DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: ZSP Białogard • ID grupy: 97/22_MF_G1 • Opiekun: Renata Karczewska - Siudowska • Kompetencja: Matematyczno-Fizyczna • Temat projektowy: Światło- promienie i fale. • Semestr/rok szkolny: semestr V- 2011/2012

3. Skład grupy: • Alicja Gąsiorowska • Róża Wysocka • Dominika Paluszkiewicz • Michał Kunz • Tomasz Krepsztul • Włodzimierz Borowik • Dawid Koprowski • Dariusz Szłyk • Tadeusz Szenichowicz

4. SPIS TREŚCI: 16. PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA 17. SOCZEWKI 18. RODZAJE SOCZEWEK 18.1 SOCZEWKA SKUPIAJĄCA 18.2 SOCZEWKA ROZPRASZAJĄCA 19. CAŁKOWITE ODBICIE WEWNĘTRZNE 20. ROZSZCZEPIENIE ŚWIATŁA BIAŁEGO 21. PRYZMAT 22.TĘCZA 22.1 ZJAWISKA ISTOTNE DLA JEJ POWSTANIA 23. ZJAWISKO DYFRAKCJI I INTERFERENCJI 23.1 DYFRAKCJA ŚWIATŁA 23.2 ZJAWISKO INTERFERENCJI 23.3 INTERFERENCJA ŚWIATŁA 23.4 ZJAWISKO DYFRAKCJI I INTERFERENCJI FALI 23.5 ZASTOSOWANIE ZJAWISKA 24. WYZNACZANIE STAŁEJ DYFRAKCYJNEJ 25. POMIAR DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ 26. WIDMO PROMIENIOWANIA 27. BUDOWA OKA 28. DLACZEGO WIDZIMY? 29. MIKROSKOP 1. ŹRÓDŁA ŚWIATŁA 2. CZYM WŁAŚCIWIE JEST ŚWIATŁO? 3. KORPUSKULARNA NATURA ŚWIATŁA 4. FALA ELEKTROMAGNETYCZNA 5. ENERGIA PRZENOSZONA PRZEZ FALE 6. CZĘSTOTLIWOŚĆ 7. CZĘSTOTLIWOŚĆ A ENERGIA FOTONU 8. DŁUGOŚĆ FALI 9. ZWIĄZKI Z INNYMI PARAMETRAMI FALI   10. DŁUGOŚĆI FAL 11. POMIAR PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA 12. WIDMO FAL ELEKTROMAGNETCZNYCH 13. CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA 13.1 FALE RADIOWE 13.2 MIKROFALE 13.3 PROMIENIOWANIE PODCZERWONE 13.4 PODCZERWIEŃ 13.5 ŚWIATŁO WIDZIALNE 13.6 PROMIENIOWANIE ULTRAFIOLETOWE 13.7 ULTRAFIOLET 14. OPTYKA GEOMETRYCZNA OPRACOWAŁ 15. PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA

5. 1. ŹRÓDŁA ŚWIATŁA • Optyka to dział fizyki zajmujący się badaniem zjawisk związanych ze światłem. Źródłami świa­tła są ciała o wysokiej temperaturze. Temperatura na powierzchni Słońca wynosi około 6000°C. Źródła światła dzielą się na naturalne: Słońce i gwiazdy, oraz sztuczne: łuczywa, świece, żarówki, świetlówki. Światło jest falą elektromagnetyczną o długości zawartej w granicach od około 400 nm do 700 nm.

6. 2. CZYM WŁAŚCIWIE JEST ŚWIATŁO?OPRACOWAŁ KREPSZTUL TOMASZ • Światło - rozumiane jako ta część fal elektromagnetycznych, która jest odbierana przez oko człowieka - to tylko drobna część wszystkich możliwych fal elektromagnetycznych. • Światło można sobie wyobrażać jako skrawek nieustannie pulsującego pola elektromagnetycznego. Skrawek ten z ogromną prędkością pędzi przez pustą przestrzeń, lub przez przezroczysty ośrodek materialny.

7. 3. KORPUSKULARNA NATURA ŚWIATŁA • Pod pojęciem światła rozumie się promieniowanie elektromagnetyczne, widzialne dla człowieka. Zakres długości fali dla takiego promieniowania wynosi 380 - 750 nm. Od strony krótszych fal zakres widzialny graniczy z ultrafioletem, natomiast od strony dłuższych fal z podczerwienią. • Wiek dwudziesty przyniósł dowody na to, że światło ma dwoistą, korpuskularno - falową naturę. Czyli, że w niektórych warunkach światło może być traktowane jako strumień fotonów niosących energię.

