Transcript laineoptika

FÜÜSIKA V
Töökorraldus
• Esmalt tutvustan loengu vormis teemade teoreetilisi
aspekte. (Hoiatan ette, et käsitlen teemasid sisulisemalt kui
õpikus, mistõttu loengutel aktiivselt osalemine tuleb kasuks)
• Paralleelselt käsitletavate teemadega lahendame
ülesandeid, kui võimalik, siis teeme ka laboratoorseid töid
(ülesannete tekstid saate trükitult, palun need säilitada)
• Valemeid ei ole vaja pähe õppida. Saate valemete lehed,
palun ka need säilitada
• Mõne teema puhul valmistan ette elektroonilised töölehed,
nende täitmine enne kontrolltööd on kohustuslik (NB! Palun
mulle avalikustada oma e-posti aadressid. Minu omad on
[email protected] või [email protected])
• Enam kui 1/3 tundidest põhjuseta puudunutele kursuse
hinnet välja ei panda.
Kursuse hindamine
• Kursuse hinne pannakse välja jõuluvaheaja alguseks.
• Kursuse hinne kujuneb 3-4 kontrolltöö hinde koondina. Kõigi
kontrolltööde tegemine on kohustuslik!
• Kontrolltööst informeerin teid vähemalt 1 nädal ette, annan
kordamisküsimused ja kordamisülesanded. Vähemalt ühe
kontrolltöö eelse tunni kulutame konsultatsioonile.
• Töös küsin täpselt neidsamu küsimusi ja samatüübilisi
ülesandeid.
• Kontrolltöö ülesannete punktikaal on teada. Hindamise
skaala: 90 ... 100% - „5“; 75 ... 89% - „4“; 45 ... 74% - „3“; 20
... 44% - „2“; 0 ... 19% - „1“
• Kõik kontrolltööst põhjuseta puudujad saavad
automaatselt hinde „1“
Kursuse hindamine
• UUENDUS! Mitterahuldavaid hindeid EI OLE VÕIMALIK jooksvalt
parandada.
• KONTROLLTÖÖD saavad järgi vastata AINULT PÕHJUSEGA
puudujad.
• Reeglina toimub järlevastamine füüsikatunni ajal. Soovi korral ka
hommikuti va kolmapäev. Kolmapäeviti 10. tund!!
• Kursuse lõpus on tervet kursuse materjali hõlmav ARVESTUSTÖÖ.
See on KOHUSTUSLIK nendele, KELLEL on KAKS või enam
MITTERAHULDAVAT HINNET.
• ARVESTUSTÖÖD VÕIVAD soovi korral TEHA ka need, kes TAHAKSID
oma KURSUSEHINNET PARANDADA.
• Arvestustöö hinde kaal on kursuse hindest 50%
• Arvestustöö koostamisel võtan näidiseks füüsika riigieksami vormi st
selle sooritamisel eeldan kursusel õpitu mõistmist, mitte pähe
õpitud teksti ettekandmist
Kursuse sisu
I. LAINEOPTIKA
•
•
•
•
•
•
•
•
Valgus kui elektromagnetlaine
Valguse sirgjooneline levimine. Vari
Fotomeetria
Valguse peegeldumine
Valguse murdumine
Kujutised. Peeglid. Läätsed
Valguse dispersioon. Värvid. Spektrid
Difraktsioon. Interferents. Polarisatsioon
Kursuse sisu
II. KVANTOPTIKA
• Valguse kiirgumise ja neeldumise iseärasused
• Valguseosakesed – footonid
• Valguse rõhk
• Fotoefekt
• Comptoni efekt
• Valguse teke. Vabakiirgus, sunnitud kiirgus
• Laserid
• Valguse dualistlik käsitlus
Kursuse sisu
III. AINE EHITUSE KAASAEGNE KÄSITLUS
• Aatomi siseehitus
• Spektraaljooned
• Kvantmehhaanika põhitõed
• Molekulid ja kristallid
• Metallid, pooljuhid, dielektrikud
Kursuse sisu
IV. RELATIIVSUSTEOORIA
• Kiiruse relatiivsus klassikalises mehhaanikas
• Kiiruste liitmine ja valguse kiirus
• Einsteini postulaadid
• Aegruum. Samaaegsuste relatiivsus
• Aja dilatatsioon. Pikkuse kontraktsioon.
• Relativistlik kiiruste liitmine
• Massi sõltuvus keha liikumiskiirusest
• Massi ja energia vaheline seos
Kursuse sisu
V. TUUMA- JA ELEMENTAAROSAKESTE FÜÜSIKA
•
•
•
•
•
Tuumade ehitus
Radioaktiivsus
Tuumareaktsioonid (lõhustumine ja süntees)
Tuumapomm, tuumareaktor
Vesinikupomm, termotuumareaktor, tähtede
energiaallikad
•
Tugev ja nõrk vastastikmõju
•
Leptonid ja kvargid
•
Värvilaengud
•
Anti- ja vaheosakesed
•
Kosmilised kiired. Osakeste detektorid
NB! Võib juhtuda, et V teema jääb järgmisse kursusesse
LAINEOPTIKA
Füüsika V
LAINEOPTIKA
VALGUSE OLEMUS. VALGUSE LEVIMINE
Valgus – osake või laine?
Kuidas on võimalik panna kella eemalt helisema?
Kella helistamiseks tuleb...
... visata kella millegagi so kanda keskkonnas edasi ainet – keha
kineetiline energia läheb kellale üle või
... mõjutada kellatila nööri kaudu so kanda keskkonnas edasi
võnkumise energiat e tekitada laine – laine energia läheb kellale üle.
• Valgus on energia edasikandumine ruumis, sest valguse kätte
jäävad kehad soojenevad (suureneb siseenergia) ja pleekuvad
(muutub keemiline energia)
• Valguse olemuse kohta tekkis 17. sajandil paralleelselt kaks
teooriat
• Isaac Newton oletas, et valgus on valgusallikast igas suunas
väljuvate osakeste voog (valgus on erilise „valgusaine“
edasikandumine ruumis)
• Christiaan Hygens [höihens] oletas, et valgus on eriliste lainete
voog, mis levib ruumi täitvas ja kõikidesse kehadesse tungivas
keskkonnas – eetris.
Kumb siis ikkagi – osake või laine?
• Teooriad eksisteerisid pikka aega kõrvuti, valdav enamus teadlastest
toetas Newtonit, sest tema autoriteet oli tol ajal lihtsalt suurem.
• Mõlemal teoorial olid oma nõrkused:
• korpuskulaarteooriaga oli keeruline selgitada seda miks erinevate
valgusallikate valguskiired üksteist ei mõjuta (osakesed peaksid ju
üksteisega põrkuma)
• laineteooriaga oli keeruline seletada valguse sirgjoonelist levimist
(merelained ju kanduvad ka kivide taha...)
• XIX. sajandi alguses avastati elektromagnetlained (Maxwell) ja
tõestati, et valgus on nende erijuht – levimisel käitub valgus
lainena.
• XX. sajandi alguses avastati, et valguse kiirgumisel ja neeldumisel
käitub valgus aga hoopis osakeste voona.
• Valgus ei ole mitte „puhas“ osakeste voog või „puhas“
elektromagnetlaine, vaid valgusel on korraga mõlemad omadused
– öeldakse, valgusel on dualistlik iseloom.
Lainefront
• Vaatlustega tehti kindlaks, et valgus on
elektromagnetlaine, mille lainepikkus on 380 nm ...
760 nm
• Füüsika osa, mis kirjeldab valguse levimist ruumis
elektromagnetlainena nimetatakse LAINEOPTIKAKS
• Valgus levib ruumis lõpliku kiirusega – valgusallika
„süttimisest“ kuni tema jõudmiseni mingisse
ruumipunkti kulub mingi ajavahemik
• Pinda, mis eraldab ruumi seda osa, kuhu valgus on
jõudnud osast, kus valgust veel ei ole, nimetatakse
lainefrondiks.
• Sõltuvalt pinna kujust liigitatakse laineid
• keralaineteks ja
• tasalaineteks.
Valguskiir
• Valguslaine levimise kirjeldamiseks on
võetud kasutusele valguskiire mõiste.
• Valguskiir on mõtteline joon, mis näitab
valguslaine levimissuunda ruumis
• Homogeenses keskkonnas on valguskiired
alati sirgjooned
• Igapäevaelus saame jälgida mitte valguskiiri
vaid valgusvihkusid ehk valguskiirte kimpe.
Valgusvihkusid on kolme liiki:
• Koonduv valgusvihk
• Hajuv valgusvihk
• Paralleelne valgusvihk
VARI
Piirkond, kuhu ei
lange valgust
Väike
valgusallikas
Suur läbipaistmatu
keha
MITME VALGUSALLIKA
VARJUD
Sinise valgusallika
varjupiirkond
Punase valgusallika
varjupiirkond
Mõlema valgusallika
varjupiirkond
TÄIS- JA POOLVARI
• Sellist varjupiirkonda, kuhu ei lange ühegi valgusallika
valgust, nimetatakse TÄISVARJUKS
• Seda varjupiirkonda, kuhu valgusallika valgus langeb ainult
osaliselt või kuhu langeb ainult osade valgusallikate valgus,
nimetatakse POOLVARJUKS
SUURE VALGUSALLIKA VARI
PV
TV
PV
PV
Mida näeme täis- ja poolvarju
alas (suur valgusallikas)?
Poolvari
Täisvari
Rõngakujuline poolvari
Kuuvarjutus
Kuuvarjutuse kulgemine
(27.10.2004; Hockley, Texas, USA)
21.18
21.22
21.45
21.24
21.40
21.27
21.33
21.28
21.30
Päikesevarjutus
Fotosid päikesevarjutusest
Päikesevarjutused Eestis
• Päikesevarjutus on suhteliselt haruldane
loodusnähtus.
• Viimane täielik päikesevarjutus oli
22.07.1990, sellest eelmine 21.08.1914, üleeelmine 3.05.1715
• Järgmine täielik päikesevarjutus on Eestis
nähtav 16.10.2126
• Vt ka NASA tabelit päikesevarjutuste toimumiste kohta Maailmas:
http://eclipse.gsfc.nasa.gov/eclipse.html
Füüsika V
LAINEOPTIKA
VALGUSE PEEGELDUMINE.
VALGUSE MURDUMINE.
Valgus keskkondade
lahutuspinnal
Kui valgus pöördub tagasi
samasse keskkonda, siis
nimetatakse nähtust valguse
peegeldumiseks
I KESKKOND
Keskkondade lahutuspind
Valgus muudab keskkondade
lahutuspinnal oma levimise
suunda.
Kui valgus läbib lahutuspinna ja
muudab levimissuunda, siis
nimetatakse nähtust valguse
murdumiseks
Lahutuspinna ristsirge
II KESKKOND
I KESKKOND
Valguse peegeldumisseadus
I KESKKOND
Langev
kiir
Langemisnurk α
Peegeldumisnurk β
Peegeldunud
kiir
Keskkondade lahutuspind
Valguse langemisnurk on
alati võrdne valguse
peegeldumisnurgaga
α=β
Lahutuspinna ristsirge
II KESKKOND
Keskkonna murdumisnäitaja
• Mõõtmised näitavad, et valgus liigub erinevates
läbipaistvates keskkondades erineva kiirusega
• Kõige suurema kiirusega (c=300 000 km/s) liigub
valgus vaakumis, teistes keskkondades liigub valgus
aeglasemalt.
• Füüsikalist suurust, mis iseloomustab mitu korda
on valguse kiirus selles keskkonnas väiksem valguse
kiirusest vaakumis, nimetatakse keskkonna
absoluutseks murdumisnäitajaks
n = c/v,
kus n – keskkonna absoluutne murdumisnäitaja, c =
3·108 m/s – valguse kiirus vaakumis; v – valguse kiirus
keskkonnas (m/s)
Valguse murdumisseadus
Langev
kiir
Langemisnurk α
I KESKKOND,
murdumisnäitaja n1
𝒏𝟐 𝐬𝐢𝐧 𝜶
=
𝒏𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝜷 Keskkondade lahutuspind
Keskkondade
murdumisnäitajad on
pöördvõrdelises
seoses langemis- ja Murdumisnurk γ
murdumisnurga
siinustegaLahutuspinna ristsirge
II KESKKOND,
murdumisnäitaja n2
Murdunud
kiir
Murdumisseadus
Kuna n1=c/v1 ja n2=c/v2 ja kehtib seos
𝒏𝟏 𝒔𝒊𝒏𝜶
=
𝒏𝟐 𝒔𝒊𝒏𝜸
siis kehtib ka
𝒗𝟏 𝐬𝐢𝐧 𝜶
=
𝒗𝟐 𝐬𝐢𝐧 𝜷
kus n1 ja n2 – vastavalt I ja II keskkonna murdumisnäitajad; v1 ja v2 – vastavalt valguse kiirused I ja II
keskkonnas; α – langemisnurk; γ - murdumisnurk
Suhteline murdumisnäitaja
• Kahe keskkonna vaheline suhteline murdumisnäitaja
(n12) iseloomustab seda mitu korda erineb valguse
kiirus esimeses (v1) keskkonnas valguse kiirusest teises
keskkonnas (v2).
𝒏𝟏𝟐
𝒗𝟏
=
𝒗𝟐
• Valguse murdumisseaduse saab sõnastada ka suhtelise
murdumisnäitaja kaudu:
𝐧𝟏𝟐
𝐬𝐢𝐧𝛂
=
𝐬𝐢𝐧𝛄
35
Läätsed
Läätse mõiste
Läätsed on kumerate ja nõgusate
pindadega piiratud läbipaistvad kehad,
mille murdumisnäitaja erineb ümbritseva
keskkonna omast.
KLAASPLAAT
Sõltuvalt läätse välispindade
kujust liigitatakse läätsi
kumer- ja nõgusläätsedeks
Kumerläätsed
• Kumerläätsed on servadelt õhemad ja keskelt
paksemad:
kaksikkumerlääts
tasakumerlääts
nõguskumerlääts
Nõgusläätsed
• Nõgusläätsed on servadelt paksemad ja
keskelt õhemad:
kaksiknõguslääts
tasanõguslääts
kumernõguslääts
nõguskumerlääts
kumernõguslääts
Läätse põhiomadus
Läätse põhiomaduseks on
koondada või hajutada valgust.
Koondav lääts
Koondavas läätses muutub
paralleelne valgusvihk koonduvaks
Hajutav lääts
Hajutavas läätses muutub paralleelne
valgusvihk hajuvaks
Läätse kirjeldamine
Läätse pinnakumeruste keskpunkte
ühendavat sirget
nimetatakse läätse
peateljeks
Fookuse kaugust läätsest nimetatakse
fookuskauguseks
Punkti läätse
peateljel, kus
paralleelne
valgusvihk koondub,
nimetatakse läätse
fookuseks
Kumerlääts/koondav lääts
Koondav
lääts
F
F
Läätse fookused
Läätse peatelg
Fookuskaugus
Fookus
Peatelg
Nõguslääts/hajutav lääts
Hajutav
lääts
F
F
Läätse fookused
Läätse peatelg
Kiirte käik koondavas
(kumeras) läätses
F
F
Kiir, mis langeb läätsele
paralleelselt optilise peateljega
murdub ning läbib seejärel
läätse fookuse
F
F
Kiir, mis langeb läätse
keskpunkti, läheb läätsest
murdumata läbi
Kujutise konstrueerimine
koondavas läätses
Kujutise konstrueerimiseks on tarvis valida vähemalt kaks kiirt:
I. Kiir, mis langeb läätsele paralleelselt peateljega, murdub ja läbib
läätse fookust
II. Kiir, mis langeb läätse keskpunkti, läheb läätsest murdumata läbi
III. Kiir, mis langeb läätsele läbi fookuse murdub ja jätkab levimist
paralleelselt läätse peateljega
59
Kiirte käik hajutavas
(nõgusas) läätses
F
F
Kiir, mis langeb läätsele
paralleelselt optilise peateljega
murdub selliselt, et tema
pikendus läbiks läätse fookust
F
F
Kiir, mis langeb läätsele
paralleelselt optilise peateljega
murdub ning läbib seejärel
läätse fookuse
Kujutise konstrueerimine
hajutavas läätses
Kujutise konstrueerimiseks on tarvis valida vähemalt kaks kiirt:
I. Kiir, mis langeb läätsele paralleelselt peateljega, murdub
selliselt, et tema pikendus läbiks läätse fookust
II. Kiir, mis langeb läätse keskpunkti, läheb läätsest murdumata läbi
III. Kiir, mis langeb läätsele fookusesihis murdub ja jätkab levimist
paralleelselt läätse peateljega
69
NB! Kujutis tekib ühest
ja samast punktist
lähtunud murdunud
kiirte (või nende
pikenduste)
lõikepunktis