III. FENOMENE OPTICE

III.1. Introducere în optică

III.1.1. Surse de lumină. Corpuri luminate.

OPTICA studiază lumina și fenomenele suferite de lumină.

Definiţie

Sursele de lumină sunt corpurile care produc şi răspândesc lumină.

Clasificarea surselor de lumină:

a) Surse de lumină naturale: Soarele, stelele, fulgerul și trăsnetul, licuricii, vulcanii activi etc.

b) Surse de lumină artificiale (produse de om): becul, tubul fluorescent (neonul), flacăra, laserul etc.

Definiţie

Corpurile luminate sunt corpurile care primesc lumină de la sursele de lumină şi împrăştie în jurul lor o parte din lumina primită.

Clasificarea corpurilor luminate:

1) Corpuri transparente sunt corpurile care lasă să treacă toată lumina prin ele și putem vedea clar prin ele.

Exemple:

  • aerul;

  • sticla;

  • apa.

2) Corpuri translucide sunt corpurile care lasă să treacă parțial lumina prin ele și vedem neclar prin ele.

Exemple:

  • sticla mată (cea cu diferite modele, cum este cea de la geamul de baie);

  • apa cu puțin lapte sau praf de cretă, ceața, fumul, hârtia îmbibată cu ulei;

  • hârtia de copt;

  • hârtia de calc etc.

3) Corpurile opace (mate) sunt corpurile care nu lasă să treacă lumina prin ele și nu putem vedea prin ele.

Exemple (marea majoritate a corpurilor din natură sunt opace):

  • corpul omenesc;

  • planetele;

  • toate metalele;

  • lemnul;

  • cauciucul;

  • porțelanul;

  • cartonul;

  • hârtia etc

Să observăm:

Privește imaginile următoare și scrie în dreptul fiecăreia ce fel de sursă este (naturală/artificială).

1) ........................

2) ........................

3) ........................

4) ........................

5) ........................

6) ........................

7) ........................


Să observăm:

Privește imaginile următoare și scrie în dreptul fiecăreia felul corpului (transparent/translucid/opac)

8) ........................

9) ........................

10) ........................

11) ........................

12) ........................

13) ........................

14) ........................



III.1.2. Propagarea luminii. Dispersia luminii. Culoarea corpurilor.

Experiment

1. Dispersia luminii și curcubeul

Materiale necesare: prismă optică (CD sau DVD), lumină solară (bec cu incandescență)

Modul de lucru:

  • Așază prisma optică în dreptul razelor de lumină și rotește prisma până apare un curcubeu.
Observație

Lumina provenită de la Soare (bec) este albă, iar când iese din prismă este colorată în culorile curcubeului.

Concluzia experimentului:

Lumina albă este descompusă de prismă în cele șapte lumini ale curcubeului.

Dacă privești suprafața unui CD poți observa culorile curcubeului.

Definiție

Fenomenul de descompunere a luminii albe în spectrul culorilor componente ale curcubeului se numește dispersia luminii.

Descompunerea luminii albe se poate observa și pe suprafața baloanelor de săpun.

Culorile curcubeului se rețin ușor cu acronimul:



Observație

Curcubeul este un arc multicolor care apare pe cer datorită dispersiei luminii Soarelui pe picăturile de apă din aer.

Pentru a se forma curcubeul trebuie să apară Soarele după ploaie și Soarele să fie aproape de linia orizontului (după răsărit sau înainte de apus).


Experiment

2. Un curcubeu la tine în grădină

Materiale necesare: pulverizator cu apă (furtun cu apă), lumină solară de vară.

Modul de lucru:

  • Într-o după-amiază însorită, înainte de apus, așază-te cu spatele la Soare și pulverizează în aer picături fine de apă până apare un curcubeu.
Observație

Picăturile de apă din aer se comportă ca o prismă optică descompunând lumina albă a Soarelui în culorile curcubeului.


Experiment

3. Compunerea culorilor curcubeului în lumină albă

Materiale necesare: titirez (motoraș electric cu baterie), hârtie albă, compas, raportor, creioane colorate.

Atenție

Atenție când lucrezi cu obiecte ascuțite!

Modul de lucru:

  • Desenează un cerc pe foaia albă.

  • Împarte discul în şapte sectoare, fiecare având unghiul la centru de 51º (360 º : 7 ~ 51º).

  • Colorează cele şapte sectoare în culorile curcubeului. Pentru culoarea indigo, dă mai întâi cu creionul albastru şi apoi cu creionul negru.

  • Așază discul colorat pe titirez și învârte titirezul (dacă ai un motoraş, poţi pune discul colorat pe axul motoraşului şi să alimentezi motoraşul la o baterie electrică).

Observație

Când discul colorat în culorile curcubeului se învârte, ochiul nostru vede discul alb.

