FIZIKAREFERATASŠviesa ir jos skliedimasTurinisTurinis 2Įvadas 3Banginė optika 4Fotometrijos pagrindai 4Geometrinės optikos dėsniai 6Optiniai prietaisai 8Išvados 11Literatūros sąrašas 12ĮvadasFizikos dalis tiriantis šviesos reiškinius vadinama optika (graikų. „optikos“ – matomas), o patys šviesos reiškiniai vadinami optiniais.Ant daiktų krintanti šviesa leidžia mums jos matyti ir orientuotis erdvėje. Bet šio reiškiniu šviesos veikimas nesiriboja. Prisiminkim pavyzdžiui kaip šyla kūnai ant kuriu krenta saulės šviesa. Reiškia šviesa turi energiją ir perneša ją erdvėje. Dėl to kad energija gali pernešti kūnai arba bangos galima teigti dvi hipotezes apie šviesos prigimtį. Šviesos spinduliavimas turi būti sudarytas iš smulkių daleliu srauto arba bangų, kurie skleidžiami erdvėje. Pagal primą hipotezę Niutonas sukūrė korpuskuliarinė šviesos teorija kurios dėka galima paaiškinti daugelį optinių reiškinių. Pagal antrą hipotezę olandų mokslininkas Hiugensas XVII a. sukūrė banginė šviesos teoriją, kurios dėka galima buvo paaiškinti tokius reiškinius kaip šviesos interferencija, difrakcija ir t.t Dėl to kad neviena iš šių teorijų atskirai negalėjo pilnai paaiškinti visų optinių reiškinių, klausimas apie tikrąją šviesos prigimtį liko neišspręstas.Galutini atsakymą į šį klausimą gavo Maksvelas. Jis atkreipė dėmesį į tai jog šviesos skleidimo greitis vakuume sutampa su jo apskaičiuotu elektromagnetinių bangų skleidimo greičiu. Pagal tai jis pasiūlė hipotezę apie elektrobanginę šviesos prigimtį, kuri vėliau buvo patvirtinta daugelių tyrimų. Tokiu būdu XIX a. pabaigoje buvo sukurta elektrobanginė šviesos teorija, kurią naudoja ir mūsų laikas.Banginė optikaŠviesa – tai optinio diapazono elektromagnetinės bangos, kurių dažnių intervalas apytiksliai nuo 3*1011 iki 3*1016 Hz, o bangų ilgis nuo 1mm iki 10nm. Siauresne prasme šviesa dažniausiai vadinamos regimosios elektromagnetinės bangos, kurių bangos ilgis λ0 vakuume 400-750 nm.
Reiškinių, kuriuose reiškiasi šviesos banginė prigimtis, visumą tiria banginė optika. Šviesos bangoje periodiškai tarpusavyje susietai kinta magnetinio ir elektrinio laukų stipriai. Daugelyje reiškinių svarbiausias yra elektrinis laukas E. Monochromatinei šviesai jo kitimą aplinkoje galima aprašyti bangos lygtimi:Čia Em – elektrinio lauko kitimo amplitudė. T – periodas, I – bangos nueitas atstumas, λ – bangos ilgis toje aplinkoje, – pradinė faze. Magnetinio lauko stipris kinta analogiškai. Maksvelio elektromagnetinių bangų teorija rodo, kad jų fazinis greitis v priklauso nuo aplinkos elektrinės ε ir magnetinės μ skvarbos ir užrašomas sąryšiu:
Čia ε0 – elektrinė konstanta, μ0 – magnetinė konstanta, kurios taip pas suderina SI sistemos matavimo vienetus. Šviesos greičio vakuume ir jos greičio medžiagoje santykis yra tos medžiagos absoliutinis lūžio rodiklis.Fotometrijos pagrindaiŠviesos šaltinio išspinduliuota elektromagnetinė banga, plisdama iš vieno erdvės taško į kitą, perduoda energiją, kuri proporcinga elektrinio bei magnetinio laukų stiprių kvadratams.ji plinta erdvėje, apšviečia kūnus, kurių išsklaidytą