyświetlić na ekranie (matówce) usytuowanej w miejscu jego postrzegania.

22 Zwierciadło wklęsłe Promienie biegnące równolegle do osi symetrii zwierciadła odbijają się od jego powierzchni i przechodzą przez ognisko F. W wyniku odbicia powstaje obraz rzeczywisty możliwy do wyświetlenia na ekranie (matówce). Ogniskiem nazywamy punkt, przez który przechodzą wszystkie promienie odbite od powierzchni zwierciadła.

23 Zwierciadło wypukłe Promienie biegnące równolegle do osi symetrii zwierciadła odbijają się od jego powierzchni wzdłuż linii przecinających się (za zwierciadłem) w ognisku F. W wyniku odbicia powstaje obraz pozorny. Ogniskiem nazywamy punkt, przez który przechodzą wszystkie linie pokrywające się z promieniami odbitymi od powierzchni zwierciadła. W przypadku zwierciadeł sferycznych, ogniskową nazywamy odległość pomiędzy ogniskiem i powierzchnią zwierciadła.

24 Załamanie światła Zjawisko to występuje podczas przechodzenia promienia światła z jednego ośrodka do drugiego. υ A,υ sinθp sinθ B Z υ A = υ B = n n B A prędkości fali w ośrodkach A i B n,n A B współczynniki załamania światła ośrodków A i B

25 Zwykle załamanie promienia światła występuje wraz z jego częściowym odbiciem

26 Soczewki: skupiająca i rozpraszająca Soczewki tworzą obrazy rzeczywiste. Obrazy te nie są odwrócone chyba, że jest to soczewka skupiająca, a obserwator (ekran) znajduje się od niej dalej niż długość ogniskowej f. Soczewka skupiająca ma zdolność do koncentracji energii świetlnej na niewielkiej powierzchni (blisko ogniska). Może być to przyczyną poparzenia lub nawet zapalenia oglądanego przedmiotu.

27 Związek pomiędzy ogniskową a wymiarami soczewki podaje równanie: 1 f = n n p 1 1 R R 2 Współczynnik załamania powietrza n p praktycznie jest równy jedności, a współczynnik n zależy od materiału z jakiego wykonana jest soczewka (dla szkła n= ). R 1 i R 2 stanowią promienie krzywizn soczewki wyrażone w metrach. Podczas wyprowadzenia równania przyjęto, że dla soczewki skupiającej promienie mają wartości dodatnie, dla rozpraszającej mają wartości ujemne. Stąd też, ogniskowa soczewki skupiającej będzie miała wartość dodatnią a rozpraszającej wartość ujemną. Odwrotność ogniskowej wyrażonej w metrach nazywa się zdolnością zbierającą soczewki i wyraża się ją w dioptriach.

28 Pryzmat rozszczepienie białego światła Wartość współczynnika załamania światła ośrodków przeźroczystych wytworzonych z dostępnych materiałów zależy od częstotliwości fali świetlnej czyli barwy światła. Skutkuje to rozszczepieniem promienia białego światła na poszczególne składowe barwy wewnątrz ośrodka, do którego on wpada. Rozszczepienie ulegnie dodatkowemu wzmocnieniu gdy światło będzie opuszczać ten ośrodek przez drugą ścianę nierównoległą do poprzedniej.

29

30 Ugięcie fali (dyfrakcja światła) Zasada Huygensa Każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej.

31 Interferencja fal (światła) Nakładanie się fal światła powoduje w jednych miejscach sumowanie się ich amplitud (jasne prążki), a w innych ich odejmowanie (ciemne prążki). Zarówno ugięcie jak też interferencja fal uwidaczniają się w świetle koherentnym tzn. gdy źródło światła emituje fale z niezmiennym przesunięciem fazy. Światło słoneczne nie ma tej własności.

32 Interferencja światła na cienkich błonach Oświetlenie cienkiej błony cieczy światłem jednobarwnym (monochromatycznym) pozwala zaobserwować ciemne prążki spowodowane znoszeniem się fal odbitych od dolnej i górnej granicy faz. Położenie prążków zmienia się wraz z ze zmianą położenia oka.