Concluzia experimentului:

Cele şapte culori ale curcubeului, prin compunere, dau lumina albă.

Corpurile din natură au diferite culori, în funcție de ce culori absorb ele din spectrul culorilor curcubeului (ROGVAIV).

important

Corpurile opace absorb toate culorile din ROGVAIV, cu excepția culorii lor, pe care o reflectă în toate direcțiile.

De exemplu un corp opac albastru absorbe toate culorile ROGVAIV și împrăștie în jur numai culoarea albastră.



Corpurile negre absorb toate culorile și nu reflectă nicio culoare.



Corpurile albe nu absorb nicio culoare și reflectă toate cele șapte culori ale curcubeului.



Corpurile transparente colorate lasă să treacă prin ele doar culoarea lor și absorb toate celelalte culori din ROGVAIV.

Aplicații

Filtrele colorate sunt folosite la:

  1. Reflectoarele din teatru
  1. Vitraliile ferestrelor.
  1. Becurile colorate.

Experiment

4. Culoarea corpurilor și absorbția luminii

Materiale necesare: corpuri opace colorate, corpuri transparente colorate, sursă de lumină albă ( Soare, lanternă ).

Modul de lucru (Partea 1):

  • Luminează un corp opac colorat.

  • Ce observi ?

Observație Partea 1

Corpul opac colorat împrăștie culoarea lui și absorbe toate celelalte culori.

Modul de lucru (Partea 2):

  • Luminează un corp transparent colorat.

  • Ce observi?

Observație Partea 2

Corpul transparent colorat lasă să treacă prin el numai culoarea sa, restul culorilor le absoarbe.


Experiment

5. De ce se schimbă culoarea cerului?

Materiale necesare: vas mare din sticlă transparent, lanternă, apă, lapte .

Modul de lucru (Partea 1):

  • Umple vasul cu apă și adaugă câteva picături de lapte.

  • Luminează suprafața apei de sus și privește deasupra apei.

  • Ce observi?

Observație Partea 1

Apa luminată și privită de sus are culoare albăstruie.

Modul de lucru (Partea 2):

  • Luminează apa din vas pe un perete lateral și privește apa din partea opusă lanternei.

  • Ce culoare are apa ?

Observație Partea 2

Apa luminată lateral are culoare rozalie-portocalie.

Concluzia experimentului:

Cerul își schimbă culoarea deoarece lumina este dispersată de aerul atmosferic în mod diferit în funcție de poziția Soarelul pe bolta cerească.

Când Soarele este sus pe cer (la orele amiezii), el apare alb strălucitor și cerul este albastru (când este senin).

Când Soarele este aproape de linia orizontului (la răsărit sau la apus), el apare roșu și cerul este roz, roșu, portocaliu (doar aceste culori sunt împrăștiate de aer din tot spectrul de culori).



III.1.3. Principiile propagării luminii. Rază de lumină. Fascicul de lumină.

Optica geometrică studiază legile propagării luminii și formarea imaginilor obiectelor în diferite sisteme optice (oglinzi, lentile etc.), fără să țină cont de natura luminii.

Experiment

6. Cum se propagă lumina?

Materiale necesare: lanternă, corp.

Modul de lucru:

  • Luminează cu lanterna un pieptene.

  • Ce observi ?

Observație

La ieşirea din pieptene lumina apare sub formă de linii drepte, intercalate cu linii întunecate.

Concluzia experimentului:

La ieşirea din pieptene lumina apare sub formă de linii drepte.

Unde sunt dinţii pieptenului se formează umbra lor, deoarece lumina nu poate să-şi schimbe direcţia de propagare pentru a ocoli obstacolele.

Deci, lumina se propagă în linie dreaptă.

important

Raza de lumină indică direcția de propagare a luminii și se desenează printr-o linie dreaptă cu o săgeată care să indice sensul de propagare.

Observație

Chiar dacă lumina se propagă pe o anumită direcție în ambele sensuri, noi îi punem săgeată pentru a-i arăta sensul de propagare care ne interesează.

important

Un grup de mai multe raze de lumină învecinate care suferă aceleași fenomene optice formează un fascicul de lumină.

important

Clasificarea fasciculelor de lumină:

a) Fascicul paralel, în care toate razele sunt paralele.



b) Fascicul convergent, în care razele se întâlnesc într-un punct.



c) Fascicul divergent, în care razele pleacă din același punct și se îndepărtează unele de altele.


Experiment

7. Principiul independenței razelor de lumină

Materiale necesare: 2 lasere.

Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!

Modul de lucru:

  • Așază cele două lasere pe masă astfel încât razele lor să se intersecteze.

  • Ce se întâmplă cu direcția celor două raze după intersecția lor ?

