Odbicie świecy w lustrze to przeżycie. Odbicie lustra w lustrze. Odbicie w płaskim lustrze. Odbicie promienia w lustrze. Rodzaje powierzchni lustrzanych
ODWRÓCONA NAZWA
Ułóż książki w stos i oprzyj o nie lustro. Umieść kawałek papieru pod krawędzią lustra.
Połóż lewą rękę przed kartką papieru, a brodę połóż na dłoni tak, abyś mógł patrzeć w lustro, ale nie widzieć kartki, na której masz pisać. Patrząc tylko w lustro, ale nie na papier, napisz na nim swoje imię i nazwisko. Spójrz co napisałeś.
Większość, a może nawet wszystkie litery były odwrócone do góry nogami.
Dlaczego?
Bo pisałeś patrząc w lustro, gdzie wyglądały normalnie, a na papierze były do góry nogami. Większość liter będzie odwrócona do góry nogami, a tylko litery symetryczne (H, O, E, B) zostaną zapisane poprawnie.
Wyglądają tak samo zarówno w lustrze, jak i na papierze, chociaż obraz w lustrze jest odwrócony do góry nogami.
WIELOKROTNA REFLEKSJA
Do tego doświadczenia powinieneś mieć przy sobie: dwa lustra (najlepiej tej samej wielkości), taśmę klejącą, kątomierz.
Sklej lusterka razem z tyłu.
Umieść zapaloną świecę (lub inny mały przedmiot) na środku kątomierza.
Umieść lusterka na kątomierzu i obróć je tak, aby kąt między nimi wynosił 180 stopni.
Zobaczysz tylko odbicie jednej świecy
Jeśli zmniejszysz kąt między lustrami, liczba odbić świecy wzrośnie!
Im mniejszy kąt otwarcia między lustrami, tym więcej obrazów obiektu zobaczysz.
Eksperymentuj i jeśli możesz, wykonaj na papierze rysunki konstruujące obrazy w lustrze (pod różnymi kątami). Czy możesz sobie z tym poradzić?
LUSTRO I TELEWIZOR
Prawdopodobnie każdy zaobserwował to zjawisko: jeśli przesuniesz dłoń z wyciągniętymi palcami przed ekranem telewizora, wydaje się, że na dłoni jest ich nie 5, ale co najmniej 20.
Weź duże lustro (o wymiarach około 13 x 18 cm) i złap w lustrze ekran telewizora. Jeśli lustro będzie nieruchome, nic się nie stanie – ekran to tylko ekran. Ale jeśli szybko przechylisz lustro, to znaczy potrząśniesz nim, zobaczysz niesamowity obraz: w odbiciu nie będzie już jednego ekranu, ale wiele, będą migotać przed twoimi oczami, obrazy zostaną zdeformowane.
Jeśli obrócisz lustro okrężnie (trzeba cały czas trzymać ekran telewizora w polu widzenia), zobaczysz jeszcze bardziej niezwykły obraz: ekran „oddzieli się” od telewizora, wyjdzie z niego, i otrzymasz (w tym celu będziesz musiał trochę poćwiczyć) zamknięty pierścień ekranów o różnych rozmiarach w zależności od pionu i różnym nachyleniu.
Powstały efekt tłumaczy się „pamięcią wzroku”.
Liczba odbić świecy zmienia się.
Ryż. 23. Wielokrotne odbicie świecy w dwóch lustrach
Zasugeruj możliwości wykorzystania wielu odbić.
Na podstawie swoich obserwacji wyciągnij wnioski na temat zjawisk fizycznych i chemicznych towarzyszących paleniu się świecy.
2. Monitorowanie kiełkowania nasion fasoli
Praca ta trwa kilka dni i może być wykonywana przez dwie osoby lub w grupach.
Cel pracy: obserwować zewnętrzne zmiany ziaren w czasie i zmiany ich masy.
Sprzęt i odczynniki: spodek lub szalka Petriego, gaza, 2-3 nasiona fasoli, woda, waga (techniczna lub elektroniczna).
Postęp prac
Gazę zwiniętą w kilka warstw ułożyć na szalce Petriego lub spodku, zalać taką ilością wody, aby zakryła gazę. Umieść nasiona fasoli na gazie, po zważeniu każdego z nich. Zostaw spodki z fasolą na parapecie w klasie naukowej.
Codziennie monitoruj wygląd nasion. Zapisz w zeszycie zachodzące w nich zmiany, codziennie je waż (po wytarciu papierową serwetką), a także zapisz wyniki w zeszycie. Kiedy fasola wykiełkuje i na kiełkach pojawią się drobne, pomarszczone listki, można zakończyć obserwację.
Narysuj nasiona na początku i na końcu doświadczenia.
Kiedy zmiana masy nasion fasoli była najbardziej intensywna?
Sporządź wykres masy kiełkujących nasion fasoli w funkcji czasu.
Wyciągnij wniosek na temat przyczyn zmiany masy fasoli.
3. Obserwacja zmian stanu lodu po ogrzaniu
Cel pracy: obserwować zjawisko topnienia lodu, opisywać zmianę stanu lodu w zależności od temperatury, wyciągać wnioski na temat zmiany temperatury lodu podczas topnienia.
Sprzęt i materiały: lód, termometr, szkło szklane o pojemności 50-100 ml, ściereczka.
Postęp prac
Dobrze pokrusz lód, zawijając go w szmatkę. Umieść pokruszony lód w szklanej szklance.
Zmierz temperaturę lodu i zapisz wynik w Tabeli 4.
Co 3–5 minut mierz temperaturę lodu i zapisuj stan skupienia wody, zapisując dane w tabeli.
Tabela 4
Sporządź wykres temperatury wody w różnych stanach skupienia w funkcji czasu.
Rozdział 2. Megaświat
§ 8. Człowiek i wszechświat
1. Pokaż na przykładach, jak zmieniły się poglądy na temat systemu światowego od czasów starożytnych do XVII wieku.
2. Wymień nazwiska naukowców XVI – XVII wieku, których wkładu w astronomię nie można przecenić.
3. Podaj krótki opis osiągnięć nauki rosyjskiej w dziedzinie astronautyki.
4. Przypomnij sobie nazwiska poetów, artystów, pisarzy, kompozytorów, reżyserów, których dzieła o kosmosie, gwiazdach, rzeczywistych i wyimaginowanych podróżach do odległych planet utkwiły Ci w pamięci.
Przyciąganie odległych gwiazd
Pamiętaj, jak w bezchmurną letnią noc, odrzucając głowę do tyłu, nie mogłeś oderwać wzroku od hipnotyzującego gwiaździstego nieba. Ilu artystów, poetów, pisarzy zainspirowało do stworzenia wielkich dzieł migotanie odległych gwiazd, nieznanych światów (ryc. 24). Ilu podróżnikom gwiazdy wskazały właściwą drogę do celu, ilu zagubionym podróżnikom pomogły odnaleźć drogę do domu.
Jestem synem Ziemi, dzieckiem małej planety,
Zagubiony w przestrzeni świata,
Pod ciężarem stuleci zmęczonych,
Bezowocne sny o czymś innym.
W. Bryusow
Ryż. 24. V. Van Gogh. Gwiaździsta noc nad Rodanem. 1888
Być może nie ma nic bardziej przerażająco atrakcyjnego, nieskończenie odległego, dostępnego i niedostępnego niż megaświaty, w głębinach których narodził się wielki cud - migocząca plamka pyłu zwana Ziemią. Powinieneś mieć pojęcie o tym, czym są galaktyki, gromady gwiazd, gwiazdy, czarne dziury, planety, komety i inne ciała niebieskie, a także znać współczesne koncepcje dotyczące struktury i ewolucji Wszechświata. Tego i wiele więcej dowiesz się w tym rozdziale.
Konstelacje migoczą w kosmicznej ciemności,
Świecą kusząco i wyraźnie,
Ale ludzie są przyzwyczajeni do życia na ziemi,
I ten nawyk jest wspaniały.
V. Soloukhin Filozofia przyrody o ziemi i wszechświecie
Pytanie, czym jest Wszechświat, niepokoi ludzi od czasów starożytnych. Nikt nie jest w stanie z całą pewnością powiedzieć, kiedy narodziła się jedna z najstarszych nauk, astronomia.