8. 4. FALA ELEKTROMAGNETYCZNA • Ogólnie falą elektromagnetyczną nazywa się rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pole elektrycznego i magnetycznego rozchodzącego się w próżni z prędkością światła.. Proces przenoszenia energii na odległość nazywa się promieniowaniem. • W dziewiętnastym wieku jeden z uczonych, Michael Faraday odkrył, że zmienne pole elektryczne jest źródłem pola magnetycznego i odwrotnie zmienne pole magnetyczne może generować pole elektryczne.

9. FALA ELEKTROMAGNETYCZNA • Jednak dokładnego opisu zachowania się fal elektromagnetycznych dokonał dopiero Maxwell. Twierdził on, że fale elektromagnetyczne muszą poruszać się z pewną określoną prędkością zwaną prędkością światła. Równocześnie udowodnił tym, że światło jest także falą elektromagnetyczną. Maxwell przewidział także istnienie fal o znacznie większych długościach określane dzisiaj jako fale radiowe.

10. 5. ENERGIA PRZENOSZONA PRZEZ FALE • Fale elektromagnetyczne mogą przenosić energię. Jest to energia pola elektrycznego i magnetycznego tej fali. Ilość energii, która zostaje przeniesiona przez falę elektromagnetyczną w danej jednostce czasu, przez jednostkowa powierzchnię, która jest prostopadła do kierunku rozchodzenia się fali nosi nazwę natężenia fali elektromagnetycznej. Można to zapisać w postaci równania:

11. ENERGIA FALI • Gdzie I jest to natężenie fali elektromagnetycznej. Inaczej natężenie można wyrazić jako moc promieniowania czyli przenikająca przez daną powierzchnię .

12. 6. CZĘSTOTLIWOŚĆ • Częstotliwość (częstość) określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali. •  W fizyce częstotliwość oznacza się literą f lub grecką literą ν. Z definicji wynika wzór:

13. CZĘSTOTLIWOŚĆ • gdzie: • f – częstotliwość, • n – liczba drgań, • t – czas, w którym te drgania zostały wykonane. • Z innymi wielkościami wiążą ją następujące zależności:

14. 7. CZĘSTOTLIWOŚĆ A ENERGIA FOTONU • Albert Einstein zaproponował teorię fotonową, która wiąże z falą elektromagnetyczną o danej częstotliwości, pewien rodzaj cząstki zwanej fotonem, niosącej najmniejszy, niepodzielny kwant energii fali. Prowadzi to do zależności:  gdzie: h – stała Plancka, E – energia kwantu, ν – częstotliwość fali.

15. 8. DŁUGOŚĆ FALI • Długość fali — najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali — zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.

16. DŁUGOŚĆ FALI – rysunek.

17. 9. ZWIĄZKI Z INNYMI PARAMETRAMI FALI • Tradycyjne długość fali oznacza się ją grecką literą λ. Dla fali sinusoidalnej najłatwiej określić jej długość wyznaczając odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami. •  Zależności, wiążące długość fali z innymi parametrami:

18. 10. DŁUGOŚĆI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH • gdzie: • v — prędkość fazowa fali • T — okres fali • f — częstotliwość

19. 11. POMIAR PRĘDKOŚCI ŚWIATŁA • Pierwszego pomiaru prędkości światła planował dokonać Galileusz. Eksperyment postanowił przeprowadzić wraz ze swoim pomocnikiem za miastem na dwóch wzgórzach, mając do dyspozycji dwie latarnie. Sama próba polegała na odsłanianiu i przesłanianiu latarni, jednak ze względu na ogromną prędkość światła i bardzo duży błąd pomiaru, skazana była na niepowodzenie. Była to jednak pierwsza odnotowana eksperymentalna próba zmierzenia prędkości światła.

20. PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA • Pierwszego laboratoryjnego pomiaru prędkości światła dokonał w 1849 roku francuski fizyk Armand Fizeau używając koła zębatego. Od tamtej pory metody pomiaru prędkości światła były stale rozwijane, czego efektem był wzrost dokładności pomiaru. W 1907 roku Albert Abraham Michelson otrzymał Nagrodę Nobla m.in. za bardzo dokładne pomiary prędkości światła.

21. PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA • Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni nie zależy od częstości fali ani układu odniesienia. Stałość tej prędkości wynika z podstawowych własności przestrzeni i dlatego w fizyce określa się stałą c o nazwie prędkość światła. •   Prędkość światła (prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni) jest bardzo ważną stałą fizyczną , wynoszącą dokładnie

22. PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA • W elektrodynamice klasycznej prędkość światła jest konsekwencją równań Maxwella. Rozwiązanie tych równań dla pola elektromagnetycznego w próżni prowadzi do równania falowego, w którym pojawia się stała będąca prędkością fazową fali elektromagnetycznej, czyli prędkość światła w próżni. Jest to stała fundamentalna związana z własnościami próżni, m.in. z przenikalnością elektryczną (wyrażone w jednostkach SI):

23. PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA • i przenikalnością magnetyczną • James Clerk Maxwell pokazał (około 1856 roku), że konsekwencją równań elektrodynamiki jest istnienie fali elektromagnetycznej propagującej się z prędkością

24. PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA • gdzie: • εo – przenikalność elektryczna próżni, • μo – przenikalność magnetyczna próżni. •  Eksperymentalnie zostało to potwierdzone przez Heinricha Hertza kilkadziesiąt lat później. To, że fala elektromagnetyczna propaguje się z prędkością c jest konsekwencją bezmasowości fotonu (masa spoczynkowa fotonu jest równa zeru).

25. 12. WIDMO FAL ELEKTROMAGNETCZNYCHOPRACOWAŁ SZŁYK DARIUSZ •  Fale elektromagnetyczne można podzielić ze względu na częstotliwość lub długość, taki podział nazywa się widmem fal elektromagnetycznych. Obejmuje ono fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie nadfioletowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowania gamma. • Zakresy poszczególnych rodzajów promieniowania nie mają wyraźnych i ostrych granic. Niektóre z nich wzajemnie zachodzą na siebie.

26. Widmo promieniowania optycznego

27. 13. CHARAKTERYSTYKA PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO • 1. Fale radiowe to promieniowanie elektromagnetyczne o największej długości fali , z przedziału od kilku milimetrów do setek kilometrów. Po raz pierwszy w sposób zamierzony zostały wytworzone przez Hertza. On również udowodnił, że mogą być przesyłane na duże odległości. • Zakres fal radiowych dzieli się dodatkowo na fale krótkie, średnie i długie.

28. 13.1 FALE RADIOWE Źródłem fal radiowych są specjalne anteny nadawcze. Fale te wykorzystuje się m.in. w radiofonii.

29. 13.2 MIKROFALE •  2. Mikrofale to fale z zakresu długości od 1 mm do 30 cm. Źródłem promieniowania mikrofalowego mogą być klistrony i magnetrony. Natomiast do ich przesyłu stosuje się falowody. Mikrofale używane w radiolokacji to te o mniejszych długościach fal, od około 20 cm do 0.5 milimetra. Poza tym mikrofale wykorzystywane są w telekomunikacji satelitarnej, medycynie a także powszechnie używanych kuchenkach mikrofalowych.

30. 13.3 PROMIENIOWANIE PODCZERWONE • 3. Podczerwień to promieniowanie o długościach fali od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Zazwyczaj dzielone jest na trzy obszary: podczerwień bliską, średnia podczerwień i daleką podczerwień. Promieniowanie to jest emitowane przez wszystkie rozgrzane obiekty oraz przez lampy wyładowcze.

31. 13.4 PODCZERWIEŃ Promieniowanie podczerwone jest odbierane przez narządy zmysłów jako ciepło. Fale z zakresu podczerwieni wykorzystywane są w wielu gałęziach nauki i przemysłu m.in. w analizach chemicznych. Powszechnie używa się tego promieniowania podczerwonemu urządzeniach zwanych noktowizorami.

32. 13.5 ŚWIATŁO WIDZIALNE • 4. Światło widzialne to zakres promieniowania elektromagnetycznego, które jest widzialne przez ludzki narząd wzroku. Są to fale z zakresu od 380 do 780 nanometrów. Zakres ten niekiedy nazywany jest zakresem tęczy, odpowiada bowiem kolorom od czerwieni przez pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski aż do fioletowego.

33. 13.6 PROMIENIOWANIE ULTRAFIOLETOWE • 5. Ultrafiolet jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach krótszych niż światło widzialne. Są to fale z przedziału od 390 do 10 nanometrów. • Fale dłuższe, do około 190 nanometrów to ultrafiolet bliski, a fale krótsze to ultrafiolet daleki. Promieniowanie UV emitowane przez Słońce to zarówno UV- A jak i UV - B. Jednak warstwa ozonowa pochłania prawie cały UV- B i do Ziemi dociera głównie ultrafiolet UVA.

34. 13.7 ULTRAFIOLET • Inny podział dzieli zakres ze względu na skutki biologiczne: •  V - A - długość 315-380nm •  UV - B - długość 280-315nm •  UV - C - długość 10-280nm • Promieniowanie ultrafioletowe ma ważną własność. Może mianowicie powodować fluorescencję wielu ciał.

