Dyfrakcja
Zjawisko dyfrakcji najlepiej wyjaśnić przy pomocy przedstawionego doświadczenia. Na przesłonę ze szczeliną rzucamy wiązkę światła jednobarwnego. Jeżeli szczelina jest dość szeroka, to promienie światła biegną przez nią prostopadle i dają na ekranie jeden jasny prążek. Obraz szczeliny jest w przybliżeniu równy szerokości szczeliny (jeśli odległość źródła światła od przesłony jest znacznie większa od odległości ekranu od przesłony. Jeśli szerokość szczeliny zwęzi się do około kilku dziesiątych milimetra to obraz na ekranie nie zwęzi się lecz wbrew oczekiwaniom rozszerzy. Ponadto po obu stronach jasnego prążka środkowego pojawi się kilka prążków mniej wyraźnych na przemian ciemnych i jasnych.
Takie ugięcie promieni na krawędzi przeszkody, któremu towarzyszy miejscowe osłabienie i wzmocnienie światła nosi nazwę dyfrakcji.
Interferencja
W 1807 angielski fizyk Thomas Young po raz pierwszy wykonał doświadczenie
interferencji światła. Doświadczenie to jest podstawą teorii falowej światła. Doświadczenie to polegało na przepuszczeniu światła jednobarwnego np. sodowego przez dwie szczeliny.
Odległość szczelin około 0,5 mm, szerokość szczelin około 0,1 mm. Na odpowiednio ustawionym ekranie można zauważyć szereg prążków ciemnych i jasnych położonych symetrycznie względem środkowego jasnego prążka. Zjawisko nakładania się ciągów fal, w wyniku którego następuje w jednych miejscach wzmocnienie drgań, a w innych osłabienie nazywa się interferencją. Tam gdzie fale spotykają się zgodnymi fazami, w wyniku ich nakładania następuje wzmocnienie światła. Tam gdzie dwa ciągi fal spotykają się w fazach przeciwnych, następuje osłabienie (wygaszenie) światła.
Odbicie fal świetlnych. Zwierciadła płaskie i kuliste
Najczęściej spotykamy się ze zwierciadłami płaskimi. Schemat konstrukcji obrazu otrzymywanego w takich zwierciadłach przedstawia poniższy rysunek.
Otrzymany obraz jest obrazem pozornym, powstał bowiem w wyniku przecięcia się przedłużeń promieni odbitych od zwierciadła.
Od powierzchni ciał światło odbija się zawsze w takim kierunku, że kąt odbicia jest równy kątowi padania i leżą one w jednej płaszczyźnie. Kąt padania tworzy się między promieniem padającym a prostą prostopadłą do zwierciadła, natomiast kąt odbicia między promieniem odbitym a prostą prostopadłą do zwierciadła. Jeżeli światło odbija się od powierzchni chropowatej następuje rozproszenie światła.
Zwierciadło kuliste, jest to zwierciadło, którego powierzchnią odbijającą jest wycinek sfery (np. łyżeczka, reflektor w latarce, bombka choinkowa). Środkiem krzywizny takiego zwierciadła nazywamy środek sfery z której wycięto zwierciadło - O, a promieniem
krzywizny - promień tej sfery - r. Linia łącząca środek krzywizny ze środkiem powierzchni odbijającej zwierciadła nosi nazwę głównej osi optycznej zwierciadła.
Wyróżniamy zwierciadła wypukłe i wklęsłe w zależności od tego, która strona zwierciadła jest dla promieni powierzchnią odbijającą.
Promienie równoległe do głównej osi optycznej zwierciadła i biegnące w niewielkiej od niej odległości, po odbiciu od powierzchni zwierciadła wklęsłego skupiają się w jednym punkcie zwanym ogniskiem zwierciadła (oznaczamy F).
F - ognisko zwierciadła kulistego wklęsłego, O - środek krzywizny zwierciadła (wierzchołek zwierciadła), r - promień zwierciadła
Sytuacja jest odwrotna jeśli promienie wychodzą z ogniska. Jest to wykorzystywane np. w latarce.
Zwierciadła kuliste wklęsłe mogą tworzyć dwa rodzaje obrazów przedmiotów:
rzeczywiste lub pozorne. Jeśli przedmiot umieścimy na głównej osi optycznej w odległości większej niż ogniskowa (ogniskowa - f, to odległość ogniska od
zwierciadła) to jego obraz będzie rzeczywisty. Możemy go zobaczyć, gdy na głównej osi optycznej zwierciadła umieścimy w odpowiedniej odległości ekran. Obrazy rzeczywiste są zawsze odwrócone, a ich wielkość zależy od odległosći - x przedmiotu od zwierciadła:
dla x>2f obraz zmniejszony
dla x>f, ale mniejsze od 2f obraz powiększony
Obraz dowolnego punktu otrzymujemy przez wykreślenie promieni padających na zwierciadło:
1. promienia przechodzacego przez środek krzywizny, który po odbiciu od zwierciadła wraca tą samą drogą
2. promienia równoległego do głównej osi optycznej, który po odbiciu od zwierciadła przechodzi przez ognisko
3. promienia przechodzącego przez ognisko, który po odbiciu biegnie równolegle do głównej osi optycznej
Gdy przedmiot jest w odległości x > 2f
Gdy x = 2f
Gdy f < x < 2f
Gdy x < f
Soczewki
Soczewką (sferyczną) nazywamy ciało przezroczyste ograniczone z obu stron
powierzchniami kulistymi lub z jednej strony ograniczone powierzchnią kulistą a z drugiej powierzchnia płaską. Rozróżniamy soczewki skupiające i soczewki rozpraszające.