Nasi przodkowie, będąc w dużej mierze zależni od sił przyrody, deifikowały ciała niebieskie – Słońce, Księżyc, gwiazdy. Narosły o nich mity
Miejska placówka oświatowa
Gimnazjum nr 21
Magia luster
(prace badawcze)
Kierownik:
Biełgorod, 2011
Praca badawcza
„Magia luster”
Jak to wszystko się zaczęło? Kiedy byłam mała, często patrzyłam w lustro i widziałam w nim siebie. Nie rozumiałem i byłem bardzo zaskoczony, dlaczego albo byłem tam sam, albo było mnie wielu stojących naprzeciwko mnie. Czasami nawet spoglądałam za lustro, myśląc, że za nim stoi ktoś bardzo podobny do mnie. Od dzieciństwa bardzo interesowało mnie, dlaczego tak się dzieje, jakby w lustrze była jakaś magia.
Do moich badań wybrałem temat„Magia luster”
Znaczenie: Właściwości luster są badane do dziś, naukowcy odkrywają nowe fakty. Urządzenia z lustrami są obecnie używane wszędzie. Niezwykłe właściwości luster to gorący temat.
Hipoteza: Załóżmy, że lustra mają magiczną moc.
Ustaliliśmy co następuje zadania:
1. Dowiedz się, w jakim kraju i kiedy pojawiło się lustro;
2. Zapoznaj się z technologią wytwarzania luster i ich zastosowaniem;
3. Przeprowadzać eksperymenty z lustrami i poznawać ich właściwości;
4. Poznaj ciekawe fakty na temat luster;
5. Dowiedz się, czy lustra mają magiczną moc.
Przedmiot badań: lustro.
Przedmiot badań: magiczne właściwości luster.
Aby zbadać ten problem:
1. Czytaj artykuły encyklopedyczne;
2. Czytaj artykuły w gazetach i czasopismach;
3. Szukaliśmy informacji w Internecie;
4. Odwiedziliśmy sklep z lustrami;
5. Wróżenie za pomocą luster.
W jakim kraju i kiedy pojawiło się lustro?
Historia lustra rozpoczęła się już w trzecim tysiącleciu p.n.e. Najwcześniejsze lustra metalowe miały prawie zawsze okrągły kształt.
Pierwsze lustra szklane stworzyli Rzymianie w I wieku n.e. Wraz z początkiem średniowiecza szklane lustra całkowicie zniknęły: niemal jednocześnie wszelkie ustępstwa religijne wierzyły, że sam diabeł patrzy na świat przez lustrzane szkło.
Szklane lustra pojawiły się ponownie dopiero w XIII wieku. Ale były... wklęsłe. Ówczesna technologia produkcji nie znała sposobu „przyklejenia” blaszanego podkładu do płaskiego kawałka szkła. Dlatego stopioną cynę po prostu wlano do szklanej kolby, a następnie rozbito na kawałki. Dopiero trzy wieki później mistrzowie Wenecji wymyślili, jak pokryć płaską powierzchnię cyną. Do odblaskowych kompozycji dodano złoto i brąz, dzięki czemu wszystkie przedmioty w lustrze wyglądały piękniej niż w rzeczywistości. Koszt jednego lustra weneckiego był równy kosztowi małego statku morskiego. W 1500 roku we Francji zwykłe płaskie lustro o wymiarach 120 na 80 centymetrów kosztowało dwa i pół razy więcej niż obraz Rafaela.
Jak powstaje lustro.
Obecnie produkcja luster składa się z następujących etapów:
1) cięcie szkła
2) dekoracyjna obróbka krawędzi przedmiotu obrabianego
3) Najbardziej krytyczną operacją jest nałożenie cienkiej warstwy metalu (powłoki odblaskowej) na tylną ściankę szyby. Następnie nakładana jest warstwa ochronna z miedzi lub specjalnych środków wiążących, a następnie dwie warstwy farby ochronnej zapobiegającej korozji.
A co jeśli lustra mają magiczne właściwości?
1 . Mój tata, mama i ja uwielbiamy podróżować do różnych miast. Szczególnie lubimy zwiedzać pałace i zamki. Zadziwiło mnie, że w salach, w których odbywały się bale, było mnóstwo luster. Dlaczego tak wiele? W końcu, aby wyprostować włosy lub spojrzeć na siebie, wystarczy jedno lusterko. Okazuje się, że lustra są potrzebne, aby zwiększyć oświetlenie i pomnożyć płonące świece.
Doświadczenie 1: Zrobię lustrzany korytarz i przyniosę świece. Zwiększyło się oświetlenie.
Dlatego wszystkie pałace mają sale lustrzane na duże przyjęcia.
Doświadczenie 2. Lustra mogą odbijać nie tylko obrazy, ale także dźwięk. Dlatego w starożytnych zamkach znajduje się wiele luster. Stworzyli w czasie wakacji echo – odbicie dźwięku i wzmocnione dźwięki muzyczne.
Doświadczenie 3. W naszych domach znajduje się kilka luster. Nie ma ich wielu. Dlaczego?
Nie da się żyć w lustrzanym pokoju. Była hiszpańska tortura: wsadzili człowieka do lustrzanego pokoju – pudełka, w którym nie było nic poza lampą i człowiekiem! Nie mogąc znieść swoich myśli, mężczyzna oszalał.
Wniosek : Lustra mają właściwości odbijania dźwięku, światła i świata przeciwnego.
Napisz na kartce papieru trzy słowa, jedno pod drugim: FRAME, LUM i SLEEP. Umieść tę kartkę papieru prostopadle do lustra i spróbuj odczytać w lustrze odbicia tych słów. Słowo FRAME jest nieczytelne, LUM pozostał taki, jaki był, a DREAM zamienił się w NOS!
Lustro odwraca kolejność liter i należy czytać odbicie słów w lustrze nie od lewej do prawej, jak jesteśmy przyzwyczajeni, ale odwrotnie. Ale czytamy, zgodnie z naszym wieloletnim nawykiem! A słowa LUM i SLEEP same w sobie są bardzo interesujące. Bryłę można odczytać jednoznacznie zarówno od lewej do prawej, jak i odwrotnie! A słowo MARZENIE w odwrotnym czytaniu zamienia się w NOS! Oto dowód na to, jak działa lustro!
Po tych eksperymentach łatwo to zrozumieć tajny kod Leonarda da Vinci. Jego notatki można było odczytać jedynie przy pomocy lustra! Ale żeby tekst był łatwy do odczytania, i tak musiał być napisany na odwrót!
Człowiek w lustrze.
Zastanówmy się, kto tam jest, widoczny w lustrze? Moje odbicie czy nie moje?
Wystarczy uważnie przyjrzeć się sobie w lustrze!
Ręka ściskająca ołówek z jakiegoś powodu znajduje się w lewej ręce!
Połóżmy rękę na sercu.
Och, ten za lustrem ma to po prawej stronie!
A kret przeskoczył z jednego policzka na drugi!
Najwyraźniej to nie ja jestem w lustrze, ale mój antypod! I nie sądzę, żeby tak mnie postrzegali przechodnie na ulicy. Wcale tak nie wyglądam!
Jak możesz się upewnić, że widzisz w lustrze dokładnie swój nieprzekonwertowany obraz?
Jeśli dwa płaskie lustra zostaną ustawione pionowo pod kątem prostym względem siebie, wówczas zobaczysz „prosty”, nieodwrócony obraz obiektu. Na przykład zwykłe lustro daje obraz osoby, której serce jest po prawej stronie. W narożnym lustrze obrazu serce będzie, zgodnie z oczekiwaniami, po lewej stronie! Wystarczy odpowiednio stanąć przed lustrem!
Pionowa oś symetrii Twojej twarzy powinna leżeć w płaszczyźnie przecinającej kąt między lustrami. Po złożeniu lusterek przesuń je: jeśli kąt rozwiązania jest prosty, powinieneś zobaczyć pełne odbicie swojej twarzy.
Doświadczenie 7
Wielokrotne odbicie
I teraz mogę odpowiedzieć, dlaczego jest mnie tak dużo w lustrach?
Do przeprowadzenia doświadczenia będziemy potrzebować:
- dwa lustra
- kątomierz
- szkocka
- rzeczy
Plan pracy: 1. Zabezpiecz taśmą z tyłu lustra.
