Zadziwiająca natura światła

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Wykonał: Paweł Szustak

Slide 2

Zadziwiająca natura światła: 1. Rozwój poglądów na naturę światła 2. Odbicie, prawo odbicia światła 3. Załamanie światła 4. Rozszczepienie światła 5. Zjawisko tęczy 6. Miraż 7. Dyfrakcja światła 8. Interferencja fal świetlnych 9. Doświadczenie Younga 10. Polaryzacja światła 11. Zjawisko fotoelektryczne 12. Złudzenia optyczne

Slide 3

Rozwój poglądów na naturę światła.   Isaac Newton Christiaan Huygens Nauka o świetle jest bardzo stara, ale spór o jego naturę trwał aż od początku naszego stulecia. Spór ten wśród uczonych rozpoczął się w XVII wieku, a dotyczył odpowiedzi na pytanie: czy światło to fala czy cząstka?             Newton był twórcą tzw. korpuskularnej teorii światła (korpuskuła znaczy cząstka). Według niej światło jest strumieniem bardzo szybko pędzących cząstek korpuskuł wylatujących ze źródła. Cząstki te wpadając do oka, wywołują wrażenie światła.             Współczesny Newtonowi Huygens w roku 1690 ogłosił swoją falową teorię światła, według której światło polega na ruchu fal rozchodzących się podobnie jak fale w ciałach sprężystych, niosąc ze sobą energię. Pewien problem stanowił ośrodek, który według teorii Huygensa miał służyć do transportu energii. Nazwano go eterem kosmicznym i założono, że cała przestrzeń jest nim wypełniona. Chociaż falowa teoria światła tłumaczyła szereg zjawisk optycznych to jednak nie miała początkowo zbyt wielu zwolenników. Być może wpływał na to autorytet Newtona, występującego przeciwko teorii Huygensa. Poza tym teoria Newtona tłumaczyła wszystkie znane wówczas zjawiska optyczne, tak więc o teorii Huygensa zapomniano.

Slide 4

Teoria korpuskularna Newtona panowała aż do początku XIX wieku, kiedy to zaobserwowano dyfrakcję i interferencję światła. Oba te zjawiska świadczą o falowej naturze światła. Do łask wróciła więc teoria falowa światła Huygensa, chociaż problem eteru kosmicznego nadal pozostał.             Po ogłoszeniu w roku 1867 przez Maxwella teorii fal elektromagnetycznych stało się jasne, że światło to też fala elektromagnetyczna, która nie potrzebuje do rozchodzenia się w przestrzeni żadnego ośrodka materialnego. Problem eteru kosmicznego zniknął. Elektromagnetyczna teoria światła przeżywała swój triumf po doświadczeniach Hertza.             Było tak do końca XIX wieku, kiedy to odkryto nowe zjawiska (np. zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne), których nie udało się wytłumaczyć za pomocą falowej teorii światła. Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego w roku 1905 podał Einstein zakładając, że światło rozchodzi się w postaci określonych porcji energii, zwanych kwantami. Powstała w ten sposób nowa teoria kwantowa światła, w której można znaleźć nawiązanie do dawnej teorii korpuskularnej Newtona.             Znowu można zadać pytanie, czym naprawdę jest światło? Na pierwszy rzut oka wydaje się bowiem, że oba punkty widzenia na naturę światła - falowy (elektromagnetyczny) i kwantowy (korpuskularny) wzajemnie się wykluczają. Okazuje się jednak, że falowe i korpuskularne właściwości światła są ze sobą ściśle związane - światło ma dwoistą naturę. Dualizm korpuskularnofalowy światła wyjaśniła dopiero na początku naszego stulecia mechanika

Slide 5

Odbicie światła Światło padające na granicę dwóch ośrodków może ulec odbiciu. Dzieje się tak bardzo często. Prawo odbicia światła βα Kąt odbicia równy jest kątowi padania.  Kąty -  padania i odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. Typowe odbicie zachodzi wtedy, gdy drugi ośrodek jest w ogóle nieprzepuszczalny dla światła. Jeżeli dodatkowo w tym drugim ośrodku światło nie jest pochłaniane, to cała wiązka ulega odbiciu. W ten sposób otrzymujemy zwierciadło. Uwaga! Warto zwrócić uwagę na fakt, że zarówno kąt padania, jaki i odbicia liczone są od normalnej, a nie od powierzchni rozgraniczającej ośrodki

Slide 6

Zjawisko odbicia światła w przyrodzie.