Observație

După intersecția razelor de lumină, ele își continuă drumul în linie dreaptă.

Concluzia experimentului:

Propagarea unei raze de lumină este independentă de propagarea altor raze.

Principiile opticii geometrice

I. Principiul propagării rectilinii a luminii:

”Lumina se propagă prin mediile transparente și omogene în linie dreaptă, adică rectiliniu.”

Principiile opticii geometrice

II. Principiul reversibilității razelor de lumină:

”Lumina se propagă pe aceeași direcție în ambele sensuri.”

Principiile opticii geometrice

III. Principiul independenței razelor de lumină:

”O rază de lumină nu își modifică direcția de propagare în urma intersecției cu alte raze, adică ea are o propagare independentă de acțiunea altor raze.”



III.2. Reflexia luminii.

III.2.1. Reflexia luminii. Legile reflexiei.

Experiment

8. Legile reflexiei luminii

Materiale necesare: oglindă plană, raportor, laser.

Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!

Modul de lucru:

  • Aşază oglinda pe verticală.

  • La baza oglinzii poziţionează pe orizontală (pe podea) raportorul, având punctul 0 la mijlocul oglinzii.

  • Trimite fasciculul laser sub un anumit unghi pe oglindă, în punctul zero (laserul se aşează şi el tot pe podea, înclinându-i puţin vârful pentru a vizualiza raza reflectată).

  • Aşază rigla pe direcţia razei reflectate de oglindă şi citeşte unghiul de reflexie.

Observație

Unghiul sub care se trimite spre oglindă fasciculul iniţial (unghi de incidență) este egal cu unghiul sub care se întoarce lumina (unghi de reflexie) faţă de normală.

Concluzia experimentului:

Lumina se reflectă cu acelaşi unghi (unghi de reflexie) cu care raza iniţială a ajuns la oglindă (unghi de incidenţă). Pe o suprafaţă şlefuită (cum este oglinda), lumina se reflectă în mod ordonat, respectând această lege.

Definiție

Reflexia luminii este fenomenul în care lumina se întoarce în primul mediu, cu schimbarea direcţiei de propagare, atunci când ea întâlneşte un alt mediu (suprafaţa de separare dintre două medii optice diferite).

Legile reflexiei

Legea I:

Raza incidentă, normala și raza reflectată sunt coplanare (aparțin aceluiași plan).

Legile reflexiei

Legea a II a:

Unghiul de incidență(i) este egal cu unghiul de reflexie(r).

Observație

Când raza de lumină cade perpendicular pe suprafața de separare, raza reflectată se întoarce în primul mediu pe același drum, adică este singurul caz când nu își schimbă direcția de propagare.

Aplicarea legilor reflexiei

Pentru a desena raza care suferă fenomenul de reflexie (raza reflectată) trebuie să parcurgem următoarele etape:

  • Desenăm suprafața de separare dintre cele două medii diferite și le notăm. Primul mediu (I) se consideră mediul unde se află sursa de lumină

  • Cu o linie punctată se desenează perpendiculara pe această suprafață de separare, numită normala la suprafața de separare și notată cu NI, unde I este punctul de incidență, unde cade raza provenită de la sursa S(raza incidentă=SI)

  • Se măsoară cu raportorul unghiul dintre normală (NI) și raza incidentă (SI), numit unghi de incidență, notat cu i.

  • Se măsoară un unghi egal cu i în partea dreaptă a normalei și se conturează raza reflectată (RI) și se notează și unghiul de reflexie, r

Notații (legenda) pentru desenul de la reflexia luminii :

SI = raza incidentă

RI = raza reflectată

NI = normala la suprafața de separare

i = unghi de incidență

r = unghi de reflexie



III.2.2. Oglinzile – aplicații ale reflexiei luminii.

important

Oglinzile sunt corpuri netede și lucioase, în care lumina se reflectă.

Observație

Imaginea obiectului (im ob) se formează în oglindă prin fenomenul de reflexie, respectând legile acesteia.

Dacă oglinda nu este netedă (nu este bine șlefuită) are loc o reflexie difuză a luminii (reflexie dezordonată) și nu se formează imaginea obiectului.

Oglinzile se obțin prin depunerea unui strat subțire de metal (argint sau aluminiu) pe o suprafață de sticlă ( obișnuită sau de cristal).

Atenție

Acest experiment se efectuează numai de către profesori!

Clasificarea oglinzilor

1) Oglinzile plane au suprafața plană (dreaptă) și sunt cele pe care le avem cu toții acasă și în care ne uităm zilnic.

Iată simbolul ei (partea din spate care nu reflectă lumina se hașurează)

Aplicații ale oglinzilor plane

În oglinda plană îţi vezi “dublura” (imaginea) care te priveşte din spatele oglinzii, imitându-ţi mişcările și sunt cele pe care le avem cu toții acasă și în care ne uităm zilnic.