2. Umieść zapaloną świecę na środku kątomierza.
3. Umieść lusterka na kątomierzu tak, aby tworzyły kąt 180 stopni. W lustrach możemy zaobserwować jedno odbicie świecy.
4. Zmniejsz kąt między lusterkami.
Wniosek: W miarę zmniejszania się kąta między zwierciadłami wzrasta liczba odbić świecy w nich.
Magia luster.
Od XVI wieku lustra ponownie odzyskały reputację najbardziej tajemniczych i magicznych przedmiotów, jakie kiedykolwiek stworzył człowiek. W 1900 roku na Wystawie Światowej w Paryżu wielkim powodzeniem cieszyły się tzw. Pałac Iluzji i Pałac Miraży. W Pałacu Iluzji każda ściana dużej sześciokątnej sali była wielkim, wypolerowanym lustrem. Widz znajdujący się w tej sali widział siebie zagubionego wśród 468 swoich sobowtórów. A w Pałacu Miraży, w tej samej sali luster, w każdym rogu przedstawiono obraz. Części lustra z obrazami zostały „odwrócone” za pomocą ukrytych mechanizmów. Widz znalazł się albo w niezwykłym tropikalnym lesie, albo wśród niekończących się sal w stylu arabskim, albo w ogromnej indyjskiej świątyni. „Sztuczki” sprzed stu lat zostały teraz przejęte przez słynnego magika Davida Copperfielda. Swą słynną sztuczkę ze znikającym powozem zawdzięcza w całości Pałacowi Miraży.
Przyjrzyjmy się teraz wróżeniu za pomocą luster.
Magii luster używano także do wróżenia.
Wróżenie na lustrach sprowadzono do nas z zagranicy wraz z lustrem w jego nowoczesnej formie pod koniec XV wieku.
Najbardziej aktywny czas na wróżenie w dawnych czasach był od 7 do 19 stycznia. Te dwanaście dni świątecznych pomiędzy Bożym Narodzeniem (7 stycznia) a Trzech Króli (19 stycznia) nazywano okresem Bożego Narodzenia.
Podam przykład wróżenia:
1) Małe lusterko oblewa się wodą i wyjmuje na zimno dokładnie o północy. Po pewnym czasie, gdy lustro zamarznie i na jego powierzchni utworzą się różne wzory, trzeba przenieść je do domu i od razu przepowiadać przyszłość z zamarzniętej powierzchni.
Jeśli na lustrze zostaną znalezione koła, będziesz żył w obfitości przez rok; Jeśli spojrzysz na zarys gałęzi świerkowej, oznacza to, że masz przed sobą dużo pracy. Kwadraty przepowiadają trudności życiowe, a trójkąty są zwiastunem wielkiego sukcesu i szczęścia w każdym biznesie.
Po wróżeniu zdałem sobie sprawę: samo lustro nie ma magicznych właściwości. Człowiek je ma. A lustro jest jedynie środkiem, który pomaga wzmocnić informacje podświadomości i udostępnić je percepcji.
Wniosek: Nie wierzymy w magiczną moc luster; nieświadomi i niewykształceni ludzie przypisują im nadprzyrodzone właściwości. W końcu prawa optyki wyjaśniają z naukowego punktu widzenia wszystkie cuda lustrzane. W rezultacie nasza hipoteza została potwierdzona. Piękna bajka o lustrach to tylko fantazja. I potwierdziły to nasze eksperymenty.
Optyka geometryczna opiera się na idei prostoliniowego rozchodzenia się światła. Główną rolę odgrywa w nim koncepcja wiązki światła. W optyce falowej wiązka światła pokrywa się z kierunkiem normalnej do czoła fali, a w optyce korpuskularnej z trajektorią cząstki. W przypadku źródła punktowego w ośrodku jednorodnym promienie świetlne są liniami prostymi wychodzącymi ze źródła we wszystkich kierunkach. Na styku ośrodków jednorodnych kierunek promieni świetlnych może się zmieniać na skutek odbicia lub załamania, jednak w każdym z ośrodków pozostają one proste. Ponadto, zgodnie z doświadczeniem, przyjmuje się, że kierunek promieni świetlnych nie zależy od natężenia światła.
Odbicie.
Kiedy światło odbija się od wypolerowanej płaskiej powierzchni, kąt padania (mierzony od normalnej do powierzchni) jest równy kątowi odbicia (rysunek 1), przy czym promień odbity, promień normalny i promień padający leżą w tej samej płaszczyźnie. Jeśli wiązka światła pada na płaskie lustro, to po odbiciu kształt wiązki nie zmienia się; po prostu rozprzestrzenia się w innym kierunku. Dlatego patrząc w lustro, można zobaczyć obraz źródła światła (lub oświetlonego obiektu), a obraz ten wydaje się być taki sam jak obiekt oryginalny, ale znajduje się za lustrem w odległości równej odległości od przedmiot do lustra. Linia prosta przechodząca przez obiekt punktowy i jego obraz jest prostopadła do zwierciadła.
Wielokrotne odbicie.
Kiedy dwa zwierciadła są zwrócone ku sobie, obraz pojawiający się w jednym z nich odbija się w drugim i powstaje cała seria obrazów, których liczba zależy od względnego położenia zwierciadeł. W przypadku dwóch równoległych zwierciadeł, gdy między nimi zostanie umieszczony przedmiot (rys. 2, A) uzyskuje się nieskończoną sekwencję obrazów umieszczoną na linii prostej prostopadłej do obu zwierciadeł. Część tej sekwencji można zobaczyć, jeśli lustra są rozmieszczone na tyle daleko od siebie, aby umożliwić widok z boku. Jeśli dwa zwierciadła płaskie tworzą kąt prosty, wówczas każdy z dwóch obrazów pierwotnych odbija się w drugim zwierciadle, ale obrazy wtórne pokrywają się, tak że w rezultacie powstają tylko trzy obrazy (ryc. 2, B). Przy mniejszych kątach między zwierciadłami można uzyskać większą liczbę obrazów; wszystkie znajdują się na okręgu przechodzącym przez obiekt, którego środek znajduje się w punkcie na linii przecięcia zwierciadeł. Obrazy wytwarzane przez płaskie lustra są zawsze wyimaginowane - nie powstają z rzeczywistych wiązek światła i dlatego nie można ich uzyskać na ekranie.
Odbicie od zakrzywionych powierzchni.
Odbicie od powierzchni zakrzywionych odbywa się według tych samych praw, co od powierzchni prostych, a normalna w punkcie odbicia jest w tym miejscu prostopadła do płaszczyzny stycznej. Najprostszym, ale najważniejszym przypadkiem jest odbicie od powierzchni kulistych. W tym przypadku normalne pokrywają się z promieniami. Istnieją dwie opcje tutaj:
1. Zwierciadła wklęsłe: światło pada z wnętrza na powierzchnię kuli. Kiedy wiązka równoległych promieni pada na zwierciadło wklęsłe (ryc. 3, A), odbite promienie przecinają się w punkcie znajdującym się w połowie odległości między zwierciadłem a środkiem jego krzywizny. Punkt ten nazywany jest ogniskiem zwierciadła, a odległość pomiędzy zwierciadłem a tym punktem to ogniskowa. Dystans S od obiektu do lustra, odległość Sў od lustra do obrazu i ogniskowej F powiązane wzorem
1/F = (1/S) + (1/Sў ),
gdzie wszystkie wielkości należy uznać za dodatnie, jeśli są mierzone na lewo od lustra, jak na ryc. 4, A. Kiedy obiekt znajduje się w odległości większej niż odległość ogniskowa, powstaje prawdziwy obraz, ale gdy odległość S mniejsza niż ogniskowa, odległość obrazu Sў staje się ujemne. W tym przypadku obraz powstaje za lustrem i jest wirtualny.
2. Zwierciadła wypukłe: światło pada z zewnątrz na powierzchnię kuli. W takim przypadku po odbiciu od zwierciadła zawsze uzyskuje się rozbieżną wiązkę promieni (ryc. 3, B), a obraz powstający za lustrem jest zawsze wirtualny. Położenie obrazów można określić za pomocą tego samego wzoru, przyjmując w nim ogniskową ze znakiem minus.
