Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
1. Fale elektromagnetyczne. Światło.
Fala elektromagnetyczna to zaburzenie pola elektromagnetycznego rozprzestrzeniajÄ…ce siÄ™ w
przestrzeni ze skończoną prędkością i unoszące energię.
Fale elektromagnetyczne można scharakteryzować przy pomocy następujących wielkości
fizycznych:
- Długość fali  (czytaj: lambda). Długością fali nazywamy najmniejszą odległość
między dwoma punktami pola elektromagnetycznego będącymi w tej samej fazie.
Jednostką długości fali może być kilometr - (1km = 1000m), metr - (m), decymetr -
(1dm = 10-1 m), milimetr - (1mm = 10-3 m), nanometr - (1nm = 10-6 m), angstrem - (1A
= 10-10 m).
- Fale elektromagnetyczne o tej samej długości nazywa się falami
monochromatycznymi.
- Okres fali - T. Czas, w ciągu którego zachodzi jedno pełne zaburzenie pola
elektromagnetycznego (ośrodka). Podstawową jednostką okresu drgań jest sekunda.
- CzÄ™stotliwość fali - ½ (czytaj: ni). CzÄ™stotliwoÅ›ciÄ… fali nazywamy ilość peÅ‚nych cykli
zaburzeń pola elektromagnetycznego, przypadających na jedną sekundę. Jednostką
częstotliwości jest herc (Hz). Stosuje się również wielokrotności tej jednostki: kiloherc
(1 kiloherc = 1000Hz = 1kHz), megaherc (1megaherc = 1 000 000Hz =1MHz),
gigaherc (1gigaherc = 1000 000 000Hz = 1GHz)
- Prędkość rozchodzenia się fal. Prędkość - V fali określona jest jako stosunek długości
fali - do okresu fali - T. Wyraża to wzór:

V=
T
1
Uwzględniając związek między okresem fali i jej częstotliwością T= prędkość fali można
½
obliczyć z zależności:
V= *½
Na podstawie licznych doświadczeń (Roemer, Fizeau, inni) dowiedziono, że prędkość
km
rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w próżni wynosi około c H" 300000 .
s
Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni oznacza się literą c.
Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni nie zależy od długości fali - jest taka sama dla
fal o różnych długościach.
Prędkość fal elektromagnetycznych w ośrodkach ciągłych  substancjach stałych, ciekłych i
gazowych zależy od współczynnika załamania tych ośrodków. Gdy współczynnik załamania
n jest dla danego ośrodka większy prędkość V fali elektromagnetycznej w tym ośrodku jest
mniejsza od prędkości takiej samej fali w ośrodku o mniejszym współczynniku załamania.
Współczynnik załamania n jest wielkością charakteryzującą własności optyczne ośrodków, w
których rozchodzą się fale elektromagnetyczne.
Za J.C. Maxwellem należy go rozumieć jako stosunek prędkości rozchodzenia się fali
elektromagnetycznej w ośrodku pierwszym - V1 , do prędkości rozchodzenia się fali
elektromagnetycznej w ośrodku drugim - V2 .
V1
n=
V2
gdy przyjmiemy, że ośrodkiem pierwszym jest próżnia V1=c , a ośrodkiem drugim, dany
ośrodek ciągły, to tak określony współczynnik załamania
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
c
n=
V2
nazywa się bezwzględnym współczynnikiem załamania ośrodka względem próżni.
Przykłady ośrodków ciągłych i bezwzględnych współczynników załamania tych ośrodków
wg D. Halliday, R. Resnick Fizyka t.2 PW.
Rodzaj ośrodka Współczynnik
załamania
woda 1,33
alkohol etylowy 1,36
powietrze 1,0003
próżnia 1
sól 1,53
szkło I (flint) 1,46
polietylen 1,5  1,54
Tabela1.
W fizyce używa się pojęć: ośrodek optycznie gęsty, ośrodek optycznie rzadszy. Otóż ten z
dwu ośrodków jest optycznie gęstszy, którego współczynnik załamania ma większą wartość.
Fale elektromagnetyczne mogą się różnić długością, okresem lub częstotliwością.
Fale elektromagnetyczne o takiej samej długości, okresie lub częstotliwości, czyli fale
monochromatyczne mogą się różnić amplitudą. Fala monochromatyczna o dużej amplitudzie
przenosi w przestrzeni większą energię niż fala o małej amplitudzie. Amplituda fali
elektromagnetycznej to miara wielkości zaburzenia pola elektromagnetycznego. Im większe
zaburzenie tym większa amplituda fali.
Ośrodki o bardzo małej zdolności absorpcji, fal elektromagnetycznych nazywa się ośrodkami
przez
roczystymi. W takich ośrodkach zmiana amplitudy fali jest nieznaczna. W ośrodkach
nieprzez
roczystych - o dużej absorpcji amplituda fal maleje do zera, a energia fali
przekształca się w energię wewnętrzną ośrodka, powodując wzrost jego temperatury.
Fale elektromagnetyczne różniące się długością rozchodzą się w tym samym ośrodku
przez
roczystym z innymi prędkościami. W efekcie dany ośrodek ma inny współczynnik
załamania dla fal różniących się długościami.
Światło, to fale elektromagnetyczne o długościach fal należących do przedziału:
"(400,700)nm
Przykłady fal elektromagnetycznych o różnych długościach  oraz ich wybrane z
ródła:
- fale radiowe - antena nadawcza radiowa lub telewizyjna, ...
- mikrofale - telefon komórkowy, kuchnia mikrofalowa, ...
- światło  ogień, żarówka, neon, Słońce, gwiazdy, ...
- promieniowanie ultrafioletowe  świetlówki ze szkła kwarcowego, Słońce, ...
- promieniowanie rentgenowskie  lampy rentgenowskie, gwiazdy, ...
- promieniowanie gamma  promieniotwórcze przemiany materii, ...
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
Zadania i przykłady.
1. Oblicz długość fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w próżni o częstotliwości
½=200MHz .
Dane Szukane
km 1000m m
V = c = 300000 = 300000* = 3*108 =?
s s s
1
½= 200MHz = 200 *1000000Hz = 2*108
s
KorzystajÄ…c z zależnoÅ›ci c=½ *  mamy:
m
3*108
c m s
s
= = =1,5 * =1,5m
1
½ s 1
2 *108
s
2. Oblicz okres i częstotliwość fali elektromagnetycznej w próżni o długości fali =600nm.
Dane Szukane
km 1000m m
V = c = 300000 = 300000* = 3*108
s s s
-9
 =600 nm =600 * 10 m =6 * 10 T=?

Korzystając z zależności V= mamy:
T
 6 *10-7 m s
T= = =2*10-7-8 m=2 *10-15 m * =2*10-15 s
m
c m
3*108
s
Następnie wyznaczamy częstotliwość:
1 1 1
½= = = *1015 Hz = 5*1016 Hz
T 2 *10-15 s 2
3. Wyznacz prędkość fali elektromagnetycznej w wodzie, dla której współczynnik załamania
wynosi n=1,33 .
Dane Szukane
n=1,33
Vw=?
km 1000m m
c = 300000 = 300000* = 3*108
s s s
Korzystając z równania:
c
n=
Vw
wyznaczamy prędkość fali.
m
3*108
c m m km
s
Vw= = H"2,256*108 =225600000 =225600
n 1,33 s s s
4. Opierając się na tabeli nr 1 uszereguj w kolejności od największej do najmniejszej prędkość
tej fali elektromagnetycznej w soli, szkle i powietrzu.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
2. y
ródła światła.
y
ródła światła dzielimy na naturalne i sztuczne.
Do naturalnych z
ródeł światła można zaliczyć:
- Słońce,
- gwiazdy,
- błyskawice,
- ogień,
- błędne ognie,
- zorza polarna
- niektóre gatunki fauny,
- inne.
Do sztucznych z
ródeł światła można zaliczyć:
- świece,
- żarówki,
- neony,
- lampy rtęciowe,
- lampy Å‚ukowe,
- lampy sodowe,
- lampy ksenonowe,
- lampy kineskopowe,
- świetlówki,
- diody LED,
- lasery,
- inne.
y
ródła światła mogą być punktowe  np.: gwiazdy i rozciągłe  np.: świetlówka, Słońce.
3. Podstawowe własności światła  optyka geometryczna.
Optyka geometryczna to dział optyki opisujący rozchodzenie się światła w tych sytuacjach, w
których można pominąć zjawisko ugięcia światła.
Promień świetlny, to w optyce geometrycznej wąska wiązka światła, którą na rysunkach
symbolizuje linia prosta. W praktyce przykładem promienia świetlnego jest światło lasera.
Podstawowym prawem optyki geometrycznej (w skrócie  optyki) jest prostoliniowość
rozchodzenia się światła  promieni świetlnych.
Prostoliniowość rozchodzenia się światła potwierdzona jest powszechnie występującym
zjawiskiem cienia i półcienia. Zjawiska te opisujemy przy pomocy prawa prostoliniowego
rozchodzenia się światła  wyjaśniają to rysunki nr1 i nr2.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
Promień
Ciało
nieprzez
roczyste
Obszar cienia
y
ródło światła
Obszar oświetlony
Rysunek 1. Zjawisko cienia.
Cieniem nazywamy obszar przestrzeni, który nie jest oświetlony światłem. O
prostoliniowości biegu promieni świetlnych świadczy kształt granicy między obszarem
oświetlonym i nieoświetlonym.
Obszar oświetlony
Obszar półcienia
y
ródło światła
Ciało
nieprzez
roczyste
Promienie Obszar cienia
y
ródło światła
Obszar półcienia
Rysunek 2. Zjawisko półcienia
Półcieniem nazywamy obszar przestrzeni oświetlony przez jedno z dwu lub większej liczby
świecących punktowych z
ródeł światła. W astronomii zjawisko cienia i półcienia można
zaobserwować podczas całkowitych i częściowych zaćmień Księżyca przez Ziemię i Ziemi
przez Księżyc.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
4. Odbicie światła. Prawo odbicia światła.
Zjawisko odbicia światła zachodzi na granicy dwóch ośrodków optycznych o różnej gęstości
lub na powierzchni ciała nieprzez
roczystego. Promień świetlny padając na nieprzez
roczyste
ciało może się odbić od tego ciała lub zostać pochłonięty. Światło bardzo dobrze odbija się od
gładkich, wypolerowanych powierzchni. Tego typu powierzchnie nazywają się zwierciadłami.
Zwierciadła w zależności od kształtu mogą być:
a) płaskie,
b) kuliste wklęsłe,
c) kuliste wypukłe,
d) paraboidalne,
e) inne.
Odbicie światła od powierzchni niegładkiej, szorstkiej, nierównej nazywa się rozproszeniem
światła.
W praktyce światło padając na różnorodne powierzchnie znajdujące się w otoczeniu
obserwatora ulega rozproszeniu. Dzięki rozproszeniu światła na powierzchniach różnych ciał
i przedmiotów do oka dociera światło i na siatkówce oka powstaje obraz przedmiotu.
Promień padający Promień rozproszony
Rysunek 3. Zjawisko rozproszenia światła.
Zjawisko odbicia światła i zjawisko rozproszenia światła podlegają prawu odbicia światła.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
Prawo odbicia światła.
1. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.
2. Promień padania, prostopadła padania w punkcie odbicia i promień odbity leżą
w jednej płaszczyz
nie.
Prostopadła padania
Promień
Promień
padania
Ä… - KÄ…t ² - KÄ…t
odbicia
padania odbicia
Ä… ²
Ä… = ²
Powierzchnia zwierciadlana
Rysunek 4. Prawo odbicia światła.
Kąt padania to kąt, którego wierzchołek znajduje się w punkcie odbicia, a ramiona są
wyznaczone przez promień padania i prostopadłą padania.
Kąt odbicia to kąt, którego wierzchołek znajduje się w punkcie odbicia, a ramiona są
wyznaczone przez promień odbity i prostopadłą padania.
Zastosowania zjawiska odbicia światła  fal elektromagnetycznych:
a) folia odblaskowa  znaki drogowe,
b) materiały odblaskowe  ubrania,
c) lustra,
d) farba odblaskowa  oznakowanie na jezdni, oznakowanie budowli,
e) reflektory samochodowe, odbłyśniki lamp ulicznych itp.,
f) anteny nadawczo  odbiorcze telewizji satelitarnej i Internetu,
g) teleskopy zwierciadlane i radioteleskopy.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
4. Zwierciadło płaskie. Obraz pozorny.
Zwierciadłem płaskim nazywamy każdą płaską, wypolerowaną powierzchnię nie
pochłaniającą światła.
W zwierciadłach płaskich powstaje obraz pozorny i równy przedmiotu znajdującego się
przed zwierciadłem. Odległość  y w jakiej tworzy się obraz przedmiotu jest równa
odległości  x tego przedmiotu od powierzchni zwierciadła. Konstrukcję obrazu w
zwierciadle płaskim wyjaśnia rysunek 5.
Zwierciadło płaskie
Przedmiot
Obraz
pozorny
przedmiotu
x y
Rysunek 5. Powstawanie obrazu pozornego - konstrukcja.
Obraz pozorny zawsze tworzy się w miejscu do którego nie docierają promienie świetlne. W
przypadku zwierciadła płaskiego obraz powstaje za zwierciadłem.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
5. Obrazy w zwierciadłach kulistych
Zwierciadłem kulistym nazywamy wypolerowaną, gładką powierzchnię wewnętrzną lub
zewnętrzną kuli (sfery).
Gdy promień światła pada na wewnętrzną powierzchnię kulistą to taką powierzchnię nazywa
się zwierciadłem wklęsłym.
Gdy promień światła pada na zewnętrzną powierzchnię kulistą to taką powierzchnię nazywa
się zwierciadłem wypukłym.
Zwierciadła kuliste (patrz rysunek 6) charakteryzują następujące wielkości:
1. Promień krzywizny zwierciadła  odległość między środkiem kuli a jej powierzchnią
 odcinek SA.
2. Środek zwierciadła  punkt równooddalony od powierzchni zwierciadła  punkt S.
3. Wierzchołek zwierciadła  punkt będący miejscem przecięcia głównej osi optycznej
zwierciadła z jego powierzchnią.
4. Główna oś optyczna zwierciadła  prosta wyznaczona przez promień zwierciadła,
przechodząca przez jego wierzchołek.
5. Główne ognisko zwierciadła  punkt będący miejscem przecięcia się promieni
równoległych do głównej osi optycznej.
A
S F
Promień równoległy do głównej osi optycznej zwierciadła
Promień leżący na głównej osi optycznej zwierciadła
Promień przechodzący przez środek krzywizny zwierciadła
Promień padający na wierzchołek zwierciadła
Rysunek 6. Bieg różnych promieni świetlnych po odbiciu od powierzchni zwierciadła
kulistego.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
Charakterystyka biegu wybranych promieni padających na zwierciadło wklęsłe na podstawie
rysunku 6.
Promienie padające na zwierciadła wklęsłe lub wypukłe odbijają ię od ich powierzchni
zgodnie z prawem odbicia (patrz rysunek 4).
Promień równoległy do głównej osi optycznej zwierciadła po odbiciu od powierzchni
zwierciadła przechodzi zawsze przez ognisko zwierciadła  punkt F.
Promień leżący na głównej osi optycznej zwierciadła po odbiciu od zwierciadła w punkcie A
nie zmienia kierunku.
Promień przechodzący przez środek krzywizny zwierciadła padając na dowolny punkt
zwierciadła po odbiciu nie zmienia kierunku.
Konstrukcja obrazu w zwierciadle wklęsłym.
A1
S
x
B2
B1
y
A2
Rysunek 7. Konstrukcja obrazu w zwierciadle płaskim.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
6. Zjawisko załamania światła. Prawo załamania.
Zjawisko załamania światła polega na zmianie kierunku promienia świetlnego przy przejściu
przez granicę dwóch ośrodków o różnej gęstości optycznej.
Promień świetlny przy przechodzeniu z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka optycznie
gęstszego ( n1ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego (n1>n2 ) załamuje się od
prostopadłej padania.
Zjawisku załamania światła towarzyszy zawsze odbicie światła.
Zjawisko załamania światła podlega prawu załamania światła.
Gdy promień światła pada pod kątem prostym do powierzchni granicznej dwóch ośrodków
promień świetlny nie ulega załamaniu.
n1
Prostopadła padania
n1=c/v1
Promień
padania
Ä…-KÄ…t
padania
Powierzchnia
n12=sinÄ…/sin²=n2/n1=v1/v2
graniczna
dwóch ośrodków
przez
roczystych
n1²-KÄ…t
odbicia
Promień
n2=c/v2
załamany
Rysunek 8. Prawo załamania światła.
Prawo załamania
Dla danego światła monochromatycznego stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta
załamania jest wielkością stałą, charakterystyczną i nazywa się współczynnikiem
załamania ośrodka drugiego względem ośrodka pierwszego.
Promień padania, promień załamania i prostopadła padania w punkcie załamania leżą
w jednej płaszczyz
nie.
Opierając się na oznaczeniach z rysunku 5 prawo załamania można zapisać w postaci
równania:
sinÄ…
=n12 .
sin ²
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]
Wybrane zjawiska optyczne, natura światła
Przykłady zastosowania zjawiska załamania światła w technice.
Zjawisko załamania światła zostało wykorzystane w budowie następujących przyrządów:
a) peryskop,
b) światełka odblaskowe,
c) spektrometry,
d) monochromatory,
e) lupa,
f) luneta
g) lornetka
h) inne.
Opracował: Grzegorz Matysek
ZSPiG w Emilianowie [e-mail]