stáhnout

8.3.2016
Optika
Základní pojmy
z optiky
nauka o světle
• s použitím optiky se setkáváme v mnoha
oblastech (např. široké užití laseru v lékařství)
• světlo je druhem elektromagnetického vlnění,
současně však má charakter proudu částic (tzv.
fotonů)
• tato teorie nazvaná částicově-vlnový dualismus
znamenala na počátku 20. století ve fyzice i
filosofii velké změny v chápání světa
Světlo jako elektromagnetické vlnění
• poznatek vyslovený J.C.Maxwellem v 2. pol. 19.
století
• „vysílači“ jsou atomy látek
• to znamená, že vlnová délka světla je řádově
blízká rozměru atomu :
390 nm (fialová barva) – 780 nm (červená)
(1 nm = 10-9m)
• světlo různých vlnových délek znamená různé
vnímání barvy světla
Spektrum světla
• obsahuje všechny barvy duhy
• fialová barva navazuje na UV záření, červená
barva na infračervené záření
• oko je nejcitlivější na barvu žlutozelenou s
λ = 550 nm
• složením všech barev vzniká světlo bílé (odpovídá
zobrazovacímu modelu RGB – např. zobrazení
monitoru)
•
•
•
•
Příklady spekter:
a) spojité spektrum
b) čárové (emisní) spektrum
c) pásové spektrum
d) absorpční čárové spektrum
1
8.3.2016
Rychlost světla
• značíme c
• odpovídá rychlosti libovolného
elektromagnetického vlnění (např. radiových vln)
• ve vakuu činí c = 299 792 458 m/s (přesně – proč?
– vysvětlení na dalším „slajdu“)
• tedy c ≈ 3.108 m/s = 300 000 km/s
• rychlost světla v látkovém prostředí je vždy menší,
značíme písmenem v
poznámka pod čarou - definice metru
• 1793
– 1 metr je desetimilióntina zemského kvadrantu (zemský
kvadrant je vzdálenost pólu od rovníku) (velmi záhy se
ukázalo, že používaný prototyp je menší)
• 1889
– 1 metr je vzdálenost rysek na mezinárodním prototypu metru
uloženém v ústavu pro míry a váhy v Sèvres u Paříže
• 1960
– 1 metr je roven 1,650,763.73 vlnových délek oranžové emisní
čáry atomu kryptonu 86 měřené ve vakuu
• 1983
– 1 metr je délka, kterou urazí světlo ve vakuu za
1/299 792 458 s
Světlo v jiných prostředích než ve vakuu
•
•
•
•
•
ve vzduchu je v ≈ c
ve vodě v = 225 000 km/s
ve skle 150 – 200 tis. km/s
zpomalování světla
změna rychlosti znamená změnu vlnové délky,
ale frekvence ani barva světla se nemění
index lomu
• je poměr rychlosti světla ve vakuu a v daném
prostředí
n
c
v
• pro vlnovou délku, rychlost a frekvenci světla
platí vztah

v
f
• určete frekvenci světla krajních vlnových délek
ve vakuu a ve vodě
příklady
• určete, jak se změní vlnová délka žlutého
světla (ve vakuu λ = 580 nm) při přechodu
a) ze vzduchu do vody
b) ze vzduchu do skla, kde je rychlost světla
1,5.108 m.s-1
• tedy platí n ≥ 1
• určete index lomu vakua, vzduchu, vody, skla
2
8.3.2016
měření rychlosti světla
• Počátkem 17. století se poprvé o změření rychlosti
šíření světla pokusil Galileo Galilei. Se svým
asistentem si jednoho jasného večera vzali lucerny
a vyšli na dva, míli od sebe vzdálené kopce.
Experiment spočíval v tom, že Galileo odkryje na
krátký okamžik svou lucernu a až světlo dorazí na
druhý kopec, totéž udělá i jeho asistent.
• Oproti předpovědím probíhaly zákryty dříve,
byla-li Země blíže Jupiteru a později, nacházela-li
se ve větší vzdálenosti. Roemer správně
předpokládal, že je tento rozpor způsoben dobou
putování světla k Zemi. Ze znalosti parametrů
dráhy a rozměrů Země, Jupitera a Io, spočítal
rychlost šíření světla na 225 000 km/s.
• První úspěšné měření rychlosti světla pozemním
přístrojem provedl v roce 1849 francouzský fyzik
Hippolyte Fizeau. Paprsek světla byl namířen na
zrcadlo umístěné ve vzdálenosti 8633 m. Na cestě
od zdroje světla k zrcadlu paprsek procházel
rotujícím diskem se zářezy. Při určité rychlosti
rotace disku projde paprsek směrem od zdroje
jedním zářezem a při návratu zářezem
následujícím. Jestliže dojde třeba i jen k malému
zrychlení nebo zpomalení rotace disku, zasáhne
zpětný paprsek samotný disk (jeho zub) a
nedostane se nazpět.
• Galileův pokus ovšem na tak krátkou
vzdálenost nemohl být úspěšný
• První, kdo změřil rychlost šíření světla, byl Ole
Roemer v roce 1675. Všiml si rozporu mezi
předpovědí a pozorováním zákrytů Jupiterova
měsíce Io (oběh měsíce Io okolo Jupiteru trvá
1,76 dne).
• Bradley měřil rychlost světla v porovnání s
rychlostí pohybu Země kolem Slunce. Vycházel
z drobného posunu polohy hvězdy na obloze –
jev zvaný aberace (činí asi 1/200 stupně).
Bradleym vypočítaná rychlost světla byla
298 000 kilometrů za sekundu.
Fizeaův pokus
Rychlost světla se
dá vypočítat ze
známé vzdálenosti
zdroje a zrcadla,
počtu zářezů (resp.
zubů) na disku a
rychlosti rotace.
Rychlost světla
publikovaná
Fizeaem byla
313 000 kilometrů
za sekundu.)
3
8.3.2016
• Michelson použil v roce 1926 rotující zrcadla
pro změření času, který světlo potřebuje na
překonání vzdálenosti 131 km mezi horami
Mount Wilson a Mount San Antonio v
Kalifornii.
Výsledkem těchto
měření byla relativně
přesně určená
rychlost světla na
299 796 +/-4 km/s.
• 1888 – Heinrich Hertz – změření rychlosti
rádiových vln (výsledek 300 000 km/s)
• 70. léta 20. st. – umístění zrcadla na Měsíci
(mise Apollo) – ostřelování laserem ze Země
• 1983 – stanovena hodnota rychlosti světla na
299 792 458 m/s
Šíření světla
• absorpce
– pohlcení některých barev nebo zeslabení intenzity
• disperze
– rozklad na barevné složky
• rozptyl světla (difúze)
– mění se směr prošlých paprsků (matné sklo)
Optická prostředí
• průhledné
– nedochází k rozptylu světla
• průsvitné
– prochází, ale zčásti se rozptyluje
• neprůhledné
– odraz nebo absorpce světla
• odraz světla
– zrcadlo, ale i jakékoli jiné nezářící viditelné předměty
• může samozřejmě docházet i ke kombinaci těchto
jevů – vyjmenujte konkrétní příklady
Optická prostředí
• vymyslete konkrétní příklad různých prostředí s
vyjmenovanými vlastnostmi
Anizotropie (dvojlom) u křemene
• homogenní - stejné optické vlastnosti kdekoli
v objemu tělesa
• izotropní - rychlost světla v tělese nezávisí na
směru šíření (např. sklo)
• anizotropní - opačně (např. krystal křemene)
4
8.3.2016
Fotometrie
• měření intenzity světla
• svítivost I
– základní veličina soustavy SI
– jednotkou je kandela – cd
(latinsky svíčka)
– charakterizuje zdroj světla
– běžná svíčka má svítivost asi 1 cd
– 100 W žárovka kolem 200 cd
– Slunce – 2.1028 cd
• osvětlení E
– jednotkou je lux – značka lx
– osvětlení 1 lx … plocha ve vzdálenosti 1 m od
zdroje se svítivostí 1 cd při kolmém dopadu
– osvětlení se měří luxmetrem
– na čtení se doporučuje asi 500 lx, osvětlení
schodiště kolem 15 lx, citlivost oka je 3.10-5 lx
• použití:
– fotoaparát, snímače světla,...
osvětlení Země
• veličina osvětlení vlastně popisuje i důvod
střídání ročních dob na Zemi
• náklon zemské osy způsobí různé hodnoty
osvětlení povrchu v létě a v zimě
použité zdroje
•
•
•
•
http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_s1.html
www.wikipedia.cz
http://www.kof.zcu.cz/di/pks/programy/opt/rychlost.ppt
http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=f
yzika&xser=4f7074696b61h&key=695
5