Slide 7

Załamanie światła Załamanie różni się zdecydowanie od odbicia, ponieważ w jego wyniku światło zmienia ośrodek w jakim się rozchodzi. Wraz ze zmianą ośrodka dochodzi najczęściej do zmiany kierunku rozchodzenia się światła. Załamanie światła powoduje szereg ciekawych efektów - m.in. złudzenie złamania łyżeczki od herbaty umieszczonej w szklance, nieprawidłowej lokalizacji dna jeziora, gdy patrzymy na nie z brzegu. Załamanie światła jest wykorzystywane do budowy soczewek stosowanych w okularach, obiektywach aparatów, lunetach i innych przyrządach optycznych. Ogólnie - światło będzie się załamywać prawie zawsze gdy zmienia się ośrodek. Warto dość mocno skojarzyć sobie załamanie ze zmianą ośrodka, bo istnieje podobne w nazwie zjawisko optyczne ugięcie, które może się pomylić z załamaniem. Ugięcie ma inną naturę (zachodzi w jednym ośrodku) i inaczej przebiega, tak więc pomylenie tych zjawisk byłoby poważnym błędem. Załamanie światła jest podstawowym zjawiskiem na którym opiera się funkcjonowanie soczewek i pryzmatów .

Slide 8

Efekt wynikający ze załamania światła

Slide 9

Rozszczepienie światła Rozszczepienie światła inaczej zwane jest dyspersją. Zjawisko jest spowodowane różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Różna prędkość rozchodzenia się światła owocuje oczywiście różnym współczynnikiem załamania światła i różnym katem załamania . Ponieważ zaś światło białe jest mieszaniną świateł o wielu barwach, to przepuszczenie go przez pryzmat spowoduje rozdzielenie poszczególnych składowych na piękną tęczę. Np. promienie czerwone rozchodzą się w szkle szybciej niż promienie fioletowe. Dlatego też promienie czerwone załamują się słabiej niż fioletowe. Załamanie i rozszczepienie światła występuje dla większości materiałów przezroczystych. Ono nadaje piękny poblask brylantom i kryształom, ono powoduje powstawanie tęczy (światło jest wtedy załamywane i rozszczepiane przez miniaturowe kropelki wody). Rozszczepienie najłatwiej jest zaobserwować w pryzmacie, ponieważ załamuje on i rozszczepia światło dwukrotnie dzięki czemu barwne promienie są silniej rozbieżne niż w przypadku załamania jednokrotnego.

Slide 10

Tęcza Tęcza- zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego gdy Słońce oświetla krople wody w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku dyspersji (rozszczepienia światła) oraz przez załamanie i odbicie światła przez niemal kuliste krople wody. Tęcza jako przykład rozszczepienia światła U góry po lewej (8) bieg promieni w kropli (1) tworzących tęczę wtórną (5), po prawej (7) tworzących tęczę pierwotną (3). (2) wewnętrzne odbicie światła. (4) rozszczepienie światła. (6) promienie światła białego. (9) obserwator. Rejon powstawania tęczy pierwotnej (10) i wtórnej (11). (12) strefa kropel

Slide 12

Miraż Miraż, fatamorgana zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości. Miraż górny to zjawisko załamania występujące wielokrotnie w kolejnych warstwach powietrza, powodujące że światło rozchodzi się po linii krzywej. Jeżeli obserwator znajdzie się w miejscu, gdzie dochodzi światło odbite od statku, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka, zobaczy prosty obraz statku na tle nieba. (ryc. 1) Miraże dolne są to obrazy pojedynczych przedmiotów, oaz na pustyni, a także miast, sprawiających wrażenie odbitych w wodzie. W tym przypadku warstwy powietrza w pobliżu powierzchni ziemi są silniej nagrzane niż warstwy powietrza znajdujące się wyżej i światło słoneczne odbite od przedmiotu ulega wielokrotnemu załamaniu, dając obraz odległego przedmiotu poniżej linii horyzontu. (ryc. 2) ryc. 1 ryc.2

Slide 13

Typowy miraż dolny Miraż można zauważyć jadąc w lecie samochodem po rozgrzanej szosie. Odnosimy wówczas wrażenie, że daleko przed nami drogę pokrywają kałuże. Powierzchnia drogi wydaje nam się mokra jedynie wtedy gdy jest silnie nagrzana przez słońce, oraz gdy horyzont w dali jest pusty. Od nagrzanej nawierzchni nagrzewa się stykające się z nią powietrze, w wyniku czego gęstość powietrza tuż przy nawierzchni jest najmniejsza (bo powietrze jest najcieplejsze) i rośnie z wysokości (temperatura powietrza maleje). Z tego wynika, że współczynnik załamania jest również mniejszy w niższych warstwach powietrza. Promień świetlny pada skośnie od góry napotykając warstwy powietrza, których gęstość stopniowo maleje, wówczas następuje załamanie w przeciwnym kierunku i zakrzywienie promienia ku górze. Gdy biegnie już prawie stycznie ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i biegnąc dalej przechodzi do obszarów o coraz większej gęstości i znowu się zagina.