Na ryc. 4, A pokazano lustro wklęsłe. Po lewej stronie obiekt o wysokości H. Promień zwierciadła sferycznego wynosi R i ogniskową f = R/2. W tym przykładzie odległość S od lustra do obiektu więcej R. Obraz można skonstruować graficznie, jeśli z nieskończenie dużej liczby promieni świetlnych weźmiemy pod uwagę trzy wychodzące ze szczytu obiektu. Promień równoległy do głównej osi optycznej przejdzie przez ognisko po odbiciu od zwierciadła. Drugi promień padający na środek zwierciadła zostanie odbity w taki sposób, że promienie padające i odbite utworzą z osią główną kąty równe. Przecięcie tych odbitych promieni da obraz górnego punktu obiektu, a pełny obraz obiektu można uzyskać, jeśli od tego punktu obniży się prostopadłą Hў do głównej osi optycznej. Aby to sprawdzić, możesz prześledzić przebieg trzeciego promienia przechodzącego przez środek krzywizny zwierciadła i odbijającego się od niego po tej samej drodze. Jak widać na rysunku, przejdzie on również przez punkt przecięcia pierwszych dwóch odbitych promieni. Obraz w tym przypadku będzie rzeczywisty (tworzą go rzeczywiste promienie światła), odwrócony i pomniejszony.
To samo lustro pokazano na ryc. 4, B, ale odległość do obiektu jest mniejsza niż ogniskowa. W tym przypadku promienie po odbiciu tworzą wiązkę rozbieżną, a ich kontynuacje przecinają się w punkcie, który można uznać za źródło, z którego wychodzi cała wiązka. Obraz będzie wirtualny, powiększony i pionowy. Przypadek przedstawiony na ryc. 4, B, odpowiada wklęsłemu lusterku do golenia, jeśli obiekt (twarz) znajduje się w obrębie ogniskowej.
Refrakcja.
Kiedy światło przechodzi przez granicę między dwoma przezroczystymi ośrodkami, takimi jak powietrze i szkło, kąt załamania (między promieniem w drugim ośrodku a normalną) jest mniejszy niż kąt padania (między promieniem padającym a tą samą normalną) jeśli światło przechodzi z powietrza do szkła (ryc. 5) i większy niż kąt padania, jeśli światło przechodzi ze szkła do powietrza. Załamanie podlega prawu Snella, zgodnie z którym promienie padające i załamane oraz normalna przechodząca przez punkt, w którym światło przecina granicę ośrodków, leżą w tej samej płaszczyźnie, a kąt padania I i kąt załamania R, mierzone od normalnej, są powiązane relacją N= grzech I/grzech R, Gdzie N– względny współczynnik załamania światła ośrodków, równy stosunkowi prędkości światła w tych dwóch ośrodkach (prędkość światła w szkle jest mniejsza niż w powietrzu).
Jeśli światło przechodzi przez płasko-równoległą płytkę szklaną, to ponieważ to podwójne załamanie jest symetryczne, promień wychodzący jest równoległy do padającego. Jeżeli światło nie pada prostopadle do płyty, wówczas powstająca wiązka zostanie przesunięta względem wiązki padającej o odległość zależną od kąta padania, grubości płyty i współczynnika załamania światła. Jeśli wiązka światła przechodzi przez pryzmat (ryc. 6), wówczas zmienia się kierunek wychodzącej wiązki. Ponadto współczynnik załamania światła szkła nie jest taki sam dla różnych długości fal: jest wyższy dla światła fioletowego niż dla światła czerwonego. Dlatego też, gdy białe światło przechodzi przez pryzmat, jego składowe barwne są w różnym stopniu odchylane, rozkładając się na widmo. Najmniej odchyla się światło czerwone, następnie pomarańczowe, żółte, zielone, cyjan, indygo i wreszcie fiolet. Zależność współczynnika załamania światła od długości fali promieniowania nazywa się dyspersją. Dyspersja, podobnie jak współczynnik załamania światła, silnie zależy od właściwości materiału. Odchylenie kątowe D(rys. 6) jest minimalna, gdy wiązka przemieszcza się symetrycznie przez pryzmat, gdy kąt padania wiązki na wejściu do pryzmatu jest równy kątowi, pod jakim wiązka ta wychodzi z pryzmatu. Kąt ten nazywany jest kątem minimalnego odchylenia. Dla pryzmatu z kątem załamania A(kąt wierzchołkowy) i względny współczynnik załamania światła N stosunek jest ważny N= grzech[( A + D)/2]grzech( A/2), który określa kąt minimalnego odchylenia.
Kąt krytyczny.
Kiedy wiązka światła przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego, takiego jak szkło, do ośrodka mniej gęstego, takiego jak powietrze, kąt załamania jest większy niż kąt padania (ryc. 7). Przy pewnej wartości kąta padania, zwanej krytyczną, załamana wiązka będzie ślizgać się wzdłuż granicy faz, pozostając nadal w drugim ośrodku. Kiedy kąt padania przekroczy krytyczny, nie będzie już załamanego promienia, a światło zostanie całkowicie odbite z powrotem do pierwszego ośrodka. Zjawisko to nazywane jest całkowitym wewnętrznym odbiciem. Ponieważ przy kącie padania równym kątowi krytycznemu kąt załamania jest równy 90° (sin R= 1), kąt krytyczny C, w którym rozpoczyna się całkowite wewnętrzne odbicie, jest dane przez relację grzech C = 1/N, Gdzie N– względny współczynnik załamania światła.
Soczewki.
Kiedy załamanie występuje na zakrzywionych powierzchniach, obowiązuje również prawo Snella, podobnie jak prawo odbicia. Ponownie najważniejszym przypadkiem jest przypadek załamania światła na powierzchni kulistej. Spójrzmy na rys. 8, A. Linię prostą poprowadzoną przez wierzchołek odcinka kuli i środek krzywizny nazywa się osią główną. Promień światła biegnący wzdłuż głównej osi pada na szkło wzdłuż normalnej i dlatego przechodzi bez zmiany kierunku, natomiast inne równoległe do niego promienie padają na powierzchnię pod różnymi kątami do normalnej, zwiększając się wraz z odległością od głównej osi. Dlatego załamanie będzie większe dla promieni odległych, ale wszystkie promienie takiej równoległej wiązki biegnącej równolegle do głównej osi przetną ją w punkcie zwanym ogniskiem głównym. Odległość od tego punktu do szczytu powierzchni nazywana jest ogniskową. Jeżeli wiązka tych samych równoległych promieni pada na wklęsłą powierzchnię, to po załamaniu wiązka staje się rozbieżna, a przedłużenia tych promieni przecinają się w punkcie zwanym wyimaginowanym ogniskiem (ryc. 8, B). Odległość od tego punktu do wierzchołka nazywana jest także ogniskową, ale ma przypisany znak minus.
Korpus ze szkła lub innego materiału optycznego ograniczony dwiema powierzchniami, których promień krzywizny i ogniskowe są duże w porównaniu z innymi wymiarami, nazywa się cienką soczewką. Z sześciu soczewek pokazanych na ryc. 9, pierwsze trzy zbierają się, a pozostałe trzy rozpraszają. Ogniskową cienkiej soczewki można obliczyć, znając promień krzywizny i współczynnik załamania światła materiału. Odpowiednia formuła to
Gdzie R 1 i R 2 – promienie krzywizny powierzchni, które w przypadku soczewki dwuwypukłej (ryc. 10) uważa się za dodatnie, a w przypadku soczewki dwuwklęsłej – za ujemne.
Położenie obrazu dla danego obiektu można obliczyć za pomocą prostego wzoru, uwzględniając pewne konwencje pokazane na rys. 10. Obiekt umieszcza się na lewo od soczewki, a jego środek uważa się za początek, od którego mierzone są wszystkie odległości wzdłuż głównej osi. Obszar po lewej stronie soczewki nazywany jest przestrzenią obiektu, a obszar po prawej stronie nazywa się przestrzenią obrazu. W tym przypadku odległość do obiektu w przestrzeni obiektu i odległość do obrazu w przestrzeni obrazu uważa się za dodatnie. Wszystkie odległości pokazane na rys. 10, pozytywne.
