Optika jako vda rozdlen optiky zkladn zkony typy

Optika jako věda, rozdělení optiky, základní zákony, typy optických rozhraní, disperze světla

OPTIKA jako věda § Optika je věda, která se zabývá podstatou světla, studiem zákonitostí světelných jevů, které vznikají při průchodu světla různými prostředími a jejich rozhraními v nejrůznějších podmínkách; § studiem vzniku a zániku světla a jeho vzájemného působení s látkou

Rozdělení optiky • GEOMETRICKÁ OPTIKA (paprsková) • VLNOVÁ OPTIKA • KVANTOVÁ OPTIKA

Geometrická (paprsková) optika • Vysvětluje šíření světla pomocí paprsků • Zabývá se popisem optického zobrazování • Používá rozměry několikrát větší než je λ světla (lze ji zanedbat) • Pracuje s pojmy a předpoklady z geometrie

Kvantová optika • Zabývá se elementárními vlastnostmi světla (vznik, absorpce, …) • Popisuje děje, při nichž se projevuje kvantový ráz světla (fotoefekt, světelná spektra látek, záření absolutně černého tělesa, …)

Vlnová optika • Zabývá se jevy, při kterých se projevují vlnové vlastnosti světla (interference, polarizace, difrakce, …) • Světlo je elektromagnetické vlnění, které se šíří prostorem

Světlo § je příčné elektromagnetické vlnění s vlnovou délkou od 380 – 780 nm – viditelné spektrum

Jiné rozdělení optiky • biologická optika – fyziologická, psychologická • fyzikální optika – klasická (geometrická, vlnová), kvantová Mezi jednotlivé obory se prolíná brýlová, přístrojová a aplikovaná Jiné rozdělení: • geometrická • fyzikální • fyziologická

GEOMETRICKÁ OPTIKA

Základní zákony GEO 1. Zákon o přímočarém šíření světla (v homogenním prostředí→ Huygensův princip) 2. Zákon odrazu a lomu 3. Zákon o nezávislosti chodu světelných paprsků 4. Zákon o záměně chodu světelných paprsků → FERMATŮV PRINCIP

Fermatův princip • Princip minimálního času, tzn. že světlo se šíří z jednoho bodu prostoru do druhého po takové dráze, že doba potřebná k jejímu proběhnutí je extrémní

1. Zákon o přímočarém šíření světla říká, že ve vakuu nebo v homogenním prostředí se světlo šíří přímočaře. Huygensův princip 12

3. Zákon o nezávislosti chodu světelných paprsků Daným bodem prostoru může současně procházet libovolné množství světelných paprsků, světelné paprsky se přitom nebudou navzájem ovlivňovat. • Jednotlivé paprsky jsou na sobě nezávislé a šíří se tak, jakoby ostatní paprsky neexistovaly. • Ve vlnové optice tento princip neplatí, světlo je elektromagnetické vlnění a setkají-li se dvě vlnění, vzájemně interferují. 13

4. Zákon o záměně chodu světelných paprsků Pokud se světelný paprsek dostane z místa A do místa B po určité trajektorii, bude při šíření z místa B do místa A postupovat po stejné trajektorii. • Budeme li řešit konkrétní úlohu, je jedno, jestli zvolíme chod paprsků zleva doprava nebo zprava doleva, v obou případech musíme dospět ke stejnému výsledku. 14

Optické prostředí, Index lomu • Světlo se šíří (láme, odráží, pohlcuje) v optickém prostředí • V optice předpokládáme homogenní (stejnorodé) a izotropní prostředí • Index lomu je hlavní veličinou, která charakterizuje optické prostředí

Index lomu…n • • Charakterizuje optické prostředí Bezrozměrná veličina Vztahuje se vždy k určité vlnové délce světla λ Udává kolikrát MENŠÍ je rychlost světla v daném prostředí vzhledem k rychlosti světla ve vakuu (c = 3· 108 m/s)