Ogniskiem rzeczywistym F nazywamy punkt, w którym przecinają się promienie (po przejściu przez soczewkę) biegnące równolegle do głównej osi optycznej soczewki, w niewielkiej od niej odległości.
Ogniskowa f jest to odległość ogniska F od środka soczewki.
Każda soczewka skupiająca ma dwa ogniska rzeczywiste położone po obu jej stronach w równych od niej odległościach.
Promienie, padające na soczewkę rozpraszającą równolegle do jej głównej osi optycznej, po przejściu przez soczewkę tworzą wiązkę rozbieżną. Przedłużenia tych promieni przecinają się w punkcie, który nazywany jest ogniskiem pozornym soczewki rozpraszającej.
Dla soczewek skupiających ważną właściwością jest tzw. zdolność skupiająca lub
zbierająca. Im krótsza jest ogniskowa soczewki, czyli im bliżej soczewki leży jej ognisko, tym większa jest jej zdolność zbierająca. Soczewka, której ogniskowa wynosi 1 m, ma zdolność zbierającą równą 1 dioptrii. Jeżeli odległość ogniskowa wynosi ¼ m, to zdolność
zbierająca równa się 4 dioptrie. Ogólnie można powiedzieć, że zdolność zbierająca to odwrotność jej ogniskowej wyrażonej w metrach.
Za pomocą soczewek skupiających można otrzymywać obrazy pozorne oraz rzeczywiste. Poniższe rysunki wyjaśniają to zjawisko.
Obrazy tworzone przez soczewki skupiające
Obraz rzeczywisty, odwrócony i zmniejszony
Obraz rzeczywisty, odwrócony i powiększony
Obraz pozorny, prosty i powiększony
Gdy przedmiot leży w odległości większej od podwójnej ogniskowej soczewki obraz jest rzeczywisty, odwrócony i zmniejszony; gdy odległość przedmiotu od soczewki x = 2f, obraz jest rzeczywisty, odwrócony i tej samej wielkości co przedmiot; gdy 2f>x>f obraz jest rzeczywisty, odwrócony i powiększony. Obrazy w tych wszystkich przypadkach są rzeczywiste ponieważ można je było otrzymać na ekranie. Ekran oczywiście należy przesuwać do odpowiedniego położenia aby obraz był wyraźny.
Jeśli przedmiot umieścimy w ognisku soczewki to obraz znika. Gdy zbliżymy przedmiot jeszcze bliżej ogniska czyli x<f to obrazu na ekranie nie otrzymamy. Spojrzawszy jednak w soczewkę zobaczymy obraz po tej samej stronie co przedmiot. Będzie on powiększony i nie odwrócony. Jest to obraz pozorny. Powstaje on na przecięciu przedłużonych promieni dochodzących do oka.
Zależność między odległością x przedmiotu oraz obrazu y od soczewki, a ogniskową f soczewki, zwana równaniem soczewki przyjmuje następującą postać
gdzie:
f – ogniskowa
x – odległość przedmiotu od soczewki
y – odległość otrzymanego obrazu od soczewki
Załamanie światła
Przy przejściu światła z jednego ośrodka do drugiego kierunek rozchodzenia się światła zawsze ulega zmianie. Następuje załamanie światła. Kierunek rozchodzenia się światła po załamaniu nazywamy promieniem załamanym. Kat zawarty między promieniem padającym
na powierzchnię a prostą prostopadłą do tej powierzchni rozgraniczającej dwa ośrodki nazywamy katem padania światła. Kąt zawarty między promieniem załamanym a tą prostopadłą nazywamy kątem załamania. Na uwagę zasługuje fakt, że światło, które pada prostopadle na granicę dwóch ośrodków nie załamuję się czyli kąt padania i kąt załamania są równe zeru.
Przy przejściu z powietrza do szkła promień światła załamuje się ku prostopadłej padania, to znaczy b < a. Przy przejściu natomiast światła ze szkła do powietrza następuje
odchylanie się od prostopadłej padania, to znaczy b > a.
Fale świetlne załamują się ku prostopadłej, gdy przechodzą z obszaru, w którym prędkość ich jest większa do obszaru, w którym rozchodzą się wolniej. I na odwrót, załamują się od prostopadłej, gdy przechodząc granicę zwiększają swą prędkość.
Zjawisko to dla różnych barw wygląda niejednakowo. Najsilniej załamuje się fiolet, słabiej niebieski, potem zielony, żółty, a najsłabiej czerwony.
Rozszczepienia światła
Dzięki temu, że każda barwa załamuje się pod innym kątem za pomocą pryzmatu można dokonać rozczepienia światła białego.
Rozszczepienie światła białego w pryzmacie
Rozszczepienie i złożenie światła białego w pryzmatach
Światło białe nie jest jednorodne. W jego skład wchodzą promieniowania różnych barw.
Gdy wychodzącą wiązkę z pryzmatu skieruje się na ekran powstanie na nim barwna wstęga nazywana widmem światła białego. Można oczywiście złożyć te składniki i otrzymać z nich światło białe. Jeżeli przez pryzmat przepuścimy promień światła jednobarwnego, a wiec wiązkę o jednej, określonej długości fali nie nastąpi rozszczepienie światła. Np. promień jednobarwnego światła czerwonego skierowany na pryzmat nie rozszczepi się i z pryzmatu będzie wychodzić dalej promień światła czerwonego. Rozszczepić może się jedynie światło
niejednorodne.
Widmo światła białego