Slide 14

Dyfrakcja światła.    Jest to zjawisko związane z odstępstwami od praw optyki geometrycznej. Występuje na brzegach nieprzezroczystych przesłon oraz na niejednorodnościach ośrodka szczególnie widoczna po przejściu światła przez małe otwory tym bardziej im ich wielkość jest zbliżona do długości fali. Dyfrakcja światła przejawia się brakiem wyraźnej granicy cienia, powstaniem prążków o różnym natężeniu. Podobne zjawisko można zaobserwować w przypadku rozchodzenia się fal na wodzie.     Najprostszym sposobem tłumaczenia dyfrakcji światła jest zasada Huygenesa, zgodnie z którą dzieli się otwór, na którym zachodzi dyfrakcja, na małe elementy, z których każdy staje się źródłem nowej fali kulistej. Po zsumowaniu wszystkich tych fal otrzymuje się nową falę za otworem (rysunek poniżej) - zaszła dyfrakcja. W przypadku dyfrakcji światła na wielu otworach interferencja fal pochodzących z tych źródeł prowadzi do powstania obrazów dyfrakcyjno-interferencyjnych - układu prążków bądź plamek.     

Slide 15

Interferencja fal świetlnych. Ze zjawiskiem interferencji światła spotykamy się, wbrew pozorom, dość często. To właśnie wskutek tego zjawiska mienią się różnymi barwami bańki mydlane i plamy oleju na zmoczonej deszczem ulicy. To dzięki temu zjawisku obserwujemy fioletowe zabarwienie obiektywów aparatów fotograficznych. Interferencję fal świetlnych najlepiej ilustruje doświadczenie Younga, przedstawione na rysunku poniżej. Silnym źródłem światła oświetlamy, poprzez czerwony filtr, szczelinę o szerokości około 0,2 - 0,3 mm. W tak otrzymanej wiązce światła umieszczamy układ dwu szczelin. Odległość szczelin nie powinna być większa niż 0,2 - 0,3 mm. Szczeliny te służą do wytworzenia dwu identycznych fal (fal spójnych). Efekt interferencji (nakładania się) fal obserwujemy za pomocą lupy lub okularu mikroskopu (15x). Interferencja światła jest wynikiem dodawania dwóch promieni świetlnych. Energia elektryczna promienia świetlnego rośnie i maleje na przemian, podobnie jak energia potencjalna w ruchu falowym. Jeśli drgania w dwóch falach są zgodne mówimy, że fale są w fazie. Promienie świetlne są w fazie, gdy w każdym punkcie ich energia elektryczna jednocześnie rośnie albo maleje. Następuje wtedy dodawanie energii i w rezultacie powstaje jeden, jasny promień. O takiej interferencji mówimy, że jest konstruktywna. Jeśli jednak promienie spotykają się w taki sposób, że energia elektryczna jednego z nich rośnie, a drugiego maleje, czyli są w przeciwfazie, wtedy odejmują się wzajemnie. Wynikiem tego odejmowania jest brak światła, czyli ciemne miejsce. Taką interferencję nazywamy destruktywną.

Slide 16

Doświadczenie Younga Doświadczenie Younga - eksperyment polegający na przepuszczeniu światła poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzutowaniu na ekran. Na ekranie wskutek interferencji tworzą się charakterystyczne prążki potwierdzające falową naturę światła. Po raz pierwszy eksperyment ten wykonał około roku 1805 Thomas Young, fizyk angielski. Bardziej widowiskowy i łatwiejszy sposób wykonania tego doświadczenia, polega na użyciu siatki dyfrakcyjnej, czyli płytki ze szkła, na której gęsto zarysowane są rysy. Obraz interferencyjny widoczny w tym przypadku na ekranie jest znacznie wyraźniejszy i jaśniejszy niż przy użyciu jedynie dwóch szczelin. Young użył w swoim eksperymencie nieprzezroczystego materiału, w którym wyciął dwie bardzo małe dziurki. Jednakowe światło interferowało na szczelinach i tworzyło na ekranie umieszczonym po drugiej stronie nieprzezroczystego materiału obraz interferencyjny w postaci kolorowych prążków. Doświadczenie w swojej pierwotnej formie nie budziło wielkich kontrowersji w świecie fizyki, jednak późniejsze jego modyfikacje postawiły przed fizykami znaki zapytania. Okazało się bowiem, że nawet pojedyncze fotony wysyłane przez szczeliny w znacznych odstępach czasu, które nie miały prawa wzajemnie ze sobą interferować, tworzyły za szczelinami na światłoczułym materiale wzór interferencyjny (pionowych prążków). Efekt ten będąc jedną z manifestacji kwantowej natury światła jest często używany do objaśniania podstaw mechaniki kwantowej. W kwantowo-mechanicznym podejściu efekt interferecji spowodowany jest nakładaniem się funkcji falowej

