Referat z fizyki o optyce.odt

                                                                      OPTYKA

Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię. Optyka wypracowała specyficzne metody pierwotnie przeznaczone do badania światła widzialnego, stosowane obecnie także do badania rozchodzenia się innych zakresów promieniowania elektromagnetycznego - podczerwieni i ultrafioletu - zwane światłem niewidzialnym.

Optyka geometryczna – najstarsza i podstawowa do dziś część optyki. Podstawowym pojęciem optyki geometrycznej jest promień świetlny, czyli nieskończenie cienka wiązka światła (odpowiednik prostej w geometrii). Rozchodzenie się światła opisywane jest tu jako bieg promieni, bez wnikania w samą naturę światła. Zgodnie z założeniami optyki geometrycznej, światło rozchodzi się w ośrodkach jednorodnych po liniach prostych, na granicy ośrodków ulega odbicie światła i załamaniu. Badaniami załamywania światła zajmuje się dioptryka.

Optyka falowa – dział optyki, w którym uwzględniona jest falowa natura światła. W ramach optyki falowej badane są takie zjawiska jak

•       interferencja

•       dyfrakcja

•       polaryzacja

Zjawiska te są szczególnie istotne m.in. przy przechodzeniu światła przez szczeliny czy w optyce cienkich warstw. Z falowego punktu widzenia, światło jest falą elektromagnetyczną, zatem oczywiste jest, że fundamentem optyki falowej są równania Maxwella opisujące zjawiska elektromagnetyczne.

Optyka falowa stanowi podstawę teoretyczną dla optyki geometrycznej, wyjaśnia prawa optyki geometrycznej i wskazuje ograniczenia jej stosowania. Prawa optyki geometrycznej są prawdziwe tylko dla odległości znacznie większych od długości fali. Jednocześnie optyka geometryczna wraz ze swymi prostymi prawami i pojęciami stanowi silne narzędzie umożliwiające proste opisanie przebiegu wielu zjawisk i działania przyrządów optycznych.

Ważnym działem optyki falowej jest spektroskopia badająca widma fal świetlnych. Spektroskopia badając widma emisyjne i absorpcyjne gazów dała na początku XX wieku bodziec do powstania nowych teorii światła i materii. Światło objawiło się jako cząstka (foton), a materia zaczęła być postrzegana jako fala.

Optyka kwantowa – dział optyki, w ramach którego analizowane są zjawiska, w których światło musi być opisywane jako cząstka (foton) mająca cechy ciał fizycznych (energia, pęd). Wspomniana wcześniej spektroskopia wraz z fizyką atomową i mechaniką kwantową jest silnym narzędziem badawczym wykorzystywanym do badania zjawisk zachodzących w najdalszych obiektach wszechświata, wykrywania nawet pojedynczych atomów, badania struktury kryształów itp.

W optyce zakłada się, że światło przechodząc przez materię nie oddziałuje samo na siebie. Przy dużych natężeniach światła nie jest to prawdą, przechodzące światło wpływa na przejście innych wiązek światła (także siebie). Efekty z tym związane opisywane są w ramach optyki nieliniowej.

Metody badawcze optyki zastosowano także do badania innych rodzajów fal (promieniowania), powstały w ten sposób dziedziny: optyka elektronowa, optyka neutronowa, optyka ultradźwięków.

                                                                      REFRAKCJA

                                                                      DYSPERSJA

                                                        SOCZEWKA

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.

Najczęściej spotykany typ soczewki to soczewka sferyczna, której przynajmniej jedna powierzchnia jest wycinkiem sfery. Każda z powierzchni takiej soczewki może być wypukła, wklęsła lub płaska i stąd mówi się o soczewkach wuwypukłych, płasko-wklęsłych itd. (patrz rysunek).

Stosuje się również soczewki będące wycinkiem walca (np. jako lupy w termometrach oraz doczytania, szkła korygujące wady wzroku), nazywane soczewkami cylindrycznymi.

