Optika Optika se zabývá zkoumáním podstaty světla a zákonitostí světelných jevů, které vznikají při šíření světla a při vzájemném působení světla a látky.

Prezentace na téma: "Optika Optika se zabývá zkoumáním podstaty světla a zákonitostí světelných jevů, které vznikají při šíření světla a při vzájemném působení světla a látky."— Transkript prezentace:

1 Optika Optika se zabývá zkoumáním podstaty světla a zákonitostí světelných jevů, které vznikají při šíření světla a při vzájemném působení světla a látky. Základní vlastnosti světla a zákony popisující jeho šíření určují i různý přístup k výkladu světelných jevů a použití různých metod k jejich zkoumání. Podle toho se optika dělí na: optiku paprskovou geometrickou - při popisu optického zobrazení zanedbává vlnovou povahu světelného záření. Je založena na principu nezávislosti chodu světelných paprsků, na přímočarém šíření světla v homogenním prostředí a na zákonech odrazu a lomu. Vyšetřuje interakci světla s objekty, které mají výrazně větší rozměry ve srovnání s vlnovou délkou světla. optiku vlnovou - zabývá se jevy, které nelze vysvětlit pomocí paprskové optiky, ale je nutné vzít v úvahu vlnovou povahu světla.

2 Optika optiku kvantovou - zabývá se ději, při nichž se projevuje kvantový charakter světla: světlo se nešíří spojitě, ale jako proud částic - fotonů.

3 Spektrum elektromagnetického zařízení

4 Spektrum elektromagnetického zařízení
Radiové vlny jsou vyzařovány anténami jejichž délka je úměrná délce nosné vlny. Mikrovlny se využívá k ohřívání v mikrovlnné troubě. Mikrovlny se rovněž využívají pro bezdrátovou komunikaci zvanou Wi-Fi. Infračervené záření je tepelné zařízení. Viditelné světlo o vlnových délkách nm je ta část spektra, na kterou je citlivé lidské oko. Ultrafialové záření. Fotony tohoto záření mají vysokou energii a mohou proto štěpit chemické vazby. Rentgenové záření v praxi se využívá především schopnost pronikat celou řadou materiálů a jen slabě se v nich absorbovat. Záření gama vznikající při radioaktivních a jiných jaderných a subjaderných dějích.

5 Geometrická Optika Dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s odlišnými optickými vlastnostmi, pak se světlo na rozhraní částečně odráží a částečně láme do druhého prostředí. Nastává odraz a lom světla. Odraz světla Světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou optických prostředí pod úhlem dopadu , který paprsek svírá s kolmicí dopadu k vztyčenou v místě dopadu na rozhraní optických prostředích. Dopadající paprsek a kolmice dopadu tvoří rovinu - rovinu dopadu. Odražený paprsek svírá s kolmicí dopadu úhel odrazu

6 Geometrická Optika Vztah mezi úhlem dopadu a úhlem odrazu popisuje zákon odrazu: Velikost úhlu odrazu se rovná velikosti úhlu dopadu, tedy Odražený paprsek leží v rovině dopadu. Lom světla Lom světla je optický jev, ke kterému dochází na rozhraní dvou prostředí, kterými světlo prochází. Je důsledkem různých rychlostí šíření světla v různých prostředích a kromě světla platí pro veškeré elektromagnetické záření. Zpomalení světla oproti jeho rychlosti ve vakuu popisuje absolutní index lomu: kde c – rychlost světla ve vakuu, v – rychlost světla v prostředí

7 Geometrická Optika Jestli světlo se přechází s prostředí z absolutní indexem do prostředí z absolutní indexem : V souvislostí z zákonem lomu mechanických vln: Snellův zákon lomu: Poměr sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu světleného paprsku je roven převrácenému poměru indexů lomu daných optických prostředí:

8 Geometrická Optika Při porovnávání dvou optických prostředí o různém indexu lomu rozlišujeme: prostředí opticky řidší - prostředí s menším indexem lomu prostředí opticky hustší - prostředí s větším indexem lomu Podle zákona lomu nastává: při přechodu světla z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího lom světla ke kolmici zmenšují při přechodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího lom světla od kolmice zvětšují. Při odrazu a lomu světla platí, že dopadající a odražený (resp. dopadající a lomený) paprsek lze vzájemně zaměnit. Tento poznatek o záměnnosti chodu paprsků neplatí jen pro odraz a lom, ale je obecným zákonem paprskové optiky.

9 Fermatův princip nejmenšího času
1-2 – délka, kterou prochází světlo; dt – čas procházejí této délky. Optický chod paprsku Fermatův princip: světelný paprsek procházející bodem 1 v jednom optickém prostředí a bodem 2 v druhém prostředí cestou optický chod kterou je minimální, jinak paprsek urazí vzdálenost 1-2 za minimální možný čas.

10 Fermatův princip nejmenšího času
Odvození zákonů geometrickou optiky pomoci Fermatův principu. Rychlost světla se nemíní, odrážení od bodu O odpovídají minimální délce, v takovém případě: Získáme bod C , lom ve kterém odpovídají minimálnímu času. Snellův zákon lomu

11 Úplný odraz světla Uvažujme průchod světla z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího. S rostoucím úhlem dopadu se zvětšuje i úhel lomu a při určitém mezním úhlu dopadu bude To je maximální úhel, při němž ještě nastává lom světla. Při větších úhlech dopadu ( ) lom světla nenastává a světlo se jen odráží. Nastává úplný odraz. Snellův zákon lomu lze pro úplný odraz:

12 Disperze světla Bílé světlo se při lomu rozkládá na barevné složky. Tento jev se nazývá disperze a je důsledkem závislosti velikosti rychlosti světla na jeho frekvenci. Velikost rychlosti světla se zpravidla s rostoucí frekvencí zmenšuje. Index lomu optického prostředí se při normální disperzi s rostoucí frekvencí zvětšuje. Disperze svědčí o tom, že bílé světlo je složeno z jednoduchých světel, které již dále nelze rozložit. Každému světlu odpovídá určitá barva.

13 Využití disperze světla
Rozkladu světla se využívá při konstrukci hranolového spektroskopu, což je přístroj pro studium složení světla. Jedná se o základní přístroj užívaný při spektrální analýze. Světlo ze zdroje se přivádí na kolimátor, z něhož vychází směrem k hranolu svazek rovnoběžných světelných paprsků. V optickém hranolu se světlo rozkládá a paprsky světla různých barev (frekvencí) se odchylují do různých směrů. Podle způsobu registrace spektra se rozlišuje: spektroskop - spektrum se pozoruje okem pomocí dalekohledu spektrograf - spektrum je zaznamenáváno na fotografickou desku nebo na záznamové zařízení

14 Interference světla Interference světla je jev, při němž se nejvýrazněji projevují vlnové vlastnosti světla. Interference spočívá v tom, že vlnění, která přicházejí do určitého bodu z různých zdrojů, se v daném bodě vzájemně skládají. K interferenci dochází, jestli vlnění jsou koherentní : Koherentní jsou ta světelná vlnění stejné frekvence, jejichž fázový rozdíl v uvažovaném bodě se s časem nemění. U přirozených zdrojů světla je doba, po kterou lze považovat fázový rozdíl světelných vlnění za konstantní, velmi krátká. Koherence lze ale dosáhnout tím, že paprsek z jednoho zdroje rozdělíme na dva svazky paprsků, které se poté, co urazí různé dráhy, setkají s dráhovým rozdílem .Vzhledem k vlastnostem přirozených zdrojů světla je nutné, aby   0,01 mm.

15 Interference světla Světlý proužek odpovídá interferenčnímu maximu - vzniká v místech, kde se koherentní světelná vlnění setkávají se stejnou fází. Platí podmínka:  = k, kde k = 0, 1, 2, … Tmavý proužek odpovídá interferenčnímu minimu v místech, v nichž mají vlnění fázi opačnou. Platí podmínka:

16 difrakce světla Ohyb světla na štěrbině
Na štěrbinu šířky b necháme dopadat kolmo rovnoběžný svazek monofrekvenčního světla o vlnové délce .

17 difrakce světla Na základě Huygensova principu z každého bodu se bude světlo šířit v elementárních vlnoplochách všemi směry. V bodě A pak dochází k interferenci obou vln; jestli vznikne interferenční maximum nebo minimum, záleží na dráhovém rozdílu obou vln. V rovinné vlnoploše KM, která je kolmá na směr šíření světla, mají jednotlivé vlny svazku různou fázi v závislosti na dráze, kterou urazily. Dráhový rozdíl mezi vlnou, která se šíří z bodu K (jeden krajní bod štěrbiny), a vlnou, která se šíří z bodu L (druhý krajní bod štěrbiny), je l. l rozložíme na zóny, dráhové rozdíl mezi kterými je /2. Sousední zóny v bodu A dávají interferenční minimum. Jestli počet zón na délce l je sudý, v bodu A se sledují minimum, jestli liché – maximum.

18 difrakce světla Podmínka minimumů Podmínka maximumů

19 Polarizace světla Světlo je příčné elektromagnetické vlnění popsané vektorem elektrické intenzity a vektorem magnetické indukce Vektor elektrické intenzity je přitom vždy kolmý na směr, kterým se vlnění šíří. Směr kmitání vektoru magnetické indukce je kolmý jak na směr šíření vlnění, tak na vektor Vektory a tedy leží v rovině, která je kolmá na směr šíření světla. Vektor má ale v dané rovině nahodilý směr i velikost a proto mluvíme o nepolarizovaném světle. Omezíme-li směr kmitání vektoru nebo jeho velikost, získáme polarizované světlo.

20 Polarizace světla Druhy polarizace:
lineárně polarizované světlo – vektor kmitá stále v jedné přímce; kruhově polarizované světlo - konce vektoru opisují kruh, tj. velikost tohoto vektoru je konstantní, ale mění se jeho směr; elipticky polarizované světlo - konce vektoru opisují elipsu. Světlo nepolarizované lze přeměnit na světlo polarizované několika způsoby: polarizací odrazem a lomem, polarizací dvojlomem nebo polarizací polaroidem. Malusův zákon: Jestli ideální polarizační filtr umístěn do paprsku světla s intenzitou I0, pak světlo má po průchodu tímto polarizačním filtrem intenzitu:

21 ZOBRAZOVÁNÍ OPTICKÝMI SOUSTAVAMI
Z každého bodu předmětu, který pozorujeme, vycházejí světelné paprsky a vytvářejí rozbíhavý svazek světelných paprsků. Fakt, že vidíme okolní předměty, je způsoben tím, že předměty: světlo sami vyzařují - jedná se o zdroje světla; světlo odrážejí a rozptylují. Zobrazit daný předmět A pak znamená, že optickou soustavou je rozbíhavý svazek paprsků změněn na sbíhavý svazek paprsků. 21

22 ZOBRAZOVÁNÍ OPTICKÝMI SOUSTAVAMI
Optická soustava je uspořádání optických prostředí, které mění směr chodu paprsků. Postup, kterým získáme optické obrazy bodů, se nazývá optické zobrazení. Svazek paprsků vystupující z optické soustavy může být: Sbíhavý; Rozbíhavý. V případě sbíhavého paprsku vzniká v průsečíku paprsků skutečný (reálný) obraz. Vytváří-li optická soustava rozbíhavý svazek paprsků, není možné zachytit obraz daného bodu na stínítko a skutečný obraz nevzniká. V tomto případě vzniká zdánlivý obraz.

23 Zobrazení rovinným zrcadlem
Uplatňuje-li se při optickém zobrazení jen odraz světla, mluvíme o zobrazení odrazem. Nejjednodušší je zobrazení odrazem na rovinném zrcadlu. Zdrojem světla je bod A v prostoru před zrcadlem, z něhož vycházejí všemi směry navzájem rozbíhavé paprsky. Paprsky dopadající na rovinu zrcadla se odrážejí podle zákona odrazu. Odražené paprsky tvoří rozbíhavý svazek, což znamená, že při zobrazení rovinným zrcadlem vzniká neskutečný obraz. Při pohledu okem vidíme tento obraz v průsečíku zpětně prodloužených paprsků, tedy v prostoru za zrcadlem. Vlastnosti obrazu vytvořeného rovinným zrcadlem: 1. obraz je zdánlivý; 2. vzdálenost předmětu od zrcadla je stejná jako vzdálenost obrazu od zrcadla; 3. obraz je stranově převrácený; 4. obraz je vzpřímený (přímý)

24 Čočky Čočky jsou přistrojí, které se zhotovují ze látky z větším indexem lomu , než je index lomu okolního prostředí. Povrch čočky tvoří dvě kulové plochy. Podle uspořádání ploch rozlišujeme čočky spojné a čočky rozptylné. Optická osa čočky jsou přímka, která prochází středy křivostí optických ploch a taktéž jich vrcholy. Veličiny a představují poloměry křivosti optických ploch čočky.

25 Čočky Jestli , čočka se jmenuje tenkou, O je optický střed čočky.
Tenké čočky mají tyto vlastnosti: 1. Paprsky procházející optickým středem čočky nemění svůj směr. 2. Paprsky rovnoběžné s optickou osou v prostoru předmětovém se po průchodu čočkou lámou tak, že v prostoru obrazovém směřují do jednoho bodu na optické ose - do obrazového ohniska F‘.

26 Čočky 3. Na optické ose spojky v prostoru předmětovém leží předmětové ohnisko F, které má tu vlastnost, že paprsky, které jím procházejí, jsou po průchodu čočkou rovnoběžné s optickou osou v prostoru obrazovém. Vzdálenost |FO| se nazývá předmětová ohnisková vzdálenost f , vzdálenost |F’O| je obrazová ohnisková vzdálenost f’. Je-li před a za tenkou čočkou stejné prostředí, platí: f = f’. V tom případě se používá název ohnisková vzdálenost čočky f. Ohnisková vzdálenost závisí na indexu lomu skla, z něhož je čočka vyrobena, na indexu lomu okolního prostředí a na poloměrech křivosti a optických ploch podle vztahu: Formule tenkou čočky

27 Zobrazení tenkou čočkou
Podle znaménka ohniskové vzdálenosti rozlišujeme: spojky - f > 0, ohniska jsou skutečná rozptylky - f < 0, ohniska jsou neskutečná. Charakteristickou veličinou čočky je její optická mohutnost: Při zobrazování tenkou čočkou se využívají „význačné“ paprsky:

28 Zobrazení tenkou čočkou
a- předmětová vzdálenost, a‘ – obrazové vzdálenost Formule tenkou čočky Pro příčné zvětšení platí definiční vztah: