Podstawy fizyki

wykład 8

Dr Piotr Sitarek

Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Optyka

Optyka geometryczna

Polaryzacja

Odbicie – zwierciadła

Załamanie – soczewki

Optyka falowa

Interferencja

Dyfrakcja światła

D. Halliday, R. Resnick, J.Walker: Podstawy Fizyki, tom 2, PWN, Warszawa 2003. K.Sierański, P.Sitarek, K.Jezierski, Repetytorium. Wzory i prawa z objaśnieniami, Oficyna Wydawnicza Scripta, 2002. K.Sierański, K.Jezierski, B.Kołodka, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. 1, Oficyna Wydawnicza Scripta, 2005.

Światło – fala elektromagnetyczna

Optyka

składowa magnetyczna

składowa elektryczna

Optyka

Światło – zakres widzialny

Optyka

długość fali, nm

wzglę

dna inte

nsyw

ność

Fala elektromagnetyczna

Optyka

składowa magnetyczna

składowa elektryczna

Wektor Poyntinga

Szybkość przepływu energii takiej fali przez jednostkową powierzchnię

opisana jest przez wektor S, nazywany wektorem Poyntinga.

W układzie SI wymiar S jest W/m2.

Kierunek wektora Poyntinga S fali elektromagnetycznej w każdym punkcie

jest kierunkiem rozchodzenia się fali i kierunkiem przepływu energii w

tym punkcie.

Optyka

lub

Wektor Poyntinga

Zwykle używamy uśrednionej w czasie wartości S (którą będziemy

zapisywać jako Sśr), nazywaną również natężeniem I fali. Natężenie jest

równe

lub gdzie

Energia związana z polem elektrycznym taka sama jak energia związana z

polem magnetycznym.

Optyka

śr śr

śr, kw śr, kw

Natężenie fali świetlnej

Optyka

I

Ciśnienie promieniowania

Fale elektromagnetyczne mają zarówno energię, jak i pęd. To oznacza, że

oświetlając jakieś ciało, możemy wywierać na nie ciśnienie — ciśnienie

promieniowania (ciśnienie to jest jednak bardzo małe — nie czujemy na

przykład błysku lampy, kiedy jesteśmy fotografowani).

Skierujmy wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, na jakieś ciało i

oświetlajmy je przez czas Dt. Załóżmy następnie, że promieniowanie

zostało przez to ciało w całości zaabsorbowane (pochłonięte). To

oznacza, że w czasie Dt ciało uzyskało od promieniowania energię DU.

Zmiana pędu Dp ciała jest związana ze zmianą energii następującą

zależnością:

Optyka

Ciśnienie promieniowania

Jeżeli promieniowanie zostanie w całości odbite wzdłuż swego pierwotnego

kierunku, to zmiana pędu będzie dwukrotnie większa niż podana wyżej,

tzn.

Żeby znaleźć wyrażenie wiążące siłę wywieraną przez promieniowanie z jego

natężeniem I, przyjmiemy, że na drodze promieniowania znajduje się

prostopadła płaszczyzna o polu S. W czasie Dt do płaszczyzny tej dociera

energia

czyli ciśnienie ze strony promieniowania wywierane na powierzchnię jest z

zakresu między 𝐼

𝑐 a

2𝐼

𝑐.

Optyka

Polaryzacja

Płaszczyznę, w której leżą wektory E, nazywamy płaszczyzną drgań fali (wtedy

mówimy, że fala jest spolaryzowana liniowo w kierunku y).

Optyka

płaszczyzna drgań

Polaryzacja

Fale elektromagnetyczne emitowane przez zwykłe źródła światła (takie jak Słońce czy

żarówka) są niespolaryzowane; wektor natężenia pola elektrycznego w dowolnym

punkcie jest zawsze prostopadły do kierunku rozchodzenia się fal, ale jego kierunek

zmienia się przypadkowo.

Optyka

Natężenie światła przechodzącego przez polaryzator

Optyka

𝐼 =1

2𝐼0

𝐼 = 𝐼0𝑐𝑜𝑠2𝜃

gdy światło padające jest niespolaryzowane

gdy światło padające jest spolaryzowane

Natężenie światła przechodzącego przez polaryzator

Optyka

Prawo odbicia światła

Optyka

Zasada Fermata

Optyka

Obraz rzeczywisty i pozorny

Zbiór promieni tworzy wiązkę świetlną. Układy optyczne powodują przekształcanie

wiązek świetlnych. Pewne układy optyczne mają tę własność, że promienie

wychodzące z jednego punktu, po przejściu przez układ przecinają się także w

jednym punkcie, który to punkt nazywamy obrazem optycznym punktu, z którego

promienie świetlne wyszły.

Obraz nazywa się rzeczywistym, jeżeli promienie świetlne po przejściu przez układ

rzeczywiście się przecinają. Obraz nazywa się pozornym, gdy w pewnym

punkcie przecinają się przedłużenia promieni, prowadzone w stronę przeciwną do

biegu promieni świetlnych.

Optyka

Obraz rzeczywisty i pozorny - zwierciadło płaskie

Zwierciadło płaskie. Promienie wychodzące z jednego punktu A przedmiotu odbijają

się od zwierciadła płaskiego. Obserwatorowi wydaje się, że promienie wychodzą

z punktu A’. Punkt A’ jest obrazem pozornym punktu A.

Optyka

Zwierciadło sferyczne

Optyka

Zwierciadło sferyczne – wklęsłe (r, f > 0)

Optyka

Zwierciadło sferyczne – wypukłe (r, f < 0)

Optyka

Załamanie światła

Optyka

Załamanie światła – prawo Snella

Optyka

Całkowite wewnętrzne odbicie

Optyka

Polaryzacja światła przez odbicie – prawo Brewstera

Optyka

Współczynnik załamania

Optyka

l = 589 nm

Rozszczepienie światła

Optyka

powietrze, n1

powietrze, n2 szkło, n2

szkło, n1

Rozszczepienie światła - tęcza

Optyka

Rozszczepienie światła – pryzmat

Optyka

Rozszczepienie światła – pryzmat

Optyka

Kąt minimalnego odchylenia

Soczewki

Optyka

Wzór soczewkowy

Optyka

Wzór soczewkowy

Optyka

Soczewka skupiająca jako lupa

Optyka

Mikroskop

Optyka

Luneta astronomiczna – Keplera

Optyka

Fotometria

Optyka

Fotometria – światłość źródła

Optyka

Fotometria – natężenie oświetlenia

Optyka

Fotometria

Optyka

Zasada Huygensa

Wszystkie punkty czoła fali zachowują się jak punktowe źródła elementarnych

kulistych fal wtórnych. Po czasie t nowe położenie czoła fali jest

wyznaczone przez powierzchnię styczną do powierzchni fal wtórnych.

Optyka

Dyfrakcja – ugięcie

Optyka

Doświadczenie interferencyjne Younga

Optyka

Doświadczenie interferencyjne Younga

Optyka

Interferometr Michelsona

Optyka

Dyfrakcja – ugięcie

Optyka

Siatka dyfrakcyjna

Optyka

rys. MPasternak

Dziękuję za uwagę!