Index lomu Absolutní index lomu Relativní index lomu • •

Relativní index lomu vzhledem ke vzduchu některých prostředí pro λ =589, 3 nm prostředí vzduch Index lomu 1 Destilovaná voda 1, 333 Komorová voda a sklivec 1, 336 rohovka 1, 376 Pouzdro oční čočky 1, 386 Jádro oční čočky 1, 406 Brýlová čočka 1, 450 – 1, 900

Příklady • Vypočtěte rychlost světla ve skle s indexem lomu 1, 5 a ve vodě. • Vypočítejte index lomu prostředí vzhledem ke vzduchu, ve kterém se světlo šíří rychlostí 220000 km/s. • Určete absolutní index lomu optického skla, jehož relativní index lomu má velikost 1, 62031. Absolutní index lomu vzduchu za normálních podmínek je 1, 000292.

2. Odraz a lom světla (Snellův zákon)

Odraz světla a zákon odrazu • Při šíření světla na rozhraní dvou optických prostředí se část dopadajícího světla vrací do původního prostředí (odráží se) a část prochází (láme se)

Zákon odrazu • Dopadající paprsek P 1 svírá s kolmicí dopadu k úhel dopadu α, odražený paprsek P 2 svírá s kolmicí dopadu úhel odrazu α´. Úhel dopadu a úhel odrazu se měří se od paprsku ke kolmici. Zákon odrazu zní: úhel dopadu se rovná úhlu odrazu až na znaménko a odražený paprsek zůstává v rovině dopadu. α=-α´ α - úhel dopadu α´ - úhel odrazu

Lom světla a zákon lomu Lom paprsku od kolmice n > n´ Lom paprsku ke kolmici n < n´ Pokud přechází světelný paprsek z opticky hustšího do opticky řidšího prostředí, paprsek se láme od kolmice. Pokud přechází světelný paprsek z opticky řidšího prostředí do opticky hustšího, paprsek se láme ke kolmici.

Zákon odrazu a lomu n · sin α = n´· sin β α…úhel dopadu β… úhel lomu

Speciální případy Snellova zákona • TOTÁLNÍ ODRAZ • BREWSTERŮV ÚHEL

Totální odraz a mezní úhel Dopadá-li světlo z opticky hustšího do opticky řidšího prostředí, paprsek se láme od kolmice. Při určitém úhlu dopadu tzv. mezním úhlu - lomený paprsek prochází optickým rozhraním – úhel lomu je 90°. Je-li úhel dopadu větší než kritický úhel, světlo se neláme, pouze se odráží – totální odraz (totální reflexe).

Využití úplného odrazu světla • REFRAKTOMETRY – pomocí měření mezního úhlu určujeme index lomu látek • ODRAZNÉ HRANOLY – př. dalekohled • OPTICKÁ VLÁKNA

Brewsterův úhel • T

Ztráta světla odrazem a absorbcí

Ztráta světla odrazem • Dopadá-li světlo na rozhraní dvou prostředí (vzduch – sklo), nastává odraz a lom světla. Část dopadajícího světla se odráží a část dopadajícího světla se láme. • Budeme předpokládat, že na rozhraní dopadá světlo, které má intenzitu I. • Intenzita dopadajícího světla se po dopadu na rozhraní rozdělí. Část světla se bude odrážet, jeho intenzita bude I´´, část bude procházet, jeho intenzita bude I´. • Pokud nebudou nastávat ztráty světla absorpcí - světlo se nebude prostředím pohlcovat, platí: I = I´+ I´´

Absorpce světla optickým prostředím • Světlo se při průchodu optickým prostředím absorbuje (pohlcuje), intenzita dopadajícího světla se zmenšuje, světlo různých vlnových délek je pohlcováno různě. • Absorpce závisí na materiálu prostředí chemickém složení, na čistotě, zabarvení optického materiálu a vlnové délce dopadajícího světla, na tloušťce prostředí

Základní typy optických rozhraní

Základní typy optických rozhraní 1. Planparalelní destička 2. Hranol 3. Optický klín

1. Planparalelní destička • Planparalelní destička je optické prostředí omezené dvěma rovnoběžnými rovinami ( = 0) • Neodchyluje paprsek, pouze jej rovnoběžně POSOUVÁ • Dvě posunutí: – posunutí měřené kolmo na stěny destičky – posunutí měřené kolmo na paprsek 1.