Slide 18

Polaryzacja światła Zjawiska dyfrakcji i interferencji światła świadczą o falowej naturze światła. Na podstawie tych zjawisk nie możemy jednak stwierdzić, czy fale świetlne są falami poprzecznym czy podłużnymi. Odpowiedzi na to pytanie dostarcza nam doświadczenie polaryzacji światła odkryte w roku 1808 przez E. Malusa, a opracowane teoretycznie w roku 1820 przez A. Fresnela. Polaryzacja światła Słońce lub żarówka, emituje wiele promieni świetlnych. Każdy promień składa się z drgających pól, elektrycznego i magnetycznego. W zwykłym świetle drgania te zachodzą we wszystkich kierunkach. W świetle spolaryzowanym wszystkie promienie drgają w jednej płaszczyźnie. Polaryzację światła można uzyskać przepuszczając światło przez polaryzujący materiał. Przepuszcza on tylko promienie drgające w określonej płaszczyźnie. Odbite światło od gładkiej powierzchni jest częściowo spolaryzowane. Polaryzujące okulary przeciwsłoneczne są zrobione z materiału polaryzującego, co pozwala wyeliminować światło spolaryzowane, a zatem również połyskujące refleksy.

Slide 19

Zjawisko fotoelektryczne Za falową naturą światła przemawiała zarówno dyfrakcja, jak i interferencja światła. Istnieją jednak zjawiska, które pozornie przeczą tym faktom. Takim zjawiskiem jest m.in. odkryte przez Heinricha Hertza w 1887 roku zjawisko fotoelektryczne. Elektroskop oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym traci ładunek ujemny. Elektrony uwalniane z powierzchni substancji przez światło (promieniowanie elektromagnetyczne) nazywamy fotoelektronami, a zjawisko - zjawiskiem fotoelektrycznym lub fotoemisją. Energia elektronów emitowanych podczas naświetlania płytki metalowej nie zależy od natężenia promieniowania a jedynie od długości fal tego promieniowania. Liczba elektronów emitowanych z płytki jest proporcjonalna do natężenia padającego na nią promieniowania. Wnioski te wskazują na to, że w zjawisku fotoelektrycznym światło zachowuje się jak strumień cząstek a nie jak fala. Właściwą interpretację zjawiska fotoelektrycznego podał Einstein w 1905 roku. Według niego światło to strumień cząstek - fotonów, z których każdy niesie ściśle określoną porcję energii - kwant energii: Ehνhcλ Foton oddziałując z elektronem znajdującym się na powierzchni płytki metalowej, przekazuje mu całą swą energię. Jeżeli energia wiązania elektronu W równa pracy, jaką należy wykonać, by wyrwać elektron z powierzchni płytki, jest większa od energii fotonu - zjawisko nie zajdzie. W przypadku kiedy energia fotonu stanie się większa niż praca wyjścia W, elektron zostaje wyrwany z powierzchni płytki, a nadmiar energii zamieniony na jego energię kinetyczną: hνEkW, gdzie Ek - energia kinetyczna elektronu, hν - energia fotonu, W - praca wyjścia. Kiedy energia fotonu wystarcza zaledwie na wyrwanie elektronu (Ek0), mówimy o częstotliwości granicznej lub o długofalowej granicy (λ ) zjawiska fotoelektrycznego.

Slide 20

Złudzenia optyczne są z nami na każdym kroku... Czasem wydaje nam się, że widzimy coś innego, niż jest faktycznie... A wszystko związane jest z niedoskonałością naszego oka - proszę, jak łatwo jest Czy figury te są przestrzenne? je oszukać...   Czy wewnętrzny kwadrat ma proste krawędzie?                                                                                                                                                     Czy te linie są faktycznie proste?

Slide 21

Złudzenie optyczne Don Kichot

Slide 22

Bibliografia: http:wwwnt.if.pwr.wroc.plkwazarrokfizyki2005146460strona2.htm l http:fizyka.ckumm.edu.plnaturaswiatlanaturaswiatla.htm http:pl.wikipedia.org [haslo: tęcza, miraż] http:library.thinkquest.org19662highpoldiffraction.html http:www.oko.info.plindex.php?body16mp http:www.faleelektromagnetyczne.republika.plzjawiska.html