. Zadania problemowe z optyki I LO im. Stefana Żeromskiego w Lęborku 3 lutego 2012
Zasada Fermata Sens fizyczny zasady Zasada, sformułowana przez Pierre a Fermata w 1650 roku dotyczy czasu przejścia światła pomiędzy dwoma punktami. Jej sens można sformułować następująco: Światło biegnie po takiej drodze, na pokonanie której potrzebny jest ekstremalny (na ogół najmniejszy) czas. Zasada ta umożliwia na przykład sformułowanie praw odbicia i załamania fal poprzez znalezienie warunków minimalnego czasu na pokonanie drogi pomiędzy dwoma zadanymi punktami.
Zasada Fermata dla odbicia fal
Zasada Fermata dla załamania fal Poszukujemy więc takiej wartości x, przy ustalonych położeniach punktów A, i B, by droga optyczna była minimalna.
Zadanie z przykładowym rozwiązaniem Zadanie 1 Ryba znajduje się w punkcie P na głębokości h = 1, 5m. Na jakiej głębokości h, widzi ją wędkarz, który spogląda pod kątem 45 0? Współczynnik załamania wody n = 1, 33. Rozwiązanie - sytuację przedstawia rysunek
Zadanie z przykładowym rozwiązaniem Wędkarz widzi rybę na przedłużeniu promienia załamanego, w punkcie P, (rysunek). Z trójkąta AOP mamy: AO h = tgβ, a z trójkąta AOP : AO h = tgα. Dzieląc stronami równania otrzymujemy: h h = tgβ tgα, czyli h = h sinβ sinα cosα cosβ = h 1 n cosα cosβ. h = h 1 n cosα h = h 1 n 1 sin 2 β cosα 1 ( sinα n )2 Korzystamy ze wzoru trygonometrycznego: cosβ = 1 sin 2 β, z prawa załamania: sinβ = sinα n. Z warunków zadania wiemy, że: α = 45 0, sin45 = cos45 = 2 2 co daje ostatecznie wynik dla h h = 94cm
Zadanie z przykładowym rozwiązaniem Zadanie 2 Na głębokości h = 2 m pod punktem P na powierzchni wody znajduje się płetwonurek o bardzo złych zamiarach. Zbliża się do niego James Bond na swojej bezszelestnej lodzi. Na jaką odległość może podpłynąć do punktu P, aby złowieszczy płetwonurek go nie zauważył? Współczynnik załamania wody n = 1, 33. Rozwiązanie - sytuację przedstawia rysunek
Zadanie z przykładowym rozwiązaniem Płetwonurek może zobaczyć przedmioty na powierzchni znajdujące się wewnątrz okręgu o promieniu r, wyznaczonym przez kąt graniczny (rysunek). Jeśli spojrzy pod kątem większym niż α gr, to zobaczy obraz dna w świetle odbitym od powierzchni wody. Z trójkąta APB, mamy: r = htgα gr. Warunek na kąt graniczny: sinα gr = 1 n James Bond nie powinien zaleźć się bliżej niż 2,28 m od punktu P.
Zadania do samodzielnego rozwiązania Zadanie 1 Bombka choinkowa o średnicy d = 12cm wytwarza obraz okna. Na środku okna naklejono ozdobę świąteczna o wysokości h = 15cm. Wysokość obrazu tej ozdoby wynosi h 0 = 0, 2cm. W jakiej odległości od okna stoi choinka? Zadanie 2 Niektóre lusterka kosmetyczne dają. lekko powiększone obrazy twarzy. Oszacuj promień krzywizny takiego lusterka, zakładając, że odległość, na jaką zbliża się do niego twarz, wynosi od x 1 = 2cm do x 2 = 35cm. Zadanie 3 Soczewka dwuwypukła o zdolności skupiającej D = 9 dioptrii jest wykonana ze szkła o bezwzględnym współczynniku załamania n = 1, 6. Jedna z powierzchni ograniczających soczewkę ma promień krzywizny r 1 = 10cm. Jaki jest promień krzywizny drugiej powierzchni? Zadanie 4 Soczewka płasko-wypukła o promieniu krzywizny r = 0, 15m jest zrobiona ze szkła o bezwzględnym współczynniku załamania światła n = 1, 5. Za pomocą tej soczewki uzyskano obraz powiększony 3 razy. Określ położenie przedmiotu i ekranu w przypadku, gdy: a) uzyskany obraz jest rzeczywisty; b) uzyskany obraz jest pozorny.
Zadania do samodzielnego rozwiązania cd.. Zadanie 5 Odległość obrazu rzeczywistego od szklanej soczewki skupiającej wynosi y 1 = 0, 1m. Jeżeli cały układ zanurzymy w wodzie, nie zmieniając odległości miedzy przedmiotem i soczewką, to obraz rzeczywisty powstanie w odległości y 2 = 0, 6m od soczewki. Oblicz ogniskową soczewki w powietrzu. Współczynnik załamania szkła n 1 = 1, 5, a wody n 2 = 1, 33. Zadanie 6 Symetryczna soczewka dwuwklęsła o promieniach krzywizny r = 10cm jest wykonana ze szkła o bezwzględnym współczynniku załamania światła n = 1, 6. Oblicz powiększenie obrazu, który uzyskano dla przedmiotu ustawionego w odległości x = 25cm od soczewki. Zadanie 7 Równoległa wiązka światła białego pada na soczewkę dwuwypukła o promieniu krzywizny r 1 = r 2 = 0, 15m. Oblicz ogniskową tej soczewki dla promieni czerwonych i fioletowych. Współczynniki załamania tych promieni wynoszą w tym przypadku odpowiednio ncz = 1, 57 i n f = 1, 61.