Clasificarea oglinzilor

2) Oglinzi sferice care la rândul lor sunt de două feluri:

  • a) Oglinzile concave reflectă cu partea interioară, scobită a suprafeței sferice (adică au partea lucioasă pe partea interioară a sferei). Ele transformă un fascicul de lumină paralel într-unul convergent.
Aplicații ale oglinzilor concave
  • în cosmetică (la machiat, la pensat);
- la construcţia reflectoarelor (lanterne);- la construcţia reflectoarelor (faruri);
  • oglinzi stomatologice.
Clasificarea oglinzilor
  • b) Oglinzile convexe reflectă cu partea exterioară, bombată a suprafeței sferice (adică au partea lucioasă pe partea exterioară a sferei). Ele transformă un fascicul de lumină paralel într-unul divergent.
Aplicații ale oglinzilor convexe

Ele sunt folosite ca oglinzi retrovizoare deoarece dau o vedere amplă a zonei din spatele lor.

Aplicație a fenomenului de reflexie

Formarea imaginii unui obiect într-o oglindă plană :

  • Se desenează oglinda plană pe verticală.

  • Se trasează prin mijlocul oglinzii axa optică principală, perpendiculară pe oglindă ( pe orizontală ).

  • Se desenează obiectul AB sub forma unui segment cu săgeată, în fața oglinzii.

  • Se duce prima rază din vârful obiectului (B) perpendiculară pe oglindă și se prelungește punctată în spatele oglinzii ( fiind perpendiculară pe suprafața oglinzii nu își schimbă direcția de propagare când se reflectă ).

  • Se duce a doua rază din vârful obiectului (B) oblică pe oglindă se trasează raza reflectată a acesteia, respectând legile reflexiei ( unghiul i = unghiul r )

  • Se prelungește punctată în spatele oglinzii raza reflectată, până se întâlnește cu prelungirea primei raze. Punctul de intersecție al lor se notează cu B', care reprezintă vârful imaginii obiectului în oglindă.

  • Din punctul B' se duce perpendiculară pe axa optică principală, iar piciorul perpendicularei se notează cu A' și reprezintă baza imaginii obiectului în oglindă. Se pune vârful săgeții în B'.

Caracterizarea imaginii ( A'B' ) obiectului în oglinda plană :

  • Im. A'B' este la fel de mare ca ob. AB.

  • Este dreaptă.

  • Imaginea este virtuală, deoarece se formează la intersecția prelungirilor razelor reflectate (ea nu poate fi prinsă pe ecran sau film foto).

  • Ob. AB și im. A'B' sunt simetrice față de oglindă (imaginea se formează în spatele oglinzii, la aceeaşi distanţă faţă de oglindă ca şi obiectul).



III.2.3. Extindere: Aplicații ale legilor reflexiei luminii în tehnologie

Aplicații

Oglinzile a căror funcționare se bazează pe legile reflexiei, au numeroase aplicații în tehnologie:

1) Televizor LCD ( cu cristale lichide ) are în componența sa o oglindă reflectorizantă.

2) Proiector LCD are la bază un dispozitiv optic format dintr-un număr foarte mare de microoglinzi.

3) Centrală solară cu turn are la bază un număr foarte mare de oglinzi care se orientează automat după poziția Soarelui pe cer. Ele reflectă lumina către un absorbant ce încălzește apa dintr-un cazan ce produce abur sub presiune.

4) Telescopul Hubble este plasat pe o orbită în jurul Pământului și poziționat în afara atmosferei terestre. De la lansarea lui în 1990 a devenit unul dintre cele mai importante instrumente din istoria astronomiei. Cu el astronomii au făcut numeroase observații, care au dus la importante descoperiri în astrofizică.

Oglinzile telescoapelor trebuiau realizate cu o precizie de șlefuire de 1/20 din lungimea de undă specifică luminii vizibile, aproximativ 30 nanometri (30 de miliardimi de metri).


Experiment

9. Cum construim un periscop

Materiale necesare: 2 oglinzi plane, carton, echer dreptunghic isoscel,cuțit, foarfece, scotch

Atenție

Atenție la manipularea cuțitului, foarfecelor și a celor două oglinzi de sticlă !

Modul de lucru:

  • Decupează dintr-un carton un dreptunghi .

  • Marchează cu ajutorul echerului pozițiile celor două oglinzi, astfel încât să aibă o înclinare de 45° față de marginile de jos, respectiv de sus a cartonului.

  • Decupează cu cuțitul și cu foarfeca locul unde vei plasa oglinzile, respectiv două dreptungiuri ( prin cel de jos vei privi, iar prin cel de sus intră lumina).

