38 OPTIKA VOD A GEOMETRICK OPTIKA I Jakub

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 1. V homogenním prostředí se světlo šíří přímočaře 2. Na hranici dvou homogenních izotropních a nevodivých prostředí se odráží a láme tak, že je splněn zákon odrazu a lomu 3. Směr šíření světla podél paprsku je vždy možno změnit na opačný 4. 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: β…úhel lomu • Podíl rychlostí v 1 a v 2 je veličina zvaná index lomu n pro dané rozhraní • Pokud je první prostředí vakuum nebo vzduch platí v 1 = c a pro rychlost světla v druhém prostředí zavedeme v 2 = v • Poté platí: … absolutní index lomu optického prostředí

Zákon lomu • Nazývá se též Snellův zákon • Objevil ho v 17. století Holanďan W. Snell nebo • 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:

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 n 1, v němž má rychlost v 1, do prostředí s indexem lomu n 2, kde má rychlost v 2, 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: 1. z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího nastává lom světla ke kolmici ( β<α) 2. 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.