W tym wypadku jeśli F– ogniskowa, S jest odległością do obiektu, oraz Sў – odległość od obrazu, w formularzu zostanie zapisany wzór cienkiej soczewki
1/F = (1/S) + (1/Sў )
Wzór ma zastosowanie również w przypadku soczewek wklęsłych, jeżeli przyjmiemy, że ogniskowa jest ujemna. Należy pamiętać, że ponieważ promienie świetlne są odwracalne (tj. będą podążać tą samą ścieżką, jeśli ich kierunek zostanie odwrócony), obiekt i obraz można zamienić miejscami, pod warunkiem, że obraz jest prawidłowy. Pary takich punktów nazywane są punktami sprzężonymi układu.
Kierując się rys. 10 można także skonstruować obraz punktów znajdujących się poza osią główną. Płaskiemu obiektowi prostopadłemu do osi będzie odpowiadał także płaski obraz prostopadły do osi, pod warunkiem, że wymiary obiektu są małe w porównaniu z ogniskową. Promienie przechodzące przez środek soczewki nie ulegają załamaniu, a promienie równoległe do głównej osi przecinają się w ognisku leżącym na tej osi. Obiekt na ryc. Liczba 10 jest oznaczona strzałką H lewy. Obraz górnego punktu obiektu znajduje się w miejscu przecięcia wielu wychodzących z niego promieni, z których wystarczy wybrać dwa: promień równoległy do głównej osi, który następnie przechodzi przez ognisko, oraz promień przechodzący przez środek soczewki, która nie zmienia swojego kierunku podczas przechodzenia przez soczewkę. Uzyskawszy w ten sposób górny punkt obrazu, wystarczy obniżyć prostopadłą do osi głównej, aby uzyskać cały obraz, którego wysokość będzie oznaczona przez Hў. W przypadku pokazanym na rys. 10 mamy obraz rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony. Z relacji podobieństwa trójkątów łatwo jest znaleźć zależność M wysokość obrazu do wysokości obiektu, co nazywa się powiększeniem:
M = Hў / H = Sў / S.
Kombinacje soczewek.
Kiedy mówimy o układzie kilku soczewek, położenie finalnego obrazu wyznaczamy nakładając kolejno na każdą soczewkę znaną nam formułę, uwzględniającą znaki. Taki układ można zastąpić pojedynczym obiektywem o „równoważnej” ogniskowej. W przypadku dwóch oddalonych od siebie A proste soczewki ze wspólną osią główną i ogniskowymi F 1 i F 2 równoważna ogniskowa F jest dane wzorem
Jeśli oba obiektywy zostaną połączone, tj. rozważ to A® 0, wówczas otrzymujemy Odwrotność ogniskowej (biorąc pod uwagę znak) nazywa się mocą optyczną. Jeśli ogniskowa jest mierzona w metrach, wówczas odpowiednia moc optyczna jest wyrażana w dioptrii. Jak wynika z ostatniego wzoru, moc optyczna układu blisko rozmieszczonych cienkich soczewek jest równa sumie mocy optycznych poszczególnych soczewek.
Gruby obiektyw.
Przypadek obiektywu lub układu soczewek, którego grubość jest porównywalna z ogniskową, jest dość złożony, wymaga uciążliwych obliczeń i nie jest tutaj rozpatrywany.
Błędy obiektywu.
Kiedy światło z punktowego źródła przechodzi przez soczewkę, wszystkie promienie tak naprawdę nie przecinają się w jednym punkcie – ognisku. Niektóre promienie są odchylane w różnym stopniu, w zależności od rodzaju soczewki. Takie odchylenia, zwane aberracjami, mają różne przyczyny. Jedną z najbardziej znaczących jest aberracja chromatyczna. Wynika to z dyspersji materiału soczewki. Ogniskowa soczewki jest określona przez jej współczynnik załamania światła, a jej zależność od długości fali padającego światła powoduje, że każda składowa barwy światła białego ma swoje ognisko w różnych punktach na osi głównej, jak pokazano na ryc. . 11. Wyróżnia się dwa rodzaje aberracji chromatycznej: podłużna – gdy ogniska od czerwieni do fioletu są rozmieszczone wzdłuż głównej osi, jak na ryc. 11 i poprzeczny – gdy powiększenie zmienia się w zależności od długości fali, a na obrazie pojawiają się kolorowe kontury. Korektę aberracji chromatycznej uzyskuje się poprzez zastosowanie dwóch lub więcej soczewek wykonanych z różnych szkieł o różnym rodzaju dyspersji. Najprostszym przykładem jest teleobiektyw. Składa się z dwóch soczewek: soczewki skupiającej wykonanej z korony i soczewki rozproszonej wykonanej z krzemienia, której rozproszenie jest znacznie większe. Zatem rozproszenie soczewki skupiającej jest kompensowane przez rozproszenie słabszej soczewki rozbieżnej. Rezultatem jest system zbierający zwany achromatem. W tej kombinacji aberracja chromatyczna jest korygowana tylko dla dwóch długości fali, a niewielkie zabarwienie, zwane widmem wtórnym, nadal pozostaje.
Aberracje geometryczne.
Powyższe wzory dla cienkich soczewek są, ściśle rzecz biorąc, pierwszym przybliżeniem, choć ze względów praktycznych bardzo zadowalającym, gdy promienie w układzie przechodzą w pobliżu osi. Bardziej szczegółowa analiza prowadzi do tzw. teorii trzeciego rzędu, która uwzględnia pięć różnych typów aberracji dla światła monochromatycznego. Pierwsza z nich ma charakter sferyczny, gdy promienie najbardziej oddalone od osi przecinają się po przejściu soczewki bliżej niej niż promienie znajdujące się najbliżej osi (ryc. 12). Korektę tej aberracji uzyskuje się poprzez zastosowanie układów wielosoczewkowych z soczewkami o różnych promieniach. Drugim rodzajem aberracji jest koma, która pojawia się, gdy promienie tworzą z osią mały kąt. Różnica ogniskowych promieni świetlnych przechodzących przez różne strefy soczewki determinuje różne powiększenia poprzeczne (rys. 13). Dlatego obraz źródła punktowego przybiera wygląd ogona komety na skutek odsunięcia się od ogniska obrazów, utworzonych przez peryferyjne strefy soczewki.
Trzecim typem aberracji, związanym także z obrazem punktów odsuniętych od osi, jest astygmatyzm. Promienie z punktu padającego na soczewkę w różnych płaszczyznach przechodzących przez oś układu tworzą obrazy w różnych odległościach od środka soczewki. Obraz punktu uzyskuje się albo w postaci odcinka poziomego, albo w postaci odcinka pionowego, albo w postaci plamki eliptycznej, w zależności od odległości od soczewki.
Nawet jeśli trzy rozważane aberracje zostaną skorygowane, krzywizna płaszczyzny obrazu i zniekształcenie pozostaną. Zakrzywienie płaszczyzny obrazu jest w fotografii bardzo niepożądane, ponieważ powierzchnia kliszy fotograficznej musi być płaska. Zniekształcenie zniekształca kształt obiektu. Dwa główne typy zniekształceń, poduszkowe i beczkowe, pokazano na ryc. 14, gdzie przedmiotem jest kwadrat. Niewielkie zniekształcenia są dopuszczalne w większości systemów obiektywów, ale są wyjątkowo niepożądane w przypadku obiektywów do fotografii lotniczej.
Wzory na aberracje różnego rodzaju są zbyt złożone, aby można było w pełni obliczyć układy wolne od aberracji, choć pozwalają na dokonanie przybliżonych szacunków w indywidualnych przypadkach. Należy je uzupełnić o numeryczne obliczenie drogi promieni w każdym konkretnym układzie.
OPTYKA FALOWA
Optyka falowa zajmuje się zjawiskami optycznymi wywołanymi falowymi właściwościami światła.
Właściwości fal.
Falowa teoria światła w jej najbardziej kompletnej i rygorystycznej formie opiera się na równaniach Maxwella, które są cząstkowymi równaniami różniczkowymi wywodzącymi się z podstawowych praw elektromagnetyzmu. Światło jest w nim uważane za falę elektromagnetyczną, której składowe elektryczne i magnetyczne pola oscylują we wzajemnie prostopadłych kierunkach i prostopadle do kierunku propagacji fali. Na szczęście w większości przypadków do opisu falowych właściwości światła wystarczy uproszczona teoria oparta na zasadzie Huygensa. Zgodnie z tą zasadą każdy punkt danego czoła fali można uznać za źródło fal sferycznych, a otoczka wszystkich takich fal sferycznych wytwarza nowe czoło fali.