  • Aşază oglinzile în lăcașele decupate și prinde cu scotch periscopul.

  • Privește prin fereastra de jos a periscopului.

  • Ce observi ?

Observație

Privind prin fanta de jos văd obiectele aflate la nivelul fantei de sus.

Concluzia experimentului:

Periscopul este un instrument optic alcătuit din lentile, oglinzi și/sau prisme cu ajutorul căruia se pot efectua observații între două niveluri diferite ca înălțime (tranșee, dintr-un submarin etc).

În domeniul naval periscopul este folosit de submarine pentru a da posibilitatea acestora să supravegheze situația de la suprafața apei, fără a fi văzut.



III.3. Refracția luminii

III.3.1. Indicele de refracție

În vid lumina se propagă cu viteza de 300.000.000 m/s și se notează cu litera "c " și nu cu "v", ca la viteză. Cu "v" notăm viteza luminii în celelalte medii (substanțe transparente). În alte medii viteza de propagare a luminii este mai mică.

Deci lumina își schimbă viteza de propagare în funcție de mediul traversat.

Viteza luminii este cea mai mare viteză cunoscută până acum. Dacă am reuși să ne deplasăm cu viteza luminii, într-o secundă am ajunge în America și ne-am și întoarce, adică ne-am putea teleporta. Dar suntem încă departe de acestă viteză. Cea mai mare viteză este a unei rachete cosmice, care pentru a se desprinde de gravitația Pământului are o viteză de 40.000 km/h.

Indicele de refracție (notat cu n) al unui mediu transparent este dat de raportul dintre viteza luminii în vid (c) și viteza luminii în mediul repectiv (v).

Observați că indicele de refracție nu are unitate de măsură, spunem că este o mărime adimensională, deoarece este raportul a 2 mărimi identice(viteze) și se simplifică unitățile lor de măsură. Indicele de refracție este o constantă de material, care se ia dintr-un tabel, fiind specific fiecărei substanțe transparente(vezi tabelul de mai jos.



Problemă model

1) Să se calculeze indicele de refracție al apei, știind că viteza de propagare a luminii prin apă este 220.000.000 m/s. Voi trebuie să știți pe dinafară numai viteza luminii în vid.

  • Scriem datele problemei:

    • c = 300.000.000 m/s
    • v = 220.000.000 m/s
  • Scriem formula indicelui de refracție:

Problemă model

2) Să se calculeze viteza luminii prin diamant care are indicele de refracție de 2,42.

  • Scriem datele problemei:

    • c = 300.000.000 m/s
    • n = 2,42
  • Scriem formula indicelui de refracție:



  • Scoatem necunoscuta din ecuație, astfel n coboara la numitor și v urcă la numărător în partea opusă (fiind extremi pot schimba locul între ei).


III.3.2.1 Refracția luminii. Legile refracției.

Definiție

Refracția luminii este fenomenul în care lumina trece în cel de-al doilea mediu, cu schimbarea direcției de propagare, atunci când întălnește un alt mediu transparent.

Observație

Când raza de lumină cade perpendicular pe suprafața de separare, raza refractată trece în al II-lea mediu pe același drum, adică este singurul caz când nu își schimbă direcția de propagare.

Aplicații

Pentru a desena raza care suferă fenomenul de refracție (raza refractată) trebuie să parcurgem aceleași etape ca la reflexie, numai că prelungim normala și în al II-lea mediu și apoi prelungim tot punctat și raza incidentă în al II-lea mediu, ca în desenele de mai jos.

Pentru a vedea cum trece lumina în cel de-al II-lea mediu , adică cum se refractă, avem două cazuri :

Cazul I: Când n1 < n2

Adică indicele de refracție al primului mediu este mai mic decât indicele de refracție al mediului II (exemplu : aer-apă, apă- sticlă, aer-sticlă, aer-diamant, apă-diamant,etc), raza refractată se apropie de normală și unghiul de refracție(r') este mai mic decât unghiul de incidență(i).



Cazul II: Când n1 > n2

Adică indicele de refracție al primului mediu este mai mare decât indicele de refracție al mediului II (exemplu: apă-aer, sticlă-apă, sticlă-aer, diamant-aer, diamant-apă etc.), raza refractată se depărtează de normală și unghiul de refracție(r') este mai mare decât unghiul de incidență(i).

Legile refracției

Legea I a refracției:

Raza incidentă ( SI ), normala la suprafața de separare ( NI ) și raza refractată ( IR' ) sunt coplanare.

Legea a II a refracției:

Observație

Cu această formulă putem explica dispersia luminii. Fasciculele colorate ROGVAIV au viteze diferite prin prisma optică și de aceea ies din prismă sub unghiuri diferite. Violetul se propagă prin prismă cu viteză mai mică decât roșul, așa că este deviat mai tare decât roșul.