33 Identyczne zjawisko może być wywołane przez cienką warstwę cieczy pokrywającej inną ciecz (np. plama benzyny na kałuży). Oświetlenie takiej warstwy białym światłem spowoduje, że pojawią się na jej powierzchni różnokolorowe linie lub plamy. Zjawisko to spowodowane jest tym, że w widmie odbitym wygaszeniu ulegną tylko niektóre fale o określonej długości (barwie). Wraz ze zmianą kąta patrzenia barwne refleksy będą przemieszczały się i zmieniały kolory.

34 Polaryzacja światła Fala światła jest falą poprzeczną tzn. taką, w której zaburzenie (pole elektrostatyczne i pole magnetyczne) oscyluje w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali.

35 Fale spolaryzowane to takie, w których oscylacje zaburzenia występują w jednej płaszczyźnie. Fale świetlne spolaryzowane pionowo to takie, w których wahania pola elektrostatycznego występują w płaszczyźnie pionowej. Natomiast pozioma polaryzacja tych fal oznacza poziome oscylacje tegoż pola. Z natury fal świetlnych wynika, że płaszczyzna oscylacji pola magnetycznego musi być prostopadła do płaszczyzny oscylacji pola elektrostatycznego. Światło spolaryzowane wytwarza się korzystając ze zjawiska dichroizmu. Polega ono na tym, że promień światła niespolaryzowanego przepuszcza się przez materiał, który jest przeźroczysty jedynie dla światła o określonej polaryzacji, a pozostałe jego składniki bardzo silnie tłumi. Dwie płytki takiego materiału usytuowane jedna za drugą, po obróceniu jednej z nich o 90 o, stają się całkowicie nieprzeźroczyste dla światła.

36 Częściową polaryzację powoduje odbicie światła od powierzchni niemetalicznych. Takie właściwości przejawia między innymi woda i szkło. Wiele związków organicznych (chiralnych) wykazuje aktywność optyczną czyli zdolność do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Właściwość ta jest wykorzystywana w analizie chemicznej np. do określania stężenia sacharozy w roztworach wodnych. Ponadto światło spolaryzowane jest wykorzystywane w: filtrach polaryzacyjnych, okularach przeciwsłonecznych, kolorowych wyświetlaczach ciekłokrystalicznych, projektorach obrazu trójwymiarowego (kina IMAX), defektoskopii urządzeń mechanicznych, mikroskopie polaryzacyjnym (geologia). Ciekawym jest, że niektórzy przedstawiciele świata zwierzęcego korzystają z tego światła przy nawigacji (owady np. pszczoły) lub do wymiany informacji (kałamarnice).

37 Emisja światła Jako źródła światła wykorzystujemy: Emisję światła przez materiały rozgrzane do wysokiej temperatury (pochodnia, świeca, lampa naftowa,, żarówka); Emisję światła (głównie monochromatycznego) przy wykorzystaniu widma spektroskopowego metali (lampa sodowa, lampa rtęciowa, lampa neonowa); Fluorescencyjną emisję światła (świetlówki); Fosforescencyjną emisję światła (cyferblaty zegarków); Elektroluminescencyjną emisję światła (diody LED); Wzbudzenia stanów elektronowych cząsteczek chemicznych (Laser).

38 Budowa: Widzenie oko ludzkie Uproszczona budowa siatkówki będącej stosem kilku warstw neuronalnych. Światło przechodzi przez te warstwy (od lewej do prawej) trafiając na fotoreceptory pręciki i czopki (warstwa po prawej). Zachodząca chemiczna przemiana powoduje przeniesienie sygnału do komórek dwubiegunowych i horyzontalnych (środkowa żółta warstwa). Powstały sygnał jest dalej przewodzony do komórek amakrynowych i neuronów zwojowych. Te neurony mogą wytworzyć potencjał czynnościowy rozchodzący się do ich aksonów (neurytów).

39 Siatkówka ludzkiego oka zawiera około 6 mln czopków i około 100 mln pręcików. Pręciki są wrażliwe na natężenie światła i umożliwiają widzenie czarno-białe. Komórki te w swoich zewnętrznych strukturach zawierają światłowrażliwy barwnik rodopsynę. Pręciki nie występują w dołku środkowym, ale jest ich bardzo dużo na obrzeżach siatkówki. Czopki znajdują się w części centralnej siatkówki i są odpowiedzialne za widzenie barwne. Zawierają one trzy barwniki wrażliwe na światło czerwone, zielone i niebieskie (RGB?). Są one też odpowiedzialne za ostrość widzenia. Największa ilość receptorów znajduje się na plamce żółtej, a na ślepej plamce nie ma ani jednego. Za siatkówką znajduje się warstwa komórek wypełnionych czarnym barwnikiem. Ich zadaniem jest pochłanianie nadmiaru światła wpadającego do oka i zapobieganie zacieraniu konturów przez światło odbite od spodniej warstwy gałki ocznej. Na siatkówce powstaje obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony.

40 Mechanika płynów

41 Płynem nazywamy każdą substancję, która może płynąć tj. dowolnie zmieniać swój kształt w zależności od wypełnionego przez nią naczynia oraz może swobodnie przemieszczać się (przepływać) gdy jest np. przepompowywana przez rury. Tak sformułowana definicja wskazuje na to, że płynami są: gazy i ich mieszaniny (w tym również pary); ciecze i ich mieszaniny (w tym również roztwory); piany; emulsje; zawiesiny; pasty; mgły; dymy.

42 Jednymi z podstawowych wszystkich ciał fizycznych są: i mierzalnych cech ich masa; zajmowana przez nie objętość. Stosunek tych dwóch wielkości pozwala wyznaczyć gęstość ciała. Jednak w przypadku mieszanin będzie to tylko gęstość średnia w całej objętości, a wartość gęstości lokalnej może od niej odbiegać. W fizyce termin układ oznacza zbiór elementów (ciał), pomiędzy którymi zachodzą interakcje istotne do opisania i wyjaśnienia zachowania układu. W wyniku interakcji elementy układu mogą zmieniać swoje parametry, wymieniać między sobą materię i energię a tym samym informację. Często dla odróżnienia od innych układów układ fizyczny nazywamy układem ciał.

43 Faza (termodynamiczna) to jednolita część układu fizycznego oddzielona od innych powierzchniami międzyfazowymi, zwanymi granicami faz, na których zachodzi skokowa zmiana własności fizycznych lub chemicznych. Najprostszym przykładem zawsze odrębnych faz są jednorodne ciała będące w różnych stanach skupienia (np. lód w wodzie lub para nad powierzchnią cieczy). Oddzielne fazy mogą też istnieć w ciele o tym samym stanie skupienia (np. gdy składa się ono z dwóch różnych form krystalicznych). Wielkość fizyczna to właściwość fizyczna ciała lub zjawiska, którą można określić ilościowo czyli zmierzyć. Przykładem takiej wielkości jest zdefiniowana poprzednio gęstość średnia.

44 Mechanika płynów powszechnie posługuje się wielkością fizyczną zwaną ciśnieniem. Wielkość ta jest definiowana jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa. ciś nienie = siła powierzchnia Jednostką ciśnienia jest Pascal [Pa]. Jest on równy działaniu siły jednego Newtona na jeden metr kwadratowy. Należy podkreślić, że ta sama siła działająca na coraz mniejszą powierzchnie skutkuje wzrostem ciśnienia.

45 Ciecz znajdująca się w naczyniu oddziałuje na jego ściany z pewną siłą. Również obserwator znajdujący się pod powierzchnią będzie odczuwał nacisk cieczy znajdującej się ponad nim. Co więcej, nacisk będzie rósł proporcjonalnie do wzrostu głębokości zanurzenia. Oznacza to, że ciśnienie działające na obserwatora (jego powierzchnię) będzie rosło proporcjonalnie do wzrostu jego odległości od powierzchni cieczy. Ciśnienie wywierane przez ciecz na zanurzone w niej przedmioty lub ściany naczynia nazywa się ciśnieniem hydrostatycznym. Wyraża je zależność: ciśnienie * przyspieszenie hydrostatyczne ziemskie = * gęstość głębokość cieczy * zanurzenia

46 Z podanego równania wynika, że ciśnienie hydrostatyczne będzie większe na dnie wąskiej głębokiej studni niż płytkiego rozległego stawu. Ciśnienie hydrostatyczne ma jeszcze i tą właściwość, że oprócz dna oddziałuje również na ściany naczynia. Oznacza to, że przemieszczając się w głąb naczynia będzie rosła siła oddziaływania cieczy na ścianę.

47 Oznacza to, że gdyby wywiercić kilka otworów wzdłuż wysokości naczynia to ciecz wypływająca z nich płynęłaby z prędkością rosnącą w miarę oddalania się od powierzchni swobodnej (tutaj górnej). Dlatego też strumień osiągający największą odległość wypływałby z najniższego otworu.