A fényhullámok terjedése vákuumban és anyagi közegekben OPTIKA A fényhullámok terjedése vákuumban és anyagi közegekben

A fény mint elektromágneses hullám A látható fény a 380nm-től a 780nm hullámhosszúságig terjedő elektromágneses hullám. (750000GHz-375000GHz) A különböző hullámhosszúságú fény szemünkben különböző színérzetet kelt. A fehér fényben minden, a teljes tartományban megtalálható hullámhosszúságú fény benne van.

Látás és a fény A retinán elhelyezkedő, fényt érzékelő kétféle receptort az alakjuk alapján csapnak és pálcikának hívjuk. A mintegy 110-130 millió pálcika biztosítja a szürkületi és esti fényben történő, valamint az oldalirányú, perifériális látást. A nappali fényben működő mintegy 5-7 millió csap rövidebb és csonka kúp alakú, biztosítják számunkra a színes látást.  Az emberi szem sötét-, és világosban látási görbéi a hullámhossz függvényében. A szem a zöld színnek megfelelő hullámhosszúságú fényre a legérzékenyebb.

Fényforrások Izzólámpák Gázkisülő lámpák Szilárdtest sugárzók Lézer Fényforrásnak nevezünk minden eszközt, ami látható fény előállítására szolgál. Elsődleges fényforrások, amik a sugárzás kibocsátói, illetve másodlagos fényforrások, amik más fényforrások fényét tükrözik. Fajtái: Izzólámpák Volfrám izzó, Halogén izzó Gázkisülő lámpák Kisnyomású, Nagynyomású Fénycsövek, kompakt fénycsövek Szilárdtest sugárzók LED Lézer

Fényforrások Mérhető tulajdonságok: Színhőmérséklet jele:F mértékegysége: K Meleg < 3300K Kellemes 3300K <F<5300K Hideg > 5300K Egy fényforrás színhőmérsékletét az általa okozott színérzet és egy feketetest sugárzó által létrehozott színérzet alapján határozzák meg. Fényhasznosítás: A fényforrás által leadott fényáram és a felvett teljesítmény hányadosa. mértékegysége: lumen/watt (lm/W)

Fényforrások összehasonlítása Napfény színhőmérséklete: Típus Hatásfok/élettartam (óra) Színhőmérséklet Fényhasznosítás Normál izzó 5 %/1000 2800-3400K meleg fehér 8 - 14 lm/W Halogén lámpa 7 %/2000 2700-6500K meleg/ hideg fehér  18 - 20 lm/W IRC halogén lámpa 9 %/4000 2900-3200K 100 - 170 lm/W Kompakt fénycső 25 %/6000-12000 2700-6000K 40 - 60 lm/W Fénycső 29 %/12000-42000 75 lm/W LED 85-95 %/20000/50000 2700-5000K 70 - 80 lm/W

Armand Hippolyte Louis Fizeau A fény sebessége Az első mérés Olaf Römer dán csillagász nevéhez fűződik, aki 1676-ban a Jupiter holdjait tanulmányozta.  A fénysebesség ma ismert értékénél mintegy 30%-kal kisebb értéket kapott.  227 000 km/s  Hippolyte Fizeau francia fizikus már a 19. század közepén megközelítőleg pontosan megmérte a fény sebességét. Fizeau - a fogaskerék módszer: 313 000 km/s értéket kapott Olaf (Ole) Römer dán csillagász (1644-1710) Armand Hippolyte Louis Fizeau  (1819 –1896)

Jean Bernard Léon Foucault Albert Abraham Michelson A fény sebessége Jean Bernard Léon Foucault francia fizikus forgótükör módszerrel határozta meg a fény sebességét, eredménye 1%- on belül megegyezik a ma ismert helyes értékkel. 1850-ben közzétett végeredménye: 300 939 km/s Albert Abraham Michelson amerikai  fizikus az 1920-as években Foucault méréseit tökéletesítette, és több mérésből 299 796 ± 4 km/s-os átlagértéket kapott. A vákuumbeli fénysebesség: 299 792 458m/s Jean Bernard Léon Foucault  (1819. – 1868.) francia fizikus.  Albert Abraham Michelson  (1852.-1931.) amerikai fizikus

Fényhullámok visszaverődése és törése A fényhullám egyenes vonalban terjed. Visszaverődés új közeg határán (teljes visszaverődés) A fényvisszaverődés törvényei: Beeső fénysugár, visszavert fénysugár és beesési merőleges egy síkban vannak A beesési szög megegyezik a visszaverődési szöggel

Fényhullámok visszaverődése és törése Fényhullámok törése: Snellius-Descartes törvény A fényhullám új közeg határán megtörik, a terjedési sebességek aránya a törésmutató. (abszolút törésmutató) Az az anyag optikailag sűrűbb, melynek törésmutatója nagyobb, amelyben a fény kisebb sebességgel terjed.  René Descartes  (1596–1650) francia filozófus, matematikus  Willebrord van Roijen Snellius  (1591–1626) holland csillagász 

Fényhullámok teljes visszaverődése Ha sűrűbb közegből ritkább közegbe lép a fényhullám akkor a beesési szögtől függően előfordulhat olyan eset, amikor nem lépi át a közeghatárt. Teljes visszaverődés. Határszög, amely beesési szögnél teljes a visszaverődés. Alkalmazásai: Képfordító prizma Optikai kábel

OPTIKAI TÜKRÖK ÉS LENCSÉK

A tükrök fogalma, fajtái A síktükör a tárgyról egyállású, azonos nagyságú virtuális képet ad. A tárgytávolság (t) és a képtávolság (k) egyenlő. A tárgy mérete (T) és a kép mérete (K) is egyenlő.

A homorú tükör R sugarú gömb felület O optikai középpont F fókuszpont OF=1/2R OC szimmetriatengely Homorú tükör nevezetes sugármenetei: 1: a szimmetriatengellyel párhuzamosan beeső fénysugarak visszaverődés után egy pontban metszik egymást F Fénysugár megfordítása: az F pontból kiinduló fénysugarakat párhuzamosan veri vissza 2: O optikai középpontban beeső fénysugarak szimmetrikusan verődnek vissza

A homorú tükör képalkotása A keletkezett kép: fordított állású nagyított valódi kép A gömbtükör által alkotott kép és tárgy méretviszonyait az N nagyítás adja meg: N=K/T

A domború tükör Domború tükör nevezetes sugármenetei: 1-2: a szimmetriatengellyel párhuzamosan beeső fénysugarak úgy veri vissza mintha a F látszólagos fókuszpontból indultak volna ki 3: A F látszólagos fókuszpontba tartó fénysugarakat párhuzamosan veri vissza 4: O optikai középpontban beeső fénysugarak szimmetrikusan verődnek vissza

A domború tükör képalkotása A keletkezett kép: egyenes állású kicsinyített virtuális kép A gömbtükör által alkotott kép és tárgy méretviszonyait az N nagyítás adja meg: N=K/T

A lencsék fogalma, fajtái Az optikai lencsék a legegyszerűbb fénytörésen alapuló leképezési eszközök. Fajtái: a domború és a homorú lencse. optikai középpont optikai tengely A továbbiakban vékony lencsékkel foglalkozunk.

A domború lencse F fókuszpont (F) A párhuzamos nyaláb a domború lencsén való áthaladás után összetartó nyaláb lesz, ezért nevezik a domború lencsét gyűjtőlencsének.

A homorú lencse fókuszpont (F) F A párhuzamos nyaláb a homorú lencsén való áthaladás után széttartó nyaláb lesz, ezért a homorú lencsét szórólencsének nevezik.

A megtört fénysugár a fókuszponton halad keresztül. Jellegzetes sugármenetek gyűjtőlencse esetén 1. Az optikai tengellyel párhuzamosan beeső fénysugár gyűjtőlencse esetén 2F F O A megtört fénysugár a fókuszponton halad keresztül.

2. A fókuszponton át beeső fénysugár gyűjtőlencse esetén A megtört fénysugár az optikai tengellyel párhuzamosan halad tovább.

3. Az optikai középponton át beeső fénysugár gyűjtőlencse esetén A fénysugár irányváltoztatás nélkül halad át a lencsén.

A gyűjtőlencse képalkotása a fókusztávolságon belüli tárgyról A keletkezett kép: egyenes állású nagyított látszólagos

A gyűjtőlencse képalkotása a fókuszpontban elhelyezett tárgyról 2. Sugármenet nincs! 2F F O F 2F A megtört sugarak és azok meghosszabbításai sem találkoznak, ezért a fókuszpontban elhelyezett tárgyról nem keletkezik kép.

A gyűjtőlencse képalkotása az egyszeres és kétszeres fókusztávolság között levő tárgyról A keletkezett kép: fordított nagyított valódi

A gyűjtőlencse képalkotása a kétszeres fókusztávolságban elhelyezett tárgyról A keletkezett kép: fordított állású azonos nagyságú valódi

A gyűjtőlencse képalkotása a kétszeres fókusztávolságon kívül elhelyezett tárgyról A keletkezett kép: fordított állású kicsinyített valódi

Jellegzetes sugármenetek szórólencse esetén 1. Az optikai tengellyel párhuzamosan beeső fénysugár szórólencse esetén 2F F O A megtört fénysugár úgy halad tovább, mintha a lencse előtti fókuszból indult volna ki.

2. A fókuszpont irányába beeső fénysugár szórólencse esetén A megtört fénysugár az optikai tengellyel párhuzamosan halad tovább.

3. Az optikai középponton át beeső fénysugár szórólencse esetén A fénysugár irányváltoztatás nélkül halad át a lencsén.

A szórólencse képalkotása 2F F O F 2F A keletkezett kép mindig: egyenes állású kicsinyített látszólagos

A vékonylencsék leképezési törvénye, a nagyítás képtávolság (k) tárgy (T) 2F F O F 2F kép (K) tárgytávolság (t) fókusztávolság (f) A leképezési törvény: A nagyítás: t 1 k f + = T K t k N =

A dioptria A lencse jellemzője a fénytörő képessége, a dioptria: f 1 D = A fókusztávolságot méterben kell mérni.

Fresnel-lencse Fresnel-lencse egy speciális kialakítású gyűjtőlencse.  Jellemzője, hogy a koncentrikusan elhelyezkedő lencsemetszetek gyújtótávolságai alencse fénytani középpontjától azonos távolságra vannak.  Augustin Jean Fresnel francia fizikus eredetileg világítotornyok számára fejlesztette ki.

A lencsék alkalmazásai a lupe a vetítő a távcső a fényképezőgép az emberi szem a mikroszkóp

A lupe Az egyszerű nagyító, vagy lupe egy domború lencse, a legegyszerűbb látószögnövelő eszköz. A fókuszponton belüli tárgyról nagyított képet ad. 2F F O

A vetítő A vetítő egy megvilágított tárgyról gyűjtőlencse (rendszer) segítségével valódi, nagyított, fordított állású képet állít elő. fényforrás kondenzor diakép ernyő objektív

A vetítő képalkotása A tárgyat az egyszeres és kétszeres fókusztávolság közé kell tenni, mert ekkor keletkezik nagyított, fordított, valódi kép. 2F F O k+t

Az emberi szem A retinán keletkezett kép: fordított állású retina pupilla látóideg szemlencse A retinán keletkezett kép: fordított állású kicsinyített valódi

Az emberi szem képalkotása A tárgynak a szemlencse kétszeres fókusztávolságán kívül kell lenni, mert ekkor keletkezik kicsinyített, valódi kép. A túl közeli tárgyakat ezért nem láthatjuk élesen. 2F F O k+t

A leggyakoribb szembetegségek a távollátás a rövidlátás Az optikai lencsék legősibb felhasználása az emberi látást segítő optikai eszközök alkalmazása.

A távollátás Távollátáskor a kép a retina mögött keletkezik. Javítása gyűjtőlencsével.

A rövidlátás Rövidlátáskor a kép a retina előtt keletkezik. Javítása szórólencsével.

A fényképezőgép A fényérzékeny filmen fordított állású, kicsinyített, valódi kép keletkezik. pillanatzár blende film objektív kondenzor

A fényképezőgép képalkotása A filmet a lencse kétszeres fókusztávolságán kívülre kell tenni, mert ekkor keletkezik kicsinyített, valódi kép. A túl közeli tárgyakról nem lehet éles képet készíteni 2F F O k+t

Az emberi szem és a fényképezőgép összehasonlítása blende - pupilla film - retina objektív - szemlencse

A távcső A távcső (teleszkóp) a távoli tárgyak megfigyelésére szolgál, mert megnöveli a tárgyak látószögét. Fajtái: a Kepler-távcső a földi távcső a Galilei-távcső a binokuláris távcső

A Kepler-távcső A Kepler-távcső vagy csillagászati távcső látószögnövelő eszköz, mely a távoli tárgyakról fordított képet ad. okulár távoli csillagok objektív a csillagok képei

A földi távcső A Kepler-távcsőhöz hasonló, de van benne egy fordító lencse, mely az egyenes állású képet biztosítja. Ilyenek az endoszkópok, célzótávcsövek. objektív képfordító lencse okulár

A binokuláris távcső A binokuláris távcső két egymás mellé szerelt távcső, s így egyszerre mindkét szemmel való nézésre alkalmas. Ha a képfordítást két 45°-os prizmával oldják meg, így csökkenthető a távcső hosszúsága. objektív képfordító prizmák okulár

A mikroszkóp A mikroszkóp egy összetett nagyító. okulár Az objektív lencse által létrehozott valódi képet az okulár lencsével, mint egyszerű nagyí-tóval nézzük, és így látjuk még nagyobbnak a tárgy képét. objektív tárgy kép