Optika

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: Dievča ivana123
Typ práce: Referát
Dátum: 16.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 1 485 slov
Počet zobrazení: 5 934
Tlačení: 342
Uložení: 369
Optika
 
Úvod
Vo svojom pôvodnom význame predstavuje optika časť fyziky, ktorá sa zaoberá svetlom, jeho šírením v rôznych prostrediach a na ich rozhraniach, zaoberá sa vzájomným pôsobením svetla a látky, skúma podstatu svetla a ďalšie javy, ktoré so svetlom súvisia. Svetlo je však len časťou spektra elektromagnetického žiarenia. Tiež ostatné druhy žiarenia majú veľké množstvo vlastností, ktoré je vhodné popisovať prostredníctvom optiky. Optiku je teda možné chápať ako náuku o žiarení.. Každý z nás sa s ňou stretáva každý deň, či už sú to okuliare, mikroskopy, alebo len odrazy svetla od vodnej hladiny, ale aj samotný fakt, že vidíme okom. Nie každý ale vie, ako všetky tieto prístroje a javy fungujú. Preto som sa rozhodla urobiť tento projekt a priblížiť aspoň základné poznatky z optiky.

1  Optika

Optika je veda, ktorá sa zaoberá skúmaním podstaty svetla a zákonitostí svetelných javov, ktoré vznikajú pri šírení svetla v prostrediach a na ich rozhraniach. Svetlo je elektromagnetické vlnenie s vlnovou dĺžkou od 380 nm do 780 nm. Hneď vedľa viditeľného svetla sa nachádza ultrafialové (UV) smerom do kratších vlnových dĺžok, a infračervené žiarenie (IR) smerom do dlhších vlnových dĺžok. Napriek tomu, že ľudia nevidia infračervené žiarenie, môžu ho cítiť receptormi v pokožke ako teplo (prejavuje sa aj ako opálenie). Vo vákuu sa svetlo šíri rýchlosťou c = 299 792 458 m/s (c ≐ 3. 108 m/s). V látkovom prostredí je rýchlosť svetla vždy menšia. Svetelné zdroje sú telesá, ktoré vysielajú svetlo. V praxi sa zdroje rozdeľujú na: prirodzené (napr. slnko) a umelé (napr. žiarovka). Vo svetelných zdrojoch vzniká svetlo premenou rôznych druhou energie na svetelnú.
  Prostredie, ktorým sa svetlo šíri sa nazýva optické prostredie. Optické prostredie môže byť:
· priehľadné p.– svetlo prepúšťa bez výrazného zoslabenia (pohltenia, absorpcie),
· nepriehľadné p.– svetlo neprepúšťa (pohlcuje ho, alebo odráža),
· priesvitné p.- svetlo prepúšťa ale rozptyľuje ho všetkými smermi.
Optické prostredie, ktoré má vo všetkých smeroch rovnaké vlastnosti je rovnorodé.

1.1   Odraz a lom svetla
Odraz a lom svetla sa riadia rovnakými zákonmi, aké boli odvodené pre mechanické vlnenie pomocou Huygensovho princípu. Ak dopadá svetelný lúč na rozhranie dvoch prostredí (s odlišnými optickými vlastnosťami), potom sa svetlo na rozhraní čiastočne odrazí a čiastočné láme. Nastáva odraz a lom svetla.

1.1.1   Odraz svetla
Zákon odrazu hovorí:
 Odrazený lúč zostáva v rovine dopadu a uhol odrazu α´ sa rovná uhlu dopadu α; (α´= α)
Rovina určená dopadajúcim lúčom a kolmicou dopadu k , vztýčenou v mieste dopadu O  lúča na rozhranie dvoch optických prostredí, je rovina dopadu.

1.1.2  Lom svetla
Keď lúč dopadá na rozhranie kolmo, postupuje v skle v tom istom smere, v ktorom dopadol na rozhranie. Keď však lúč dopadá na rozhranie šikmo pod uhlom α > 0˚, lúč postupuje v zmenenom smere, nastáva lom svetla ku kolmici alebo od kolmice. Lomený lúč zviera s kolmicou dopadu  k - uhol lomu β.