Chod paprsku planparalelní destičkou § Paprsek, který vstupuje do destičky, je rovnoběžný s paprskem, který z destičky vystupuje. § Destička je obklopena vzduchem

2. hranol = opticky průhledné lámavé prostředí omezené dvěma rovinami, které svírají tzv. lámavý úhel hranolu § Roviny hranolu se protínají v tzv. lámavé hraně (přímka AD) § Každá rovina kolmá k lámavé hraně vytíná hlavní řez hranolu, který má tvar trojúhelníka

Chod paprsku hranolem (řez hranolu)

Optický klín • • hranol s malým lámavým úhlem prizma odklání paprsek do určitého směru použití: ke korekci strabismu

Optický klín • Skládá se z báze, vrcholu a dvou lomných ploch. • Lámavé plochy svírají lámavý úhel ω a protínají se v lámavé hraně. Proti lámavému úhlu ω se nachází neúčinná plocha, základna, báze hranolu. • Světelný paprsek procházející lomnými plochami se dvakrát lomí ve stejném směru, a to vždy ke směru umístění báze prizma. • Paprsek, který vystupuje z hranolu je od vstupujícího paprsku odchýlen o úhel δ, který nazýváme deviací. Tato odchylka je závislá na úhlu dopadu α na první lámavou plochu, indexu lomu materiálu hranolu a na lámavém úhlu ω. • Prizmata nefokusují, ani nezmenšují či nezvětšují.

Chod paprsku optickým klínem Hranolový účinek = prizmatický efekt v p. D (pdpt) Účinek 1 p. D má takový klín, který ve vzdálenosti 1 m odkloní kolmo dopadající paprsek o 1 cm.

Prizmata v ortoptické, optometrické praxi • Prizmatická lišta, sada zkušebních prizmat

Prizmata v ortoptické, optometrické praxi • Herschelovo otočné dvojprizma - je tvořeno dvěma prizmaty oválného tvaru, která jsou umístěna ve společné obrubě. Každé prizma má hodnotu 15 p. D. Hranoly se otáčejí proti sobě. Vzájemným otáčením prizmaty se může měnit jejich hodnota od 0 do 30 p. D.

Prizmata v ortoptické, optometrické praxi • Prizmatické brýlové čočky – korekce šilhání • Nutná kontrola centrace KAŽDÝCH brýlí, protože v případě nesprávné centrace brýlových čoček dochází k navození nežádoucího prizmatického účinku!

Základní pravidla korekce prizmaty • Prizma předkládáme vždy bází proti směru úchylky šilhání • Obraz se posouvá k apexu • Kompenzační pohyby oka jsou proti směru báze • Prizmatický účinek se udává v prizmatických dioptriích a směr báze ve stupních

Disperze světla

Disperze světla • Rozklad bílého světla na jeho jednotlivé barevné složky (spektrální barvy) v důsledku různého lomu – Každé barvě odpovídá určitá vlnová délka – Světlo s určitou vlnovou délkou se nazývá monochromatické světlo • Každé optické sklo je charakterizováno svou disperzí

Rozklad světla hranolem § Disperze světla se dá dobře pozorovat při dopadu světelného paprsku na hranol. § Při rozkladu světla hranolem můžeme odvodit závislost mezi indexem lomu n materiálu hranolu a vlnovou délkou světla.

Shrnutí • • Předmět zkoumání optiky jako vědy; její dělení Popis spektra elektromagnetického záření Zákony GEO; Fermatův princip Index lomu Odraz a lom světla; Snellův zákon PPD, hranol PRIZMA disperze

Příklady • Světelný paprsek postupuje ze skla s indexem lomu 1, 5 do vody s indexem lomu 1, 333. Určete úhel dopadu, je-li úhel lomu 30°. • Určete index lomu oleje, jestliže paprsek přecházející z oleje do vody dopadá pod úhlem 30° a láme se pod úhlem 35°. Index lomu vody je 1, 333.