38. Optika – úvod a geometrická optika I Jakub Kuřátko 4. C

Optika obecně Vedle mechaniky nejstarší obor fyziky Ve svém původním významu se zabývá světlem, zákonitostmi jeho šíření a ději při vzájemném působení světla a látky V širším pojetí zahrnujeme do optiky i účinky světelného záření zkoumané v chemii, biologii, lékařství, psychologii a v dalších oborech

Světlo Světlo je součástí spektra elektromagnetického záření Lidské oko vnímá elektromagnetické vlnění o frekvencích 7,6·1014 Hz – 3,9·1014 Hz Rychlost ve vakuu je c = 3·105 km·s-1 Rychlost ve vzduchu je přibližně stejná jako ve vakuu Ve vodě rychlost světla dosahuje hodnoty přibližně 225 000 km·s-1 a ve skle 200 000 – 150 000 km·s-1

Rozdělení optiky Paprsková (geometrická) optika Geometrická optika studuje zákony založené na přímočarém šíření, které platí v rozměrech velkých proti vlnové délce. Je založena na třech zákonech Zákon přímočarého šíření světla Zákon odrazu světla Zákon lomu světla Hlavní problematikou je zobrazování optickými soustavami

Rozdělení optiky Vlnová optika Vlnová optika studuje vlnové vlastnosti záření, pokud jde o tak velké množství zářivé energie, že není třeba přihlížet k její nespojitosti. Zabývá se zejména jevy, které potvrzují vlnovou povahu světla Jsou to např.: disperze světla, interference světla, difrakce (ohyb) světla a polarizace světla

Rozdělení optiky Kvantová optika Kvantová optika studuje elementární vlastnosti záření, zvláště vznik a absorpci, při nichž se zřetelně uplatňuje kvantová povaha záření. Zabývá se ději, při nichž se projevuje kvantový ráz světla Jsou to především děje, při nichž dochází ke vzájemnému působení světla a látky

Postuláty geometrické optiky V homogenním prostředí se světlo šíří přímočaře Na hranici dvou homogenních izotropních a nevodivých prostředí se odráží a láme tak, že je splněn zákon odrazu a lomu Směr šíření světla podél paprsku je vždy možno změnit na opačný Světelné paprsky se mohou protínat, aniž by se navzájem ovlivňovaly

Základní pojmy geometrické optiky Světelné zdroje – tělesa vyzařující světlo Optické prostředí – prostředí, kterým se světlo šíří Průhledné – nedochází k rozptylu světla Průsvitné – při průchodu prostředím se část rozptyluje Neprůhledné – světlo se v něm silně pohlcuje nebo se na povrchu odráží Opticky homogenní (stejnorodé) prostředí – optické prostředí, které má kdekoli ve svém objemu stejné optické vlastnosti Ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře

Základní pojmy geometrické optiky Opticky izotropní prostředí – nezávisí – li rychlost šíření světla v optickém prostředí na směru Anizotropní prostředí – rychlost světla na směru šíření závisí Bodový zdroj světla – zdroj světla, u kterého můžeme zanedbat jeho rozměry Rovinné vlnoplochy – kulové vlnoplochy ve velké vzdálenosti od zdroje Směr šíření světla ve stejnorodém optickém prostředí udávají přímky kolmé na vlnoplochu, které se nazývají světelné paprsky

Zákon odrazu světla Pokud světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s odlišnými optickými vlastnostmi, pak se světlo na rozhraní částečně odráží a částečně se láme do druhého prostředí Odraz a lom světla se řídí stejnými zákony, jaké byly odvozeny pro mechanické vlnění pomocí Huygensova principu (viz. otázka 23.) Zákon odrazu světla: Úhel odrazu α ´ se rovná úhlu dopadu α. Odražený paprsek leží v rovině dopadu. Úhel odrazu nezávisí na frekvenci světla. Proto se paprsky různých barev odrážejí stejně.

Lom světla Pro směr lomeného paprsku platí vztah: Podíl rychlostí v1 a v2 je veličina zvaná index lomu n pro dané rozhraní Pokud je první prostředí vakuum nebo vzduch platí v1 = c a pro rychlost světla v druhém prostředí zavedeme v2 = v Poté platí: … absolutní index lomu optického prostředí β…úhel lomu

Zákon lomu Nazývá se též Snellův zákon Objevil ho v 17. století Holanďan W. Snell Zvláštní případ lomu od kolmice nastává, když β = 90°. Úhel dopadu, kterému odpovídá tento úhel lomu, se nazývá mezní úhel αm. Je – li úhel dopadu α > αm, lom světla nenastává a vzniká úplný odraz světla. Když dochází k úplnému odrazu světla na rozhraní s vakuem, platí pro mezní úhel vztah: nebo

Index lomu světla Hodnoty indexu lomu různých látek: Vakuum : n = 1 … Vzduch : n = 1 (1,0002718) Led: n = 1,31 … Voda: n = 1,33 … Běžné sklo: n = 1,5 Když se světlo šíří z optického prostředí o indexu n1, v němž má rychlost v1, do prostředí s indexem lomu n2, kde má rychlost v2, platí: Prostředí opticky hustší – větší index lomu Prostředí opticky řidší – menší index lomu

Lom světla ke kolmici a od kolmice Lom světla při přechodu z prostředí: z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího nastává lom světla ke kolmici ( β<α) při přechodu světla z opticky hustšího prostředí do prostředí opticky řidšího nastává lom světla od kolmice ( α<β).  1. 2.

Refraktometry a optické kabely Refraktometry jsou přístroje pro měření indexu lomu. Měřením mezního úhlu se určuje index lomu látky, kterou světlo prochází. Úplný odraz se využívá ke konstrukci odrazných hranolů Na úplném odrazu jsou založena důležitá moderní zařízení pro přenos signálů ve sdělovací technice –optické kabely. Základní částí optického kabelu je skleněné vlákno (optický vlnovod). Sklo v jeho střední části má větší index lomu než obvodová vrstva. Signály v optickém kabelu mají digitální podobu.