Ak prechádza svetelný lúč z opticky redšieho prostredia (voda)  do opticky hustejšieho (sklo) nastáva lom ku kolmici - α > ϐ. ( Obrázok 3)

Ak ale prechádza svetelný lúč z opticky hustejšieho prostredia (voda) do opticky redšieho (vzduch) nastáva lom od kolmiceα < ϐ. (Obrázok 4)
  Pri zistení veľkostí niekoľkých dvojíc uhlov α a ϐ a vypočítaním ich sínusov zistíme že platí pomer:  . Na základe Huygensovho princípu vieme, že , čo je vzťah platný aj pre svetlo, pričom v1 je rýchlosť svetla v prvom prostredí a v2 je rýchlosť svetla v druhom prostredí. Definujeme absolútny index lomu n, kde v1 = c je rýchlosť svetla vo vákuu a v2 = v, je rýchlosť svetla v druhom prostredí. Vyjadríme ho pomerom . Absolútny index lomu udáva, koľkokrát je rýchlosť svetla v látke menšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Vieme, že pre danú látku pri stálych podmienkach (teplota, tlak), závisí index lomu od vlastnosti svetla – frekvencie (farby). Preto všeobecne považujeme za index lomu látky monofrekvenčné svetlo – svetlo s jedinou frekvenciou.
  Keď svetlo prechádza z optického prostredia s indexom lomu n1, v ktorom má veľkosť rýchlosti v1, do prostredia s indexom lomu n2, , kde má veľkosť rýchlosti v2, platí:
a zákon lomu svetla môžeme vyjadriť: alebo n1 sin α = n2 sin ϐ

Pre lom svetla platí:
Lomený lúč zostáva v rovine dopadu. Pomer sínusu uhla dopadu a sínusu uhla lomu je pre dve dané prostredia veličina stála a rovná sa obrátenému pomeru absolútnych indexov lomu prostredí.
Tento zákon lomu zistil v 17. storočí Willebrod Snell, preto sa nazýva tiež Snellov zákon.

1.1.3  Úplný odraz svetla a medzný uhol

  Úplný odraz svetla nastáva len pri prechode svetla z opticky hustejšieho do opticky redšieho prostredia (napr. zo skla do vzduchu). Ak sa zväčšuje uhol dopadu α, zväčšuje sa aj uhol lomu ϐ. Pri istom uhle dopadu αm ( lúč 4 na obrázku 5), je uhol lomu ϐ=90°( lúč 4´ na obrázku 5). Uhol dopadu αm, ktorému pripadá uhol ϐ = 90°, sa nazýva medzný uhol. Pri stálom zväčšovaní uhla dopadu α > αm (lúč 5), sa svetlo neláme do opticky redšieho prostredia (vzduchu) ale úplne odráža ( lúč 5´). Nastáva úplný odraz svetla.

Úplný odraz svetla sa využíva aj v prístrojoch refraktometroch (prístroje na meranie indexu kvapalných a pevných látok), pri odrazových hranoloch (používajú sa v mnohých prístrojoch namiesto zrkadiel) a sú na ňom založené aj svetlovodné vlákna (pri osvetlení neprístupných miest v lekárstve).
 
2   Optické zobrazovanie

Optické zobrazovanie je spôsob, ktorým optické sústavy vytvárajú obrazy predmetov. Optickými sústavami utvárame obrazy premetov, ktoré pozorujeme priamo okom, zachytávame na premietacej stene, filme. Optickou sústavou rozumieme sústavu, ktorá mení smer chodu lúčov. Optické sústavy sú napríklad zrkadlo, oko, ďalekohľad, lupa, mikroskop, atď. Keď rozbiehavý zväzok lúčov vychádzajúci zo svietiaceho alebo osvetleného telesa dopadne priamo do oka, hovoríme o priamom videní. Oko zmení rozbiehavý zväzok lúčov na zbiehavý a vytvorí obraz premetu. Oko tak je optickou sústavou.

2.1   Zobrazovanie odrazom na rovinnej ploche
Rovinná plocha alebo tiež rovinné zrkadlo. Pred zrkadlom je svietiaci alebo osvetlený predmet A. Ak chceme vedieť, kde oko uvidí obraz tohto predmetu, zostrojíme si podľa zákonu odrazu lúče ktoré vychádzajú z predmetu A a po odrazení dopadajú do oka. Lúče sú po odraze rozbiehavé a medzi zrkadlom a okom sa nepretínajú (Obrázok 6). To znamená že vznikne neskutočný obraz. Obraz A´ bodu A nájdeme tak, že zostrojíme z bodu A kolmicu na  zrkadlo a po predĺžení kolmice za zrkadlo, nanesieme dĺžku a.
 
Obraz utvorený v rovinnom zrkadle je vždy neskutočný, priamy, rovnako veľký ako predmet a symetricky združený vzhľadom na rovinu zrkadla.
 