Szczególnym rodzajem soczewki jest soczewka Fresnela.

Podstawową funkcją soczewek jest symetryczne względem osi skupianie lub rozpraszanie światła. Stąd każda soczewka posiada oś optyczną i punkt, w którym skupia się wiązka równoległa do osi optycznej, zwany ogniskiem soczewki. Odległość ogniska od środka optycznego soczewki nazywa się jej ogniskową. Ogniskowa f zależy od promieni krzywizny obu powierzchni roboczych R1 i R2 oraz współczynników załamania: materiału, z którego zrobiona jest soczewka n i otoczenia nm (dla powietrza i wzór upraszcza się).

Dla nieskończenie cienkiej soczewki (tzn. soczewki o pomijalnej grubości) wzór przyjmuje postać

Wzór stosuje się zarówno do wklęsłych, jak i wypukłych soczewek. Przyjęto w nim następującą konwencję: dla powierzchni wypukłej promień krzywizny jest dodatni, a dla wklęsłej ujemny. Jeżeli któraś z powierzchni jest płaska, to jej promień krzywizny jest nieskończony, a jego odwrotność wynosi zero. Czasem używa się też innych konwencji i wtedy powyższy wzór ma nieco inną postać.

Rozważmy dwa proste przykłady: po pierwsze, soczewkę wypukło-wypukłą o takich samych promieniach krzywizny R > 0. Zgodnie z konwencją w powyższym wzorze wstawiamy R1 = R2 = R i przyjmując nm = 1 otrzymujemy

.

Dla większości materiałów n > 1, więc taka soczewka będzie miała dodatnią ogniskową i będzie soczewką skupiającą. Im większy współczynnik załamania i mniejszy promień krzywizny, tym krótsza będzie ogniskowa soczewki. Analogicznie, soczewka wklęsło-wklęsła będzie soczewką rozpraszającą.

Odwrotność ogniskowej nazywa się zdolnością zbierającą soczewki i jest mierzona w dioptriach.

Obraz wytworzony przez soczewkę jest zwykle innej wielkości niż przedmiot. Powiększenie to zależy od odległości przedmiotu od soczewki S1 oraz od jej ogniskowej f. Dla cienkiej soczewki zależność tę opisuje wzór

,

gdzie S2 jest odległością obrazu od soczewki, a M powiększeniem. | M | > 1 odpowiada obrazowi powiększonemu, a | M | < 1 pomniejszonemu. Ujemna wartość M oznacza, że obraz jest odwrócony.

Soczewki są stosowane w wielu przyrządach optycznych do tworzenia obrazu lub kształtowania wiązki światła:

•       mikroskopach

•       lunetach

•       lornetkach

•       lupach

•       okularach leczniczych

•       soczewkach kontaktowych

•       spektrofotometrach

•       aparatach fotograficznych

•       kamerach filmowych

•       druku soczewkowym

•       świetlnych semaforach kolejowych

Idealna soczewka skupia równoległą wiązkę światła w jednym punkcie i wytwarza ostry obraz przedmiotu, różniący się od niego jedynie powiększeniem. Rzeczywiste soczewki charakteryzują się aberracjami, przez co wytworzony przez nie obraz jest zniekształcony. Wady te wynikają zarówno z niedokładności wykonania, jak i z fizycznych właściwości soczewek, przede wszystkim ich grubości (szczególnie różnic grubości pomiędzy środkiem a brzegami soczewki) oraz zależności współczynnika załamania materiału, z którego są wykonane, od długości fali. Ten drugi rodzaj aberracji usuwa się, zastępując pojedynczą soczewkę układem soczewek.

•       aberracja - usuwa obiektyw anastygmat

•       aberracja chromatyczna - usuwa układ soczewek achromat, apochromat

•       aberracja sferyczna - usuwa soczewka asferyczna

•       ...