Experiment

10. Refracția luminii

Materiale necesare: semicilindru din plexiglas ( sticlă), disc Hartl, laser.

Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!

Modul de lucru:

  • Așază piesa semicilindrică pe discul Hartl astfel încât centrul ei să fie în centrul discului.

  • Urmărește mersul razei incidente și a celei de refracție, pentru diferite unghiuri de incidență. Măsoară de fiecare dată unghiul de refracție.

  • Schimbă poziția piesei semicilindrice astfel încât raza incidentă să treacă din plexiglas în aer.

  • Măsoară unghiurile de incidență și de refracție.

  • Ce observi ?


Observație

Când indicele de refracție a primului mediu este mai mic decât a celui de-al doilea mediu ( aer-plexiglas), unghiul de incidență este mai mic decât unghiul de refracție.

Când indicele de refracție a primului mediu este mai mare decât a celui de-al doilea mediu (plexiglas- aer ), unghiul de incidență este mai mare decât unghiul de refracție.


Aplicații

Lentilele (lupa, ochelarii) sunt aplicații ale fenomenului de refracție.


important

Consecințele refracției luminii au loc datorită schimbării direcţiei razei refractate faţă de direcţia razei incidente, modificând imaginea obiectelor aflate în apă:

  • Un corp aflat în apă pare rupt la suprafața apei, ca și cum partea din apă a corpului nu este în continuarea celei din aer.
  • Un corp aflat în apă este perceput de ochiul nostru mai la suprafaţă decât este el în realitate. Astfel apele limpezi sunt mult mai adânci decât par.
  • Obiectele aflate în apă par mai mari decât în realitate, apa comportându-se ca o lupă. O picătură de apă pusă pe o literă („u”) măreşte imaginea acesteia.
  • Licărirea stelelor.

Înainte de a ajunge la ochiul nostru, lumina care pornește de la o stea îndepărtată străbate atmosfera. Datorită refracției diferite a luminii, care trece prin straturi de aer mai rece sau mai cald (aerul cald refractă mai mult lumina stelei și îi schimbă mai mult direcția de propagare), nouă ni se pare ca strălucirea stelelor se schimbă mereu, adică stelele clipesc. Dar privite din spațiu cosmic ele nu clipesc, având o lumină continuă.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!





III.3.2.2. Sinteză recapitulativă – Reflexia luminii. Dispersia luminii. Culorile corpurilor. Refracția luminii. Legile refracției. Consecințele refracției.

important

Dispersia luminii. Culorile corpurilor.

Fenomenul de descompunere a luminii albe în spectrul culorilor componente, ale curcubeului, se numește dispersia luminii.

Culorile curcubeului se rețin ușor cu acronimul:



Curcubeul este un arc multicolor care apare pe cer datorită dispersiei luminii Soarelui pe picăturile de apă din aer.

Pentru a se forma curcubeul trebuie să apară Soarele după ploaie și Soarele să fie aproape de linia orizontului (după răsărit sau înainte de apus).

Cele şapte culori ale curcubeului, prin compunere, dau lumina albă.

Corpurile din natură au diferite culori, în funcție de ce culori absorb ele din spectrul culorilor curcubeului (ROGVAIV).

Corpurile opace absorb toate culorile din ROGVAIV, cu excepția culorii lor, pe care o reflectă în toate direcțiile.

De exemplu, un corp opac albastru, absorbe toate culorile ROGVAIV și împrăștie în jur numai culoarea albastră.



Corpurile negre absorb toate culorile și nu reflectă nicio culoare.



Corpurile albe nu absorb nicio culoare și reflectă toate cele șapte culori ale curcubeului.



Corpurile transparente colorate lasă să treacă prin ele doar culoarea lor și absorb toate celelalte culori din ROGVAIV.



Principiile opticii geometrice

I. Principiul propagării rectilinii a luminii: ”Lumina se propagă prin mediile transparente și omogene în linie dreaptă, adică rectiliniu.”


II. Principiul reversibilității razelor de lumină: ”Lumina se propagă pe aceeași direcție în ambele sensuri.”


III. Principiul independenței razelor de lumină: ”O rază de lumină nu își modifică direcția de propagare în urma intersecției cu alte raze, adică ea are o propagare independentă de acțiunea altor raze.”



Reflexia luminii. Legile reflexiei. Oglinzile – aplicațiile reflexiei.

Reflexia luminii este fenomenul în care lumina se întoarce în primul mediu, cu schimbarea direcţiei de propagare, atunci când ea întâlneşte un alt mediu (suprafaţa de separare dintre două medii optice diferite).

Legile reflexiei

Legea I:

Raza incidentă, normala și raza reflectată sunt coplanare (aparțin aceluiași plan).

Legea a II a:

Unghiul de incidență(i) este egal cu unghiul de reflexie(r).

Observație: Când raza de lumină cade perpendicular pe suprafața de separare, raza reflectată se întoarce în primul mediu pe același drum, adică este singurul caz când nu își schimbă direcția de propagare.

Notații (legenda) pentru desenul de la reflexia luminii :

SI = raza incidentă

RI = raza reflectată

NI = normala la suprafața de separare

i = unghi de incidență

r = unghi de reflexie




Oglinzile sunt corpuri netede și lucioase, în care lumina se reflectă.

Oglinzile se obțin prin depunerea unui strat subțire de metal (argint sau aluminiu) pe o suprafață de sticlă ( obișnuită sau de cristal).

Clasificarea oglinzilor:

  • Oglinzile plane au suprafața plană (dreaptă) și sunt cele pe care le avem cu toții acasă și în care ne uităm zilnic.


  • Oglinzi sferice care la rândul lor sunt de două feluri:

  • a) Oglinzile concave reflectă cu partea interioară, scobită a suprafeței sferice ( adică au partea lucioasă pe partea interioară a sferei). Ele transformă un fascicul de lumină paralel într-unul convergent.

Ele sunt folosite în cosmetică (la machiat, la pensat), la construcţia reflectoarelor (lanterne, faruri) și oglinzi stomatologice.



  • b) Oglinzile convexe reflectă cu partea exterioară, bombată a suprafeței sferice ( adică au partea lucioasă pe partea exterioară a sferei). Ele transformă un fascicul de lumină paralel într-unul divergent.

Ele sunt folosite ca oglinzi retrovizoare deoarece dau o vedere amplă a zonei din spatele lor.



Caracterizarea imaginii (A'B') obiectului în oglinda plană:

  • Im. A'B' este la fel de mare ca ob. AB.

  • Este dreaptă.

  • Imaginea este virtuală, deoarece se formează la intersecția prelungirilor razelor reflectate (ea nu poate fi prinsă pe ecran sau film foto).

  • Ob. AB și im. A'B' sunt simetrice față de oglindă (imaginea se formează în spatele oglinzii, la aceeaşi distanţă faţă de oglindă ca şi obiectul).



Refracția luminii. Legile refracției.

În vid lumina se propagă cu viteza de 300.000.000 m/s și se notează cu litera "c " și nu cu "v", ca la viteză. Cu "v" notăm viteza luminii în celelalte medii (substanțe transparente). În alte medii viteza de propagare a luminii este mai mică.

Deci, lumina își schimbă viteza de propagare în funcție de mediul traversat.

Indicele de refracție (notat cu n) al unui mediu transparent este dat de raportul dintre viteza luminii în vid (c) și viteza luminii în mediul repectiv (v).

Observați că indicele de refracție nu are unitate de măsură, spunem că este o mărime adimensională, deoarece este raportul a 2 mărimi identice(viteze) și se simplifică unitățile lor de măsură. Indicele de refracție este o constantă de material, care se ia dintr-un tabel, fiind specific fiecărei substanțe transparente(vezi tabelul de mai jos.




Refracția luminii este fenomenul în care lumina trece în cel de-al doilea mediu, cu schimbarea direcției de propagare, atunci când întălnește un alt mediu transparent.

Observație: Când raza de lumină cade perpendicular pe suprafața de separare, raza refractată trece în al II-lea mediu pe același drum, adică este singurul caz când nu își schimbă direcția de propagare.

Pentru a vedea cum trece lumina în cel de-al II-lea mediu, adică cum se refractă, avem două cazuri :

Cazul I: Când n1 < n2

Adică indicele de refracție al primului mediu este mai mic decât indicele de refracție al mediului II (exemplu : aer-apă, apă- sticlă, aer-sticlă, aer-diamant, apă-diamant,etc), raza refractată se apropie de normală și unghiul de refracție(r') este mai mic decât unghiul de incidență(i).



Cazul II: Când n1 > n2

Adică indicele de refracție al primului mediu este mai mare decât indicele de refracție al mediului II (exemplu: apă-aer, sticlă-apă, sticlă-aer, diamant-aer, diamant-apă etc.), raza refractată se depărtează de normală și unghiul de refracție(r') este mai mare decât unghiul de incidență(i).



Legea I a refracției:

Raza incidentă ( SI ), normala la suprafața de separare ( NI ) și raza refractată ( IR' ) sunt coplanare.

Legea a II a refracției:





Consecințele refracției luminii au loc datorită schimbării direcţiei razei refractate faţă de direcţia razei incidente, modificând imaginea obiectelor aflate în apă:

  • Un corp aflat în apă pare rupt la suprafața apei, ca și cum partea din apă a corpului nu este în continuarea celei din aer.

  • Un corp aflat în apă este perceput de ochiul nostru mai la suprafaţă decât este el în realitate. Astfel apele limpezi sunt mult mai adânci decât par.

  • Obiectele aflate în apă par mai mari decât în realitate, apa comportându-se ca o lupă. O picătură de apă pusă pe o literă („u”) măreşte imaginea acesteia.

  • Licărirea stelelor: înainte de a ajunge la ochiul nostru, lumina care pornește de la o stea îndepărtată, străbate atmosfera. Datorită refracției diferite a luminii, care trece prin straturi de aer mai rece sau mai cald (aerul cald refractă mai mult lumina stelei și îi schimbă mai mult direcția de propagare), nouă ni se pare ca strălucirea stelelor se schimbă mereu, adică stelele clipesc. Dar privite din spațiu cosmic, ele nu clipesc, având o lumină continuă.



III.3.2.3. Probleme model recapitulative – Reflexia luminii. Dispersia luminii. Culorile corpurilor. Refracția luminii. Legile refracției. Consecințele refracției.

Probleme model recapitulative – Reflexia luminii. Dispersia luminii. Culorile corpurilor. Refracția luminii. Legile refracției. Consecințele refracției.

1) O rază de lumină provenită din aer mediu cu n = 1 cade sub un unghi de incidență de 45° pe suprafața altui mediu. Știind unghiul de refracție de 30°, se cere:

a) Cât este unghiul de reflexie?

b) Cât este indicele de refracție al celui de-al doilea mediu ?

c) Desenul fenomenului de reflexie și de refracție suferite de acestă rază.

d) Calculează viteza luminii prin al doilea mediu.

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei:

    • n1 = 1

    • n2 = ?

    • i = 45°

    • r' = 30°

    • r = ? °

    • v2 = ?

a) Unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență de 45°.

b) Pentru a calcula indicele de refracție aplicăm legea a II-a a refracției:





c) Scriem formula indicelui de refracție și scoatem necunoscuta, v1:





III.3.2.4. Exerciții recapitulative – Reflexia luminii. Dispersia luminii. Culorile corpurilor. Refracția luminii. Legile refracției. Consecințele refracției.

Exerciții recapitulative – Reflexia luminii. Dispersia luminii. Culorile corpurilor. Refracția luminii. Legile refracției. Consecințele refracției.

1) Completează următoarele afirmații:

a) Fenomenul de trecere al luminii în cel de-al doilea mediu se numește…………..

b) Fenomenul de întoarcere al luminii în primul mediu se numește………………..

c) Fenomenul descompunere al luminii albe în fascicule de culorile curcubeului se numește…………..

d) Oglinzile sunt corpuri ………………..și ……………………

e) Culorile curcubeului sunt ......................................................................................................................................................

f) Un corp opac negru ……………………… toate culorile.

g) Un corp opac alb ……………………… toate culorile.

h) Un corp opac roșu ……………………… culoarea roșie.

i) Un corp transparent roșu lasă …………………. prin el culoarea roșie.


2) Scrie ce fenomen este implicat în următoarele afirmații:

a) Un corp aflat în apă pare rupt la suprafața apei.

b) Formarea imaginii unui obiect într-o oglindă.

c) Obiectele aflate în apă par mai mari decât în realitate.

d) Apele limpezi sunt mult mai adânci decât par.

e) Licărirea stelelor.


3) Desenează razele reflectate și cele refractate în următoarele situații și apoi calculează viteza de propagare a luminii în mediile transparente:

a)



b)




4) Răspunde cu adevărat sau fals pentru afirmațiile următoare:

a) Indicele de refracție caracterizează un mediu transparent și depinde de viteza luminii în mediul respectiv.

b) Imaginea reală este imaginea formată la intersecția razelor refractate/reflectate.

c) Unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență.

d) Când primul mediu are indicele de refracție mai mare decât al celui de-al doilea, raza refractată se apropie de normală.

e) Unghiul de refracție este unghiul dintre raza refractată și normală.

f) Unghiul de reflexie este unghiul dintre raza reflectată și suprafața de separare.

g) Când lumina cade perpendicular pe suprafața de separare, ea nu își schimbă direcția de propagare.

h) Imaginea unui obiect într-o oglindă este reală.


5) O rază de lumină trece din diamant (n = 2,42) în aer (n = 1) sub un unghi de incidență de 15°. Află sinusul unghiului de refracție, știind că sin 15° este de 0,25. Cum este unghiul de refracție față de cel de incidență?


6) O rază de lumină provenită din aer cu n = 1, cade sub un unghi de incidență de 60° pe suprafața unui alt mediu. Știind unghiul de refracție de 30°, determină:

a) Unghiul de reflexie .-0,25p

b) Cât este indicