Optika – odraz a lom světla
Optika
= nauka o světle, zkoumá jeho podstatu, zákonitosti a jevy, které vznikají jeho šířením.
optika:
- vlnová: potvrzuje vlnové vlastnosti světla
- paprsková: spočívá v zákonu lomu a odrazu, přímočaré šíření světla, optické soustavy: čočky, zrcadla, optické přístroje
- kvantová: zabývá se vlnovými a částicovými vlastnostmi světla (např. fotoelektrický jev)
– světlo = část elektromagnetického vlnění, na které je citlivé lidské oko
– interval vlnových délek, na které je citlivé lidské oko: 390nm – 770 nm (1nm = 10−9 m) – vlnová délka lambda –λ (při šíření ve vakuu)
fialová červená, tab. 169
Frekvence
f = v / λ – v tab. pod fázová rychlost vlnění
v… rychlost světla (c pro vakuum)
c… rychlosti světla ve vakuu = 3 * 108 m/s = 300 000 km/s (tab. vzadu)
Barva světla
– světlo o různých frekvencích vnímáme jako barvy [obr: Wikipedia]
(fialová, modrá, zelená, žlutá, oranž., červená)
550nm – nejlépe zaregistrovatelná
– fialová barva má nejmenší λ, ale největší n (index lomu)
Infračervené záření (IR – infrared)
– pomocí IR záření se šíří teplo zářením (povrch Země je zahříván slunečním zářením). Každé těleso o teplotě vyšší, než 0 K.
– vyvolané pohybem molekul (vnitřní energií – závisí na teplotě)
– dálkové ovladače (okolní světlo neruší signál), proniká mlhou i tmou – infravize (brýle, kamery)
– infrazářiče (slouží k vytápění)
Ultrafialové záření
Zdrojem – tělesa zahřátá na velmi vysokou teplotu – Slunce (hvězdy), rtuťové výbojky (horské slunce), elektrický oblouk(sváření)
Vlastnosti
– způsobuje v menších dávkách zhnědnutí kůže a produkci vitamínu D, ve vyšších dávkách rakovinu kůže
– jako přirozená ochrana proti UV záření slouží ozónová vrstva (součástí stratosféry, velmi tenká; ozon O3 se rozkládá, když se dostane do kontaktu s freony), UV brýle
– při dopadu na určité látky se mění na viditelné světlo Þ ochranné prvky bankovek
– vyvolává luminiscenci, pohlcováno obyčejným sklem
šíření světla: světlo se šíří přímočaře v homogenním optickém prostředí, šíří se v rovnoběžných, rozbíhavých nebo sbíhavých svazcích světelných paprsků.
Zdroj světla
- přirozený: slunce, oheň, hvězdy
- umělé: žárovka, zářivka, výbojka, laser
- chromatické: složené ze světla více vlnových délek, např. bílé světlo (složené ze sedmi barev)
- monochromatické: 1 vlnová délka – laser
Využití světla:
organismy – orientace
Světla se využívá v mnoha přístrojích (LCD obrazovkách, DVD přehrávačích, mobilech), s jeho pomocí se svařuje i řeže, nebo třeba operuje. Světlo se využívá v mnoha oblastech (mezi ně patří např. komunikace, zdravotnictví, výrobní technologie). Pomocí světla pozorují lidé i vzdálená vesmírná tělesa, která vyzařují, odráží nebo jsou jiným způsobem ovlivněna světlem.
Typy optických prostředí
=obecně jakékoliv prostředí, v němž se šíří elektromagnetické vlnění
- průhledné – nedochází k rozptylu světla (čiré sklo)
- průsvitné – částečně se světlo rozptyluje (matné sklo)
- neprůhledné – světlo nepropouští (barevné sklo)
prostředí dále může být: a) homogenní (stejnorodé) – ve všech místech stejné optické vlastnosti
b) heterogenní
prostředí dále může být: 1) izotropní – rychlost šíření nezávisí na směru (sklo)
2) anizotropní – rychlost světla závisí na směru šíření (krystaly)
Jestliže světelný paprsek dopadne na rozhraní prostředí, částečně se odráží a částečně láme.
Odraz světla (reflexe)
– nastává, když paprsek dopadne na rozhraní 2 optických prostředí a nemůže do druhého proniknout
– zákon odrazu: Úhel odrazu je roven úhlu dopadu, přičemž odražené paprsky zůstávají v rovině dopadu.
alfa = alfa‘
– odraz nastává pouze tehdy, když je úhel větší, než 42 stupňů = mezní úhel. Ze slunce dopadá světlo pod různými úhly, a proto dochází k lomu i odrazu.
Zobrazování odrazem docílíme pomocí zrcadel.
O… střed (místo dopadu)
K Kolmice dopadu, kolmá k rozhraní
Lom světla (refrakce)
– nastává, když paprsek dopadne na rozhraní 2 optických prostředí a pronikne do 2. prostředí
– lom nastává, pokud je úhel alfa < 42 stupňů
n…index lomu, bez jednotky, charakterizuje typ prostředí. |
n = c (rychlost světla ve vákuu) / v (rychlost světla v prostředí)
(n = λ0 * f / λ * f ) – závisí na frekvenci
n1 > n2 n1 < n2
v1 < v2 v1 > v2
n1 = voda, n2 – vzduch n1 = vzduch, n2 = voda, sklo
nvzduch = 1, cokoli dalšího má n > 1.
nvoda = 1,3
nsklo = 3
Zákon lomu:
sin alfa / sin beta = v1 / v2 = n2 / n1
alfa = 0 stupňů
- úplný odraz, odrazí se kolmo vzhůru zpátky
Zobrazování pomocí lomu se využívá u čoček.
Když světlo dopadá přesně pod mezním úhlem, pokračuje na rozhraní dvou prostředí, nelomí se ani neodráží.