energiją dažniausiai stebime regėjimo organais. Akies jautrumas priklauso nuo šviesos bangos ilgio , todėl šviesumams vertinti energiniai dydžiai nepatogūs. Dažniausiai fotometrijoje vertinama regėjimu juntama spinduliuotės energija ir naudojama iš to išplaukianti fotometrinė intensyvumų matavimo vienetų sistema. Šviesos srautas Фs – tai regėjimu įvertinam spinduliuotės energija, pratekanti pro kurį nors jai statmeną paviršių per laiko vienetą, matuojama liumenais (lm).Skirtingo bangos ilgio šviesos vienas liumenas atitinka skirtingą fizikinį energetinį srautą ФN, t.y. skirtingą šviesos galią N, matuojamą vatais (W). Todėl pereinant nuo energetinio šviesos bangų vertinimo prie optinio (pagal akies šviesos pojūtį) taikoma redukuotos akies spektrinis jautris vλ, dar vadinamas matomybės koeficientu(1 pav.). Išskyrus šviesos bangų pluošte mažą bangų ilgių intervalą nuo λ iki λ+d λ, kurio energetinė galia (srautas) dNλ, jo optinį srautą dФλs, galima užrašyti:
Čia K – šviesinis spinduoliuotės galios ekvivalentas, rodantis 1W galios atitikmenį optikoje (lm/W), nustatomas naudojant šviesos etaloną – absoliučiai juodą kūną K = 683 lm/W.Didžiausias redukuotos akies jautris vλ yra žaliukoke spektro dalyje ties 555 nm bangos ilgiu ir jis lygus vienetui, o jo priklausomybė nuo bangos ilgio patiekta 1 paveiksle. Jei bangų
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
1 pav. 400 440 480 520 560 600 640 680 720
ilgių intervalas nėra labai mažas,tenka atsižvelgti į šviesos energijos kitimą spektre. Tuomet šviesos srautą gauname integruodami:
Nustatytą,kad pavertę 1W galią 555 nm šviesa gautume didžiausią 6831m srautą. Įvertinamai rodo, kad1W galios baltoji šviesa pagal formulę ir 1 pav. grafiką duoda 250 lm srautą.šaltinio šviesos stiprį I, kuris matuojamas kandelomis (cd), nusako srautas, tenkantis vienetiniam erdviniam kampui (vienam steradianui). Taškinio t.y. šaltinio, kurio matmenys,palyginus su atstumu iki stebėtojo, yra labai maži, šviesa erdvėje pasiskirsto tolygiai visomis kryptimis. Paviršiaus apšviestumas E rodo jį pasiekusios šviesos srauto paviršinį tanki matuojamą liuksais(1lx ž 1lm/1m2). Jei I stiprumo taškiniu šaltiniu apšviečiamas plokščiasis paviršius, esantis atstumu r nuo jo, tai paviršiaus apšviestumas E nusakomas apšviestumo dėsniu:
čia α – kampas,kurį sudaro spindulių kryptis su paviršiaus normale. Didžiausias apšviestumas bus tada,kai spinduliai kris statmenai į paviršių .veidrodinis paviršius nukreipia šviesą pagal atspindžio dėsnį, o difuzinis paviršius (pvz., balta kreida dažyta siena) išsklaido šviesą. Ištęsto spinduliuojančio arba išsklaidančio šviesą paviršiaus šviesis M rodo šviesos srautą, išspinduliuojamą iš ploto vieneto. Fotometrijoje šviesis matuojamas lm/m2, o energetinėje skalėje W/m2. tokio paviršiaus ryškis rodo šviesos srautą,sklindantį vienetiniu erdviniu kampu Ω iš ploto vieneto α kryptimi su to paviršiaus normale (statmeniu į paviršių). Ryškis matuojamas cd/m2. lamberto dėsnis teigia,kad tobula išskirstančio šviesą (difuzinio)paviršiaus ryškis nepriklauso nuo stebėjimo krypties.
Paviršiaus ploto vieneto spinduliuojamas šviesos stipris α kryptimi Iα=I0 cos α, kur I0 – šviesos stipris statmena kryptimi. Pakankamai tiksliai Lamberto dėsnis tinka paviršiui padengtam magnio oksido, gipso sluoksniais, daugeliu kitų atvejų apibūdina tik apytiksliai. Tarptautinėje SI vienetų sistemoje pagrindinis fotometrinis vienetas yra kandela. Kandela – tai stipris šviesos, kurią statmena kryptimi spinduliuoja absoliučiai juodo kūno 1/60cm2 ploto tobulas spinduolis platinos kietėjimo temperatūroje (2042,1 K).Geometrinės optikos dėsniaiŠviesos spindulių krypties kitimo dėsningumas aprašo geometrinės optikos dėsniai.šviesos spindulys – tai siauras šviesos pluoštas,sklindantis iš šaltinio.nustatyta, kad vienalytėje neapribotoje kitais kūnais aplinkoje šviesa sklinda tiesiomis linijomis. Jei šviesos kelyje yra skaidriąsias aplinkas skiriantis paviršius, tai dalis šviesos nuo jo atsispindi, o kita dalis pro jį praeina. Krintant šviesai į begalinį plokščiąjį aplinkas skiriantį paviršių, lūžęs bei atsispindėjęs spindulys plinta plokštuma, einančia per krintantį spindulį ir šio paviršiaus normalę , o kritimo kampas i ir lūžio kampas r susiję Snelijaus sąryšiu Be to, atspindžio kampas lygus kritimo kampui. Paviršius, skiriantis virpesių paliestą erdvės dalį nuo erdvės, kurioje virpesiia dar neprasidėjo, vadinamas bangos frontu (2 pav. linijos a, a1). Visuose bangos fronto taškuose svyravimai vyksta ta pačia faze, nes jį bangos pasiekia vienu laiku.Heigenso principas teigia,kad kiekvieną bangos fronto tašką galima laikyti naujų – antrinių bangų šaltiniu. Kryptingo lygiagrečių spindulių pluoštelio (pvz., lazerio) bangos frontas vienalytėje aplinkoje yra plokštuma, todėl tokia banga dažnai vadinama plokščiąją,o išsisklaidančios taškinio šaltinio bangos turi sferinį frontą.Jei lygiagrečių spindulių pluoštas, ribojamas spinduliais A1 ir B1, sklinda greičiu v1 link aplinkas skiriančio paviršiaus, kurio normalė , tai, iki jam pasiekiant šį paviršių abu spinduliai plinta vienodu greičiu v1 ir frontas a krypties nekeičia, t.y. a//a1 (2 pav.). spinuliui A1 paiekus tašką A, jis tampa nauju nagų šaltiniu. Antroje aplinkoje šviesa sklinda greičiu v2 ir, kol spindulis B1 pasiekia tašką B, nueina kelią AD ≠ CB. Ttodėl bangos frontas antroje aplinkoje a2 tampa nelygiagretus pirmykščiam frontui a ir a1. iš trikampių ACB ir ABD išplaukia:Dalydami šias lygtis gauname:
Atspindžio metu spinduliai nepereina į antrąją aplinką ir po sąveikos su paviršiumi plinta tuo pačiu greičiu, todėl lengvai gaunama ia = i (2 pav.). šia sąryšiai taip pat gaunami ir iš Ferma principo, kuris teigia, kad spindulys iš vieno taško į kitą sklinda tokiu keliu, kuri galima nueiti per trumpiausią laiką. Iš šių dėsningumų išplaukia, kad po lūžio patekęs į antrąją optiškai tankesnę medžiagą spindulys plinta statmeniau paviršiui. Taikant apgręžimo principą, teigiantį,kad spindylio trajektorija nepriklauso nuo ja plintančios šviesos krypties, išplaukia, kad spinduliui plintant iš optiškai tankesnės į retesnę medžiagą jis nukrypsta toliau nuo normalės. Tai ribinė sąlyga, kada dalis šviesos dar gali pereiti į optiškai retesnę ( mažesniu lūžio rodikliu) aplinką ir plisti joje. Įrašą į i = π / 2 gauname sąryšį ribiniam kampui rr ,Šis sąryšis naudojamas medžiagų lūžio rodikliams matuoti refraktometruose ir kituose optiniuose prietaisuose, transformuoti šviesos pluoštams ir t.t. Visiško vidaus atspindžio prizmėmis apverčiami vaizdai, kaičiama spindulių kryptis, konstruojama šviesos impulsų užlaikymo linijos. Visiška vidaus atspindys neleidžia šviesai išeiti iš pluoštelio, perduodant informaciją šviesolaidžiais ir t.t. visiško vidaus atspindžio prizmės naudojamos daugelyje optinių prietaisų, pvz., fotoaparatuose fotografuojama vaizdui stebėti.Optiniai prietaisaiĮtaisai (optinės detalės) fokusuojantys šviesos pluoštą bei formuojantys atvaizdus, panaudodami atspindžio dėsnį,yra veidrodžiai, o naudojantys šviesos lūžą- optiniai lęšiai. Jų veikimas remiasi pateiktais geometrinės optikos dėsnius apibendrina Ferma principas, kuris teigia, kad šviesa iš vieno taško į kitą sklinda tuo keliu, kuriuo pasiekia pastarąjį per trumpiausią laiko tarpą. Taško atvaizdas bus vieta,kurią per trumpiausią vienodą laiko trapą pasiekia spinduliai, sklisdami skirtingais keliais.jie praeina vienodą optinį kelią. Jie tiksliai tokios vienos vietos nėra, tai sistemai yra būdingi netobulumai- aberacijos. Tačiau optimaliai konstruojant optines sistemas dažnai aberacijas pavyksta sumažinti,jei naudojamos skirtingų medžiagų ir įvairių paviršių detalės. Šviesai skaidrūs kūnai,iš abiejų pusių apriboti sferiniais paviršiais,kurie fokusuoja arba dėsningai išskleidžia šviesą, vadinami lęšiais. Į lęšį lygiagrečiai jo pagrindinei optinei ašiai kritusių ir jame lūžusių spindulių susikirtimo taškas vadinamas lęšio pagrindiniu židiniu F. Dydis, atvirkščias židinio nuotoliui F, vadinamas lęšio optine geba G = 1/F, kuri matuojama dioptrijomis ir yra neigiama sklaidomajam lęšiui. Lęšiai gaminami iš stiklo arba kitokių medžiagų, kurių lūžio rodiklis didesnis už aplinkos (oro), todėl šviesos lūžio dėsnis lemia,kad išgaubtas lęšis bus glaudžiamasis, t.y. sufokusuos lygiagrečius spindulius į tašką,o įgaubtas išsklaidys į šalis ir tik jų kryptys bus analogiškos spinduliams, sklindantiems iš taškinio šaltinio, o to įsivaizduojamojo šaltinio vieta vadinama menamuoju židiniu. Jo nuotolis bus neigiamas. Bet kuriam iš šaltinio sklindančiam spinduliui galima parašyti apitikslius geometrinius sąryšius.
Židinio sąvoka ir atvaizdo susidarymo principai bus analogiški ir sferiniams veidrodžiams. Atvaizdo ir daikto geometrinių matmenų (matymo kampų esant optimalioms sąlygoms) santykis yra didinamas N (3 pav.). didinimas auga tolstant atvaizdui, nes per centrą einantys spinduliai nelūžta arba nuo veidrodžio atsispindi kritimo kampu. Todėl į akį spinduliai3 pav.
patenka pro glaudžiamąjį lęšiuką, kuris vaizdą formuoja akies tinklainėje.pagal raumenų įtepimą kinta lęšiuko židinio nuotolis, todėl galima pritaikyti akį toliau arba arčiau esantiems daiktams. Norint gauti didesnį atvaizdą, reikia, kad daiktas būtų arčiau akies akomodacinės galimybės. Todėl maži daiktai turėtų būti aiškiausio regėjimo nuotoliu D, kuris vidutinei (redukuotajai) akiai yra 25 cm.paprasčiausias prietaisas,kuris padidina regėjimo kampą yra lupa (3 pav.). Lupa – tai glaudžiamasis lęšis, kurio židinio nuotolis F ne didesnis kaip 10 cm. Paprastai lupa laikoma arti akies, o daiktas yra židinio plokštumoje arba truputį arčiau lęšio. Tuomet į akį patenka beveik lygiagretūs spinduliai. Stebint daiktą AB, kurio aukštis h, jo matymo kampas plika akimi, esant jam padėtyje A1B1, yra o naudojant lupą, kurios židinio nuotolis F jo menamajam atvaizdui A1B1 analogiškas kampas tuomet gauname didinimą N:
Lupos didinimas paprastai neviršija dešimties kartų, nes didesnio skersmens trumpo nuotolio židinio lęšiai turi dideles aberacijas ir vaizdas tampa neryškus. Didesniam didinimui naudojami mikroskopai, o toli esančių objektų regėjimo kampui padidinti – teleskopai (žiūronai). Paprasčiausią mikroskopinę sistemą sudaro dvi trumpo židinio lęšių sistemos, atstumams tarp kuriu l daug didesnis už jų židinių nuotolius. Optinių mikroskopų didinimas siekia tūkstančius kartų. Didesnis didinimas nebetenka prasmės,nes jų skiriamąją gebą riboja bangines šviesos savybės, t.y. šviesos bangos ilgiai, kurie regimajai šviesai λ ≈ 0,5 μm. Smulkesniems objektams stebėti naudojami elektroniniai mikroskopai.toli esantiems daiktams stebėti naudojami teleskopai arba žiūronai. Jų optinė sistema taip pat sudaryta iš objektyvo ir okuliaro. Tačiau,kitaip negu mikroskopo,teleskopo atstumas tarp jų židinių yra labai mažas – objektyvo ir okuliaro židiniai beeik sutampa. Objektyvo židinio… nuotolis didesnis negu okuliaro. Teleskopas didina regėjimo kampa.
Teleskopo didinimas gali būti apibrėžtas kaip objektyvo ir okuliaro židinių nuotolių santykis.taip pat matyti, kad, norint pagaminti didelio didinimo teleskopą, reikia naudoti ilgo židinio nuotolio objektyvą ir trumpo židinio nuotolio okuliarą. Jei per teleskopą stebimi daiktai, kurių atstumas nuo teleskopo nėra didelis,tuomet okuliaras suprojektuoja atvaizdą jau nebe židinio plokštumoje,todėl objektyvą reikia truputį atitraukti nuo okuliaro.IšvadosŠviečiančių kūnų skleidimo sudėties analize parodė, kad išbarstymas pagal virpesių dažnį nedera su skleidimo dėsniais, išvestais iš banginės šviesos teorijos. Optiniu reiškiniu analizės pagrindais buvo nustatyta, kad tie iš jų, kurie susiejami su šviesos skleidimu kurioje nors erdvėje galima paaiškinti tik banginės teorijos dėka, o tie, kurie susiejami su šviesos skleidimu ir sugėrimu paaiškinami tik šviesos spinduliavimo kvantinės sudėties dėka.Literatūros sąrašas1. P. Brazdžiūnas „Bendroji fizika“ III t. , Valstybinė politinės ir mokslinės literatūros leidykla,Vilnius 1963, p. 106-124, 206-2232. B. Martinėnas, J. Kaulakys, J.Jakimavičius „Fizikos pagrindai“ VGTU leidykla „Technika“, Vilnius 2000, p. 77-843. Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов «Физика», издательство «Наука», Москва 1987, р. 330-3504. И.В. Совельев «Курс общей физики»II t., издательство «Наука», Москва 1989, p. 413-417