35. ULTRAFIOLET • Dlatego też z powodzeniem używa się go do wykrywania fałszywych banknotów czy w kryminalistyce przy oględzinach miejsc zbrodni. Znaczniki fluorescencyjne wykorzystuje się również do obserwowania metabolizmu niektórych substancji w organizmach.

36. 13.8 PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE • 6. Promieniowanie rentgenowskie to fale z zakresu 12 - 0.012 nanometrów. Promienie X o najmniejszych energiach nazywa się promieniami miękkimi, natomiast te o większej energii twardymi. •  Promieniowanie rentgenowskie jest bardzo przenikliwe. Promienie X zostały odkryte przez Rontgena w roku 1895 i od tamtej pory są powszechnie wykorzystywane m.in. w medycynie i przemyśle.

37. PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE • Promieniowanie rentgenowskie powstaje podczas przejścia elektronu w atomie z wyższego poziomu energetycznego na niższy, w którym pozostała luka po wybitym elektronie.

38. 13.9 PROMIENIOWANIE GAMMA • 7. Promieniowanie gamma obejmuje najkrótsze fale, z zakresu metra. Odpowiada to fotonom o energii od 10 MeV do 10 keV. Zaliczane jest ono do promieniowania jonizującego. Może powstawać w reakcjach rozpadu jąder izotopów promieniotwórczych, w reakcjach syntezy jąder, a także w procesie anihilacji.

39. PROMIENIOWANIE GAMMA • Emisja promieniowania gamma towarzyszy przejściu jądra pierwiastka promieniotwórczego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii. Nie zachodzi przy tym zmiana składu jądra. Promieniowanie gamma należy do najbardziej przenikliwego promieniowania. W przyrodzie jego źródłami są pierwiastki alfa bądź beta promieniotwórcze. • W przemyśle promieniowanie gamma wykorzystywane jest m.in. do badania metali i ich stopów w celu wykrycia ewentualnych defektów. Jest to tzw. defektoskopia.

40. 14. OPTYKA GEOMETRYCZNAOPRACOWAŁ KOPROWSKI DAWID • Optyka geometryczna to dział optyki zajmujący się wytłumaczeniem zjawisk optycznych przy użyciu pojęcia promienia. • Założenia optyki geometrycznej: • - w ośrodku optycznie jednorodnym światło biegnie po linii prostej • - ośrodek optyczny to taki, w którym rozchodzi się światło

41. OPTYKA GEOMETRYCZNA • - ośrodek optycznie jednorodny to taki, który w całej swojej objętości posiada jednakowe właściwości fizyczno-chemiczne • - linia, po której rozchodzi się światło, to promień świetlny • - promień skierowany prostopadle do powierzchni płaskiej ulegnie odbiciu i wróci do źródła światła.

42. 15. PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA • Prawo odbicia - kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. W wyniku odbicia zmienia się tylko kierunek rozchodzenia się fali, nie zmienia się jej długość.

43. 16. PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA • Prawo załamania światła łączy ze sobą dwa kąty - kąt padania na powierzchnię rozgraniczającą dwa ośrodki i kąt załamania powstający gdy promień przejdzie granicę i zacznie się rozchodzić w drugim ośrodku

44. 17. SOCZEWKI • Soczewka – proste urządzenie optyczne składające się z jednego lub kilku sklejonych razem bloków przezroczystego materiału (zwykle szkła, ale też różnych tworzyw sztucznych, żeli, minerałów, a nawet parafiny ). • Istotą soczewki jest to, że przynajmniej jedna z jej powierzchni roboczych jest zakrzywiona, np. jest wycinkiem sfery, innej obrotowej krzywej stożkowej jak parabola, hiperbola lub elipsa, albo walca.

45. 18. RODZAJE SOCZEWEK

46. 18.1 SOCZEWKA SKUPIAJĄCA

47. 18.2 SOCZEWKA ROZPRASZAJĄCA

48. 19. CAŁKOWITE ODBICIE WEWNĘTRZNE • Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu.

49. CAŁKOWITE WEWNĘTRZNE ODBICIE Ciekawostka: Zjawisko to jest wykorzystywane w pryzmatach oraz światłowodach. Jest także przyczyną powstawania refleksów w oszlifowanym diamencie.

50. 20. ROZSZCZEPIENIE ŚWIATŁA BIAŁEGO • Jeżeli fala przechodzi przez granicę ośrodków zachodzi zjawisko załamania. Jeżeli w jednym z ośrodków prędkość rozchodzenia się fali zależy od częstotliwości, to fale o różnej częstotliwości załamują się pod różnymi kątami. W efekcie droga, po której porusza się fala, zależy od jej częstotliwości, czyli zachodzi rozszczepienie. • Zjawisko rozszczepienia zachodzi również na siatce dyfrakcyjnej, ale istota tego zjawiska jest inna.