2.2   Zobrazovanie odrazom na guľovej ploche
Zrkadliacu plochu guľových zrkadiel tvorí časť povrchu gule. A preto ich rozdeľujeme na:
· duté (svetlo odráža vnútorná plocha gule)
· vypuklé (svetlo odráža vonkajšia plocha gule).
 V guľových zrkadlách je dôležitý bod C, na obrázku 7, ktorý sa nazýva stred optickej plocha. Priamka vedená stredom optickej plochy je optická os zrkadla, priesečník optickej osi s guľovou plochou zrkadla je vrchol zrkadla V, bod F je ohnisko (pri dutom zrkadle – skutočné, pri vypuklom – neskutočné). Vzdialenosť  je polomer krivosti zrkadla,  je ohnisková vzdialenosť, pričom . Vzdialenosť predmetu od vrcholu zrkadla  je predmetová vzdialenosť. Vzdialenosť obrazu od vrcholu zrkadla  je obrazová vzdialenosť. Pri zobrazovaní platí takzvaná znamienková konvencia. Znamená to, že vzdialenosti pred zrkadlom sú kladné, za zrkadlom záporné (duté zrkadlo má f  > 0, vypuklé má f < 0) a keď a´ > 0, obraz je skutočný; keď a´ < 0,obraz je neskutočný.

Najpresnejšie zobrazovanie vzniká lúčmi v blízkosti optickej osi – paraxiálnymi lúčmi. Priestor v ktorom sú tieto lúče sa nazýva paraxiálny priestor. Lúče prechádzajúce cez stred C sa odrážajú späť tým istým smerom, lúče rovnobežné s optickou osou sa odrážajú do ohniska a lúče idúce cez ohnisko sa odrážajú rovnobežne s optickou osou. Tento spôsob chodu spätných lúčov sa nazýva zákon spätného chodu lúčov.  Duté zrkadlá môžu vytvárať dva typy obrazov. Ak sa predmet nachádza v blízkosti zrkadla, obraz je vzpriamený a zväčšený. Ak ide o predmet vzdialený, svetelné lúče sa po odrazu zbiehajú a vytvárajú malý prevrátený obraz. Vypuklé zrkadlá vytvárajú vždy len malý vzpriamený obraz

2.2.1   Zobrazovacia rovnica
Lúč AM, ktorý zviera s optickou osou uhol ρ, po odraze na zrkadle v bode M pretne optickú os v bode A'. Vzdialenosť A' od vrcholu zrkadla V označíme α'. Z obrázka 8 vyplýva ρ = σ + α, σ' = ρ + α, úpravou oboch rovníc dostaneme:. Ak je lúč AM paraxiálny, uhly sú také malé, že ich tangensy môžeme vyjadriť priamo veľkosťami uhlov v oblúkovej miere a oblúk MV môžeme pokladať za úsečku kolmú na optickú os a trojuholníky AVM, CVM a A'VM za pravouhlé, platí:

Dosadením do predchádzajúcej rovnice dostaneme zobrazovaciu rovnicu guľového zrkadla: Táto rovnica platí aj pre vypuklé aj duté zrkadlo.

2.2.2  Priečne zväčšenie Z
Priečne zväčšenie je pomer výšky obrazu y’ a výšky predmetu y, teda: Z podobnosti trojuholníkov (Obrázok 9 )dostaneme
Znamienko mínus vyjadruje, že predmet a obraz sú v navzájom opačných polrovinách, podľa veľkosti a znamienka zväčšenia rozoznávame vlastnosti obrazu:
 
Záver
Optika je rozsiahly odbor vo fyzike, práve preto som sa rozhodla v mojej práci spracovať len základy, ktoré sú dôležité na pochopenie najzákladnejších optických javov. Použila som veľa obrázkov v texte, pretože si myslím, že fyziku je možné oveľa lepšie pochopiť na základe obrázkov, ktoré ozrejmujú princíp. Rozhodla som sa maturovať z fyziky, takže vypracovanie tohto projektu mi pomohlo prehĺbiť a zopakovať si poznatky nadobudnuté na hodinách fyziky. Dúfam, že vďaka mojej práci dokážu čitatelia lepšie pochopiť niektoré každodenné javy. Taktiež si myslím, že táto práca bude vhodnou pomôckou pre študentov, ktorí si potrebujú zopakovať, alebo pripomenúť učivo z optiky.
Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 (10-najlepšie, priemer: 9.6)

:: Prihlásenie



Založiť nové konto Pridať nový referát

Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE - Referáty, ťaháky, maturita:

0.017