Ingerencja.
Interferencję po raz pierwszy zademonstrował w 1801 roku T. Jung w doświadczeniu, którego schemat przedstawiono na ryc. 15. Przed źródłem światła znajduje się szczelina, a w pewnej odległości od niej znajdują się jeszcze dwie, symetrycznie rozmieszczone. Na ekranie umieszczonym jeszcze dalej widać naprzemienne jasne i ciemne paski. Ich występowanie wyjaśniono w następujący sposób. Szczeliny S 1 i S 2, na który światło pada ze szczeliny S, pełnią rolę dwóch nowych źródeł emitujących światło we wszystkich kierunkach. To, czy dany punkt na ekranie będzie jasny, czy ciemny, zależy od fazy, w której fale świetlne ze szczelin docierają do tego punktu S 1 i S 2. W punkcie P 0 długości ścieżek z obu szczelin są takie same, więc fale z nich wychodzą S 1 i S 2 wchodzą w fazę, ich amplitudy sumują się i natężenie światła będzie tutaj maksymalne. Jeśli przesuniemy się w górę lub w dół od tego punktu na taką odległość, że różnica w drodze promieni od S 1 i S 2 będzie równe połowie długości fali, wówczas maksimum jednej fali nałoży się na minimum drugiej, w wyniku czego powstanie ciemność (punkt P 1). Jeśli przejdziemy dalej do sedna P 2, gdzie różnica ścieżek wynosi całą długość fali, wówczas w tym momencie ponownie zostanie zaobserwowane maksymalne natężenie itp. Superpozycja fal prowadząca do naprzemiennych maksimów i minimów natężenia nazywa się interferencją. Po dodaniu amplitud interferencja nazywana jest wzmacnianiem (konstruktywnym), a po ich odjęciu nazywana jest osłabieniem (destrukcyjnym).
W rozpatrywanym doświadczeniu, gdy światło rozchodzi się za szczelinami, obserwuje się również jego dyfrakcję ( patrz poniżej). Ale zakłócenia można zaobserwować także „w czystej postaci” w eksperymencie z lustrem Lloyda. Ekran jest umieszczony pod kątem prostym do lustra, tak aby się z nim stykał. Odległe, punktowe źródło światła, umieszczone w niewielkiej odległości od płaszczyzny lustra, oświetla część ekranu zarówno promieniami bezpośrednimi, jak i promieniami odbitymi od lustra. Powstaje dokładnie taki sam wzór interferencji, jak w eksperymencie z podwójną szczeliną. Można by się spodziewać, że na przecięciu lustra i ekranu powinien pojawić się pierwszy pasek świetlny. Ale ponieważ po odbiciu od lustra następuje przesunięcie fazowe P(co odpowiada różnicy ścieżki wynoszącej połowę fali), pierwszy to w rzeczywistości ciemny pasek.
Należy pamiętać, że zakłócenia światła można zaobserwować tylko w określonych warunkach. Faktem jest, że zwykła wiązka światła składa się z fal świetlnych emitowanych przez ogromną liczbę atomów. Zależności fazowe pomiędzy poszczególnymi falami zmieniają się cały czas losowo i dla każdego źródła światła na swój sposób. Inaczej mówiąc, światło z dwóch niezależnych źródeł nie jest spójne. Dlatego w przypadku dwóch wiązek niemożliwe jest uzyskanie obrazu interferencyjnego, chyba że pochodzą one z tego samego źródła.
Zjawisko interferencji odgrywa ważną rolę w naszym życiu. Najbardziej stabilne wzorce długości opierają się na długości fali niektórych monochromatycznych źródeł światła i porównuje się je ze wzorcami roboczymi miernika itp., stosując metody interferencyjne. Takiego porównania można dokonać za pomocą interferometru Michelsona – urządzenia optycznego, którego schemat pokazano na ryc. 16.
Półprzezroczyste lustro D rozdziela światło z rozbudowanego źródła monochromatycznego S na dwie wiązki, z których jedna odbija się od nieruchomego lustra M 1, a drugi z lustra M 2, poruszając się po precyzyjnym suwaku mikrometrycznym, równolegle do siebie. Części powracających belek są łączone pod płytą D i dają wzór interferencji w polu widzenia obserwatora mi. Wzór interferencji można sfotografować. Do obwodu zwykle dodaje się płytkę kompensacyjną Dў, dzięki czemu drogi pokonywane w szkle przez obie belki stają się identyczne, a o różnicy dróg decyduje jedynie położenie zwierciadła M 2. Jeśli zwierciadła zostaną ustawione tak, aby ich obrazy były ściśle równoległe, pojawi się system pierścieni interferencyjnych. Różnica w drodze dwóch wiązek jest równa dwukrotności różnicy odległości każdego z luster od płyty D. Tam, gdzie różnica dróg wynosi zero, będzie maksimum dla dowolnej długości fali, a w przypadku światła białego otrzymamy białe („achromatyczne”), równomiernie oświetlone pole – prążek zerowego rzędu. Aby to zaobserwować, wymagana jest płytka kompensacyjna Dў, eliminując wpływ dyspersji w szkle. Gdy ruchome lustro się porusza, nałożenie pasków o różnych długościach fal powoduje powstanie kolorowych pierścieni, które ponownie mieszają się w białe światło przy różnicy ścieżek wynoszącej kilka setnych milimetra.
Przy oświetleniu monochromatycznym, powoli poruszając się zwierciadłem, zaobserwujemy destrukcyjną interferencję, gdy ruch będzie wynosił jedną czwartą długości fali. A po przesunięciu o kolejny kwartał maksimum zostanie ponownie zaobserwowane. W miarę przesuwania się lustra będzie pojawiać się coraz więcej pierścieni, ale warunkiem maksimum w środku obrazu będzie nadal równość
2D = Nl,
Gdzie D– przemieszczenie ruchomego lustra, N jest liczbą całkowitą oraz l– długość fali. Zatem odległości można dokładnie porównać z długościami fal, po prostu zliczając liczbę prążków interferencyjnych pojawiających się w polu widzenia: każdy nowy prążek odpowiada ruchowi l/2. W praktyce przy dużych różnicach ścieżek nie da się uzyskać wyraźnego wzoru interferencyjnego, gdyż rzeczywiste źródła monochromatyczne wytwarzają światło, choć w wąskim, ale skończonym zakresie długości fal. Dlatego też wraz ze wzrostem różnicy ścieżek prążki interferencyjne odpowiadające różnym długościom fal ostatecznie nakładają się na siebie w takim stopniu, że kontrast wzoru interferencyjnego jest niewystarczający do obserwacji. Niektóre długości fal w widmie par kadmu są wysoce monochromatyczne, tak że wzór interferencyjny powstaje nawet przy różnicach dróg rzędu 10 cm, a najostrzejsza czerwona linia służy do określenia wzorca miernika. Emisja poszczególnych izotopów rtęci wytwarzanych w małych ilościach w akceleratorach lub w reaktorze jądrowym charakteryzuje się jeszcze większą monochromatycznością i dużym natężeniem linii.
Istotna jest również ingerencja w cienkie warstwy lub w szczelinę pomiędzy płytami szklanymi. Rozważmy dwie szklane płytki bardzo blisko siebie oświetlone światłem monochromatycznym. Światło będzie odbite od obu powierzchni, ale droga jednego z promieni (odbitego od dalszej płyty) będzie nieco dłuższa. Dlatego dwie odbite wiązki dadzą obraz interferencyjny. Jeżeli szczelina między płytkami ma kształt klina, to w świetle odbitym obserwuje się obraz interferencyjny w postaci pasków (równej grubości), a odległość między sąsiednimi paskami światła odpowiada zmianie grubości klin o połowę długości fali. W przypadku nierównych powierzchni obserwuje się kontury o jednakowej grubości, charakteryzujące relief powierzchni. Jeśli płytki zostaną dociśnięte blisko siebie, wówczas w świetle białym można uzyskać wzór interferencji barw, który jest jednak trudniejszy do zinterpretowania. Takie wzorce interferencyjne pozwalają na bardzo precyzyjne porównania powierzchni optycznych, na przykład do monitorowania powierzchni soczewek podczas ich produkcji.
Dyfrakcja.
Gdy czoło fali wiązki światła jest ograniczone np. przez przesłonę lub krawędź nieprzezroczystego ekranu, fale częściowo wnikają w obszar cienia geometrycznego. Dlatego cień nie jest ostry, jak powinien być przy prostoliniowym rozchodzeniu się światła, ale rozmyty. To zaginanie światła wokół przeszkód jest właściwością wspólną wszystkich fal i nazywa się dyfrakcją. Istnieją dwa rodzaje dyfrakcji: dyfrakcja Fraunhofera, gdy źródło i ekran są od siebie nieskończenie oddalone, oraz dyfrakcja Fresnela, gdy znajdują się one w skończonej odległości od siebie. Przykładem dyfrakcji Fraunhofera jest dyfrakcja na pojedynczej szczelinie (ryc. 17). Światło ze źródła (szczelina Sў) spada na pęknięcie S i przechodzi do ekranu P. Jeśli umieścisz źródło i ekran w ogniskach soczewek L 1 i L 2, to będzie to odpowiadać ich usuwaniu w nieskończoność. Jeśli luki S I Sў zastąpić otworami, obraz dyfrakcyjny będzie wyglądał jak koncentryczne pierścienie, a nie paski, ale rozkład światła wzdłuż średnicy będzie podobny. Wielkość obrazu dyfrakcyjnego zależy od szerokości szczeliny lub średnicy otworu: im są one większe, tym mniejszy jest rozmiar obrazu. Dyfrakcja określa rozdzielczość zarówno teleskopu, jak i mikroskopu. Załóżmy, że istnieją dwa źródła punktowe, z których każde wytwarza na ekranie swój własny obraz dyfrakcyjny. Kiedy źródła są blisko siebie, dwa wzory dyfrakcyjne nakładają się. W tym przypadku, w zależności od stopnia nakładania się, na tym obrazie można wyróżnić dwa odrębne punkty. Jeśli środek jednego ze wzorów dyfrakcyjnych przypada na środek pierwszego ciemnego pierścienia drugiego, wówczas uważa się, że można je rozróżnić. Stosując to kryterium można znaleźć maksymalną możliwą (ograniczoną właściwościami falowymi światła) rozdzielczość teleskopu, która jest tym większa, im większa jest średnica jego zwierciadła głównego.
Spośród urządzeń dyfrakcyjnych najważniejsza jest siatka dyfrakcyjna. Z reguły jest to płyta szklana z dużą liczbą równoległych, jednakowo odległych pociągnięć wykonanych nożem. (Metalowa siatka dyfrakcyjna nazywana jest siatką odblaskową.) Równoległa wiązka światła wytworzona przez soczewkę jest kierowana na przezroczystą siatkę dyfrakcyjną (ryc. 18). Pojawiające się równolegle ugięte wiązki są skupiane na ekranie za pomocą innej soczewki. (Nie ma potrzeby stosowania soczewek, jeśli siatka dyfrakcyjna jest wykonana w postaci zwierciadła wklęsłego.) Siatka rozdziela światło na wiązki poruszające się zarówno w kierunku do przodu ( Q= 0) i pod różnymi kątami Q w zależności od okresu karencji D i długość fali l Swieta. Front płaskiej fali padającej monochromatycznej, podzielony siatkami szczelin w obrębie każdej szczeliny, można uznać, zgodnie z zasadą Huygensa, za niezależne źródło. Pomiędzy falami emitowanymi z tych nowych źródeł mogą wystąpić zakłócenia, które będą się wzmacniać, jeśli różnica na ich drogach będzie równa całkowitej wielokrotności długości fali. Różnica skoku, jak wynika z ryc. 18, równe D grzech Q, a zatem kierunki, w których będą obserwowane maksima, są określone przez warunek
Nl = D grzech Q,
Gdzie N= 0, 1, 2, 3 itd. Happening N= 0 odpowiada centralnej, nieugiętej wiązce zerowego rzędu. Przy dużej liczbie pociągnięć pojawia się wiele wyraźnych obrazów źródła, odpowiadających różnym porządkom - różnym wartościom N. Jeśli białe światło pada na siatkę, ulega rozkładowi na widmo, ale widma wyższego rzędu mogą się na siebie nakładać. Siatki dyfrakcyjne są szeroko stosowane w analizie widmowej. Najlepsze są siatki o średnicy rzędu 10 cm lub większej, a łączna liczba linii może przekraczać 100 000.
Dyfrakcja Fresnela.
Fresnel badał dyfrakcję, dzieląc czoło fali padającej na strefy w taki sposób, że odległości od dwóch sąsiednich stref do rozpatrywanego punktu na ekranie różniły się o połowę długości fali. Stwierdził, że jeśli otwory i przesłony nie są bardzo małe, to zjawiska dyfrakcyjne obserwuje się tylko na krawędziach wiązki.
Polaryzacja.
Jak już wspomniano, światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym, którego wektory natężenia pola elektrycznego i pola magnetycznego są prostopadłe do siebie i do kierunku propagacji fali. Zatem oprócz kierunku wiązkę światła charakteryzuje jeszcze jeden parametr - płaszczyzna, w której oscyluje składowa elektryczna (lub magnetyczna) pola. Jeżeli oscylacje wektora natężenia pola elektrycznego w wiązce światła zachodzą w jednej określonej płaszczyźnie (a wektor natężenia pola magnetycznego w płaszczyźnie prostopadłej do niej), to mówimy, że światło jest spolaryzowane płasko; płaszczyzna oscylacji wektora mi Natężenie pola elektrycznego nazywa się płaszczyzną polaryzacji. Fluktuacje wektorów mi w przypadku światła naturalnego przyjmuje się wszystkie możliwe orientacje, gdyż światło źródeł rzeczywistych składa się ze światła emitowanego losowo przez dużą liczbę atomów bez żadnej preferowanej orientacji. Takie niespolaryzowane światło można rozłożyć na dwie wzajemnie prostopadłe składowe o jednakowym natężeniu. Możliwe jest również światło częściowo spolaryzowane, w którym proporcje składników są nierówne. W tym przypadku stopień polaryzacji definiuje się jako stosunek frakcji światła spolaryzowanego do całkowitego natężenia.
Istnieją dwa inne typy polaryzacji: kołowa i eliptyczna. W pierwszym przypadku wektor mi nie oscyluje w ustalonej płaszczyźnie, ale opisuje pełny okrąg, gdy światło pokonuje odległość o jednej długości fali; wielkość wektora pozostaje stała. Polaryzacja eliptyczna jest podobna do polaryzacji kołowej, ale tylko w tym przypadku koniec wektora mi opisuje nie okrąg, ale elipsę. W każdym z tych przypadków, w zależności od tego, w którą stronę wektor się obraca mi Kiedy fala się rozchodzi, możliwa jest polaryzacja prawa i lewa. Niespolaryzowane światło można w zasadzie podzielić na dwie spolaryzowane kołowo wiązki skierowane w przeciwnych kierunkach.
Kiedy światło odbija się od powierzchni dielektryka, takiego jak szkło, zarówno odbite, jak i załamane promienie są częściowo spolaryzowane. Przy pewnym kącie padania, zwanym kątem Brewstera, odbite światło zostaje całkowicie spolaryzowane. W promieniu odbitym wektor mi równolegle do powierzchni odbijającej. W tym przypadku promień odbity i załamany są wzajemnie prostopadłe, a kąt Brewstera jest powiązany ze współczynnikiem załamania światła N stosunek tg Q = N. Do szkła Q» 57°.
Dwójłomność.
Kiedy światło załamuje się w niektórych kryształach, takich jak kwarc lub kalcyt, dzieli się ono na dwie wiązki, z których jedna podlega zwykłemu prawu załamania i nazywa się ją zwyczajną, a druga załamuje się inaczej i nazywa się promieniem niezwykłym. Obie wiązki okazują się być spolaryzowane płasko w kierunkach wzajemnie prostopadłych. W kryształach kwarcu i kalcytu istnieje również kierunek, zwany osią optyczną, w którym nie występuje dwójłomność. Oznacza to, że gdy światło rozchodzi się wzdłuż osi optycznej, jego prędkość nie zależy od orientacji wektora natężenia mi pole elektryczne w fali świetlnej. Odpowiednio współczynnik załamania światła N nie zależy od orientacji płaszczyzny polaryzacji. Takie kryształy nazywane są jednoosiowymi. W innych kierunkach jeden z promieni - zwykły - nadal rozchodzi się z tą samą prędkością, ale promień spolaryzowany prostopadle do płaszczyzny polaryzacji zwykłego promienia ma inną prędkość i dla niego współczynnik załamania światła okazuje się inny . Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku kryształów jednoosiowych można wybrać trzy wzajemnie prostopadłe kierunki, z których w dwóch współczynniki załamania światła są takie same, a w trzecim kierunku wartość N Inny. Ten trzeci kierunek pokrywa się z osią optyczną. Istnieje inny rodzaj bardziej złożonych kryształów, w których współczynniki załamania światła dla wszystkich trzech wzajemnie prostopadłych kierunków nie są takie same. W takich przypadkach występują dwie charakterystyczne osie optyczne, które nie pokrywają się z omówionymi powyżej. Takie kryształy nazywane są dwuosiowymi.
W niektórych kryształach, takich jak turmalin, chociaż występuje dwójłomność, zwykła wiązka jest prawie całkowicie pochłaniana, a powstająca wiązka jest spolaryzowana płasko. Cienkie, płasko-równoległe płytki wykonane z takich kryształów są bardzo wygodne do wytwarzania światła spolaryzowanego, chociaż polaryzacja w tym przypadku nie jest stuprocentowa. Bardziej zaawansowany polaryzator można wykonać z kryształu drzewca islandzkiego (przezroczystego i jednolitego rodzaju kalcytu), przecinając go ukośnie w odpowiedni sposób na dwie części, a następnie sklejając je balsamem kanadyjskim. Współczynniki załamania tego kryształu są takie, że jeśli cięcie zostanie wykonane prawidłowo, wówczas zwykły promień ulega od niego całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, uderza w boczną powierzchnię kryształu i zostaje pochłonięty, a przez układ przechodzi niezwykły promień. Taki układ nazywa się Nicolas (pryzmat Nicolasa). Jeżeli dwa nichole zostaną umieszczone jeden za drugim na drodze wiązki światła i ustawione tak, aby przesyłane promieniowanie miało maksymalne natężenie (orientacja równoległa), to po obróceniu drugiego nikolu o 90° spolaryzowane światło emitowane przez pierwszy nikol nie przejdzie przez system, a pod kątami od 0 do 90° przejdzie tylko część początkowego promieniowania świetlnego. Pierwszy z nikoli w tym układzie nazywany jest polaryzatorem, a drugi analizatorem. Filtry polaryzacyjne (Polaroidy), choć nie są tak doskonałymi polaryzatorami jak Nicole, są tańsze i bardziej praktyczne. Wykonane są z tworzywa sztucznego i swoimi właściwościami przypominają turmalin.
Aktywność optyczna.
Niektóre kryształy, np. kwarc, choć posiadają oś optyczną, wzdłuż której nie występuje dwójłomność, to jednak są w stanie obracać płaszczyznę polaryzacji przechodzącego przez nie światła, a kąt obrotu zależny jest od długości drogi optycznej światła w daną substancję. Niektóre roztwory mają tę samą właściwość, na przykład roztwór cukru w wodzie. Istnieją substancje lewoskrętne i prawoskrętne, w zależności od kierunku obrotu (z perspektywy obserwatora). Obrót płaszczyzny polaryzacji wynika z różnicy współczynników załamania światła dla światła o polaryzacji kołowej lewej i prawej.
Rozpraszanie światła.
Kiedy światło przechodzi przez ośrodek złożony z rozproszonych małych cząstek, na przykład przez dym, część światła jest rozpraszana we wszystkich kierunkach w wyniku odbicia lub załamania. Rozpraszanie może zachodzić nawet na cząsteczkach gazu (tzw. rozpraszanie Rayleigha). Intensywność rozpraszania zależy od liczby cząstek rozpraszających na drodze fali świetlnej, a także od długości fali, przy czym silniej rozpraszają się promienie krótkofalowe - fiolet i ultrafiolet. Dlatego używając kliszy fotograficznej wrażliwej na promieniowanie podczerwone, można robić zdjęcia we mgle. Rozpraszanie światła Rayleigha wyjaśnia błękit nieba: światło niebieskie jest bardziej rozproszone i kiedy patrzysz na niebo, ten kolor dominuje. Światło przechodzące przez ośrodek rozpraszający (powietrze atmosferyczne) zmienia kolor na czerwony, co wyjaśnia zaczerwienienie słońca o wschodzie i zachodzie słońca, gdy znajduje się ono nisko nad horyzontem. Rozpraszaniu zwykle towarzyszą zjawiska polaryzacji, tak że błękitne niebo wykazuje znaczny stopień polaryzacji w niektórych kierunkach.
Praca praktyczna nr 2. Chemia 8 klasa (do podręcznika Gabrielyana O.S.)
Oglądanie płonącej świecy
Cel: zbadaj procesy zachodzące podczas spalania świecy.Sprzęt : świece (2 szt.), szczypce do tygli, rurka szklana wygięta pod kątem prostym, probówki, puszka z puszki (lub szkiełko), uchwyt do probówek, bańka szklana, kawałek tektury (sklejka, płyta pilśniowa), pół- słoik litrowy, słoik dwulitrowy, zapałki.
Odczynniki: woda wapienna.
Doświadczenie 1.
Zjawiska fizyczne podczas spalania świecy.
Porządek pracy:
Zapalmy świecę.
Obserwacje:
Parafina zaczyna się topić w pobliżu knota, tworząc okrągłą kałużę. Jest to proces fizyczny.
Za pomocą szczypiec do tygli weź szklaną rurkę wygiętą pod kątem prostym.
Umieść jeden koniec rurki w środkowej części płomienia, a drugi opuść do probówki.
Zaobserwowane zjawiska:
Probówkę wypełniono gęstą białą parą parafiny, która stopniowo skrapla się na ściankach probówki.
Wniosek:
Płonięciu świecy towarzyszą zjawiska fizyczne.
Doświadczenie 2.
Wykrywanie produktów spalania w płomieniu.
Porządek pracy:
Za pomocą szczypiec do tygla wyjmij kawałek cyny z puszki lub szklanego szkiełka. Włóż płonącą świecę do obszaru ciemnego stożka i przytrzymaj ją przez 3-5 sekund. Szybko podnosimy puszkę (szkło) i patrzymy na dolną część.
Zaobserwowane zjawiska:
Na powierzchni puszki (szkła) pojawia się sadza.
Wniosek:
Sadza jest produktem niecałkowitego spalania parafiny.
Umieść suchą, schłodzoną, ale niezamgloną probówkę w uchwycie na probówki, odwróć ją do góry nogami i trzymaj nad płomieniem, aż zaparuje.
Zaobserwowane zjawiska:
probówka zaparowuje.
Wniosek:
Podczas spalania parafiny tworzy się woda.
Do tej samej probówki szybko wlej 2-3 ml wody wapiennej
Zaobserwowane zjawiska:
woda wapienna staje się mętna
Wniosek:
Podczas spalania parafiny powstaje dwutlenek węgla.
Doświadczenie 3.
Wpływ powietrza na spalanie świecy.
Porządek pracy:
Włóż szklaną rurkę wyciągniętym końcem do gumowej bańki. Ściskając gruszkę dłonią, wpompowujemy powietrze w płomień płonącej świecy.
Zaobserwowane zjawiska:
płomień staje się jaśniejszy.
Dzieje się tak ze względu na zwiększoną zawartość tlenu.
Dwie świece mocujemy za pomocą roztopionej parafiny do tektury (sklejki, płyty pilśniowej).
Zapalamy świece i zamykamy jedną z nich półlitrowym słojem, a drugą dwulitrowym słojem (lub zlewkami o różnej pojemności).
Zaobserwowane zjawiska:
świeca przykryta dwulitrowym słojem pali się dłużej. Wyjaśnia to fakt, że ilość tlenu w dwulitrowym słoiku jest większa niż w półlitrowym słoiku.
Równanie reakcji
:
Wniosek: Czas i jasność palenia świecy zależą od ilości tlenu.
Ogólny wniosek dotyczący pracy : paleniu świecy towarzyszą zjawiska fizyczne i chemiczne.