Falowa natura światła

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Falowa natura światła"

Martyna Kozłowska
5 lat temu
Przeglądów:

1 Falowa natura światła Christiaan Huygens Thomas Young James Clerk Maxwell Światło jest falą elektromagnetyczną Barwa światło zależy od jej długości (częstości).

Optyka geometryczna Optyka geometryczna dział optyki zajmujący się wytłumaczeniem zjawisk optycznych przy użyciu pojęcia promienia świetlnego (nieskończenie wąskiej wiązki światła).

2 Optyka geometryczna Optyka geometryczna dział optyki zajmujący się wytłumaczeniem zjawisk optycznych przy użyciu pojęcia promienia świetlnego (nieskończenie wąskiej wiązki światła). Promienie świetlne, skierowane zgodnie z kierunkiem propagacji, są zawsze prostopadłe do frontu falowego (powierzchni o stałej fazie) Promień Ma zastosowanie np. do analizy zjawisk odbicia i załamania światła, przejścia światła przez soczewki, pryzmat Front falowy

3 Własności promieni świetlnych 1) W ośrodkach jednorodnych światło porusza się po linii prostej. 2) Światło zmienia kierunek propagacji gdy ośrodek jest niejednorodny w przestrzeni lub czasie (np. na granicy dwóch ośrodków o różnej prędkości rozchodzenia się światła). 3) Promienie są prostopadłe do frontu falowego. 4) W zależności od kształtu frontów falowych, fale dzielimy na: a) fale płaskie (wiązka równoległa) b) fale koliste λ c) fale kuliste 5) Odległość pomiędzy frontami falowymi, czyli powierzchniami o stałej fazie, jest równa długości fali λ. 6) Pierwszy front falowy nazywamy czołem fali. λ

Odbicie światła powierzchnia gładka Odbicie lustrzane: promienie świetlne wiązki odbitej są równoległe do siebie powierzchnia chropowata Rozpraszanie: promienie świetlne wiązki

4 Odbicie światła powierzchnia gładka Odbicie lustrzane: promienie świetlne wiązki odbitej są równoległe do siebie powierzchnia chropowata Rozpraszanie: promienie świetlne wiązki odbitej nie są równoległe do siebie Powierzchnia zwierciadlana płaska lub zakrzywiona powierzchnia, której szorstkość jest małą w porównaniu o długości padającego promieniowania

5 Prawo odbicia światła Światło padając na granicę dwóch ośrodków ulega odbiciu. Normalna Promień padający Promień odbity Normalna prosta prostopadła do powierzchni odbijającej w punkcie, w którym pada promień θ 1 θ 1 Kąt padania θ 1 kąt pomiędzy normalną a promieniem padającym Kąt odbicia θ 1 kąt pomiędzy normalną a promieniem odbitym Promień padający, normalna i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt odbicia jest równy kątowi padania: θ 1 = θ 1

6 Dwukrotne odbicie θ 1 = θ 1 θ 1 θ 1 φ θ 2 θ 2 θ 2 = θ 2 γ γ = 360 2φ Następuje odchylenie biegu promienia świetlnego o kąt γ = 360 2φ, niezależnie od kąta padania.

7 Odbicie wsteczne φ = 90 γ = 180 promień padający i odbity są wzajemnie równoległe: następuje odbicie wsteczne, niezależnie od kąta padania światła Corner cube retroreflector Cat's eye

8 Retroreflektory

9 Załamanie światła (Refrakcja) Refrakcja zmiana kierunku rozchodzenia się fali, załamanie fali związane ze zmianą jej prędkości podczas propagacji Normalna Promień padający Promień odbity Normalna prosta prostopadła do powierzchni odbijającej w punkcie, w którym pada promień θ 1 θ 1 θ 2 Promień załamany Kąt padania θ 1 kąt pomiędzy normalną a promieniem padającym Kąt odbicia θ 1 kąt pomiędzy normalną a promieniem odbitym Kąt załamania θ 2 kąt pomiędzy normalną a promieniem załamanym Płaszczyzna padania płaszczyzna wyznaczona przez promień padający i normalną; leży w niej promień odbity i załamany

10 Quick Quiz 34.2 Załamanie i odbicie Promień padający: 1,3,4 Promień odbity: 2,4 Promień załamany: 3,5

11 Prawo załamania światła (prawo Snella) Promień padający, normalna i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt załamania jest związany z kątem padania zależnością: n 2 sinθ 2 = n 1 sinθ 1

12 Współczynnik załamania światła n = prędkość światła w próżni prędkość światła w ośrodku = c V

13 Przejście światła do ośrodka optycznie gęstszego (n 2 >n 1 ) n 2 > n 1 V 2 < V 1 Normalna Promień padający np.: powietrze woda woda gliceryna gliceryna diament θ 1 n 1 n 2 > n 1 sinθ 2 = n 1 n 2 sinθ 1 < sinθ 1 n 2 θ 2 Promień załamany θ 2 < θ 1 Po załamaniu promień zostaje odchylony w kierunku normalnej.

14 Przejście światła do ośrodka optycznie rzadszego (n 2 < n 1 ) n 2 < n 1 V 2 > V 1 np.: woda powietrze gliceryna woda Promień padający θ 1 Normalna diament gliceryna n 1 n 2 < n 1 sinθ 2 = n 1 n 2 sinθ 1 > sinθ 1 n 2 θ 2 Promień załamany θ 2 > θ 1 Po załamaniu promień zostaje odchylony od kierunku normalnej.

15 Całkowite wewnętrzne odbicie sinθ 2 = n 1 n 2 sinθ 1 Wraz ze wzrostem kąta padania rośnie kąt załamania n 2 θ 2 α 2 β 2 = 90 Gdy sinθ 1 = n 2 n 1 sinθ 2 = 1 θ 2 = 90 Promień ulega w całości odbiciu, nie występuje załamanie. n 1 θ 1 θ 1 α 1 α 1 β 1 β 1 γ 1 γ 1

Całkowite wewnętrzne odbicie Całkowite wewnętrzne odbicie występuje, gdy światło pada z ośrodka optycznie gęstszego na powierzchnię graniczną z ośrodkiem

16 Całkowite wewnętrzne odbicie Całkowite wewnętrzne odbicie występuje, gdy światło pada z ośrodka optycznie gęstszego na powierzchnię graniczną z ośrodkiem optycznie rzadszym pod kątem równym lub większym od kąta granicznego: θ gr = arcsin n 2 n 1 = arcsin n 21 n 2 θ 2 α 2 β2 = 90 n 1 θ 1 θ 1 α 1 α 1 β 1 β 1 γ 1 γ 1

17 Całkowite wewnętrzne odbicie θ gr = arcsin n 2 wraz ze spadkiem względnego współczynnika = arcsin n n 21 1 załamania maleje kąt graniczny światłu trudniej opuścić materiał optyczny Diament Cyrkonia Pleksi Światłowód

18 Refrakcja atmosferyczna n 4 n 3 n 2 Malejący współczynnik załamania n 1 Malejący współczynnik załamania Jeśli w ośrodku współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły (na skutek zmian np. temperatury, ciśnienia, składu chemicznego), to promień zakrzywia się również w sposób ciągły zawsze w kierunku obszaru o większym n i przy braku odbicia światła.

19 Miraż, fatamorgana Miraż, fatamorgana zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości optycznej. Miraż górny Miraż dolny

20 Dyspersja Dyspersja oznacza zależność prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku od długości (częstości) fali, co jest równoważne zmianom współczynnika załamania wraz ze zmianami długości fali. Miarą dyspersji dla danej długości fali jest pochodna współczynnika załamania po długości fali lub po liczbie falowej: dn λ dλ = dn k dk

21 Dyspersja Miarą dyspersji dla danej długości fali jest pochodna współczynnika załamania po długości fali lub po liczbie falowej: dn λ dλ dn k = dk 1) Dyspersja normalna: 2) Dyspersja anomalna: 3) Brak dyspersji: dn λ dn λ dλ < 0 dn λ dλ > 0 dλ = 0 Dyspersja normalna

22 Dyspersja Aby liczbowo określić wielkość dyspersji w całym zakresie światła widzialnego, definiuje się dyspersję średnią, czyli: n = n F n C Dyspersją względną (zdolnością rozszczepiającą) nazywa się stosunek: ν = n F n C n d 1 Odwrotność tej wielkości nazywamy współczynnikiem dyspersji lub liczbą Abbego. V d = n d 1 n F n C Kron: n V d 60 Szkło akrylowe: n V d 60 Szkło kwarcowe: n V d 70 n F współczynników załamania niebieskozielonej linii F w widmie Fraunhofera λ = 486 nm n C współczynników załamania czerwonej linii C w widmie Fraunhofera λ = 656 nm n d współczynników załamania żółtej linii D sodu w widmie Fraunhofera λ = 589 nm

23 Dyspersja (rozszczepienie) Dyspersja oznacza zależność prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku od długości (częstości) fali, co jest równoważne zmianom współczynnika załamania wraz ze zmianami długości fali. Na skutek dyspersji światło na granicy ośrodków ulega rozszczepieniu na barwy składowe. Dyspersja zjawisko rozszczepienia światła polichromatycznego (wielobarwnego) na monochromatyczne (jednobarwne).

współczynnika załamania: przy dyspersji normalnej promień czerwony odchylany jest

24 Rozszczepienie światła Pryzmat, promień o widmie ciągłym Płytka płasko-równoległa, promień z barw dopełniających 1) Odchylenie promienia jest proporcjonalne do współczynnika załamania: przy dyspersji normalnej promień czerwony odchylany jest najsłabiej. 2) Im mniejszy współczynnik dyspersji, tym silniej jest rozszczepiane światło. V d = n d 1 n F n C

25 Promień fioletowy ma większe odchylenie od czerwonego Tęcza

26 Podwójna tęcza

27 Inne zjawiska w atmosferze 1. halo 22, 2. słońca poboczne, 3. słup słoneczny, 4. krąg parheliczny, 5. łuk okołozenitalny, 6. łuk styczny i halo opisane, 7. halo 46, 8. podsłońce 9. widmo brokenu, gloria

Podobne dokumenty

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak Wykład FIZYKA II 7. Optyka geometryczna Instytut Fizyki Politechniki Wrocławskiej http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/ WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA Współczynnik załamania ośrodka opisuje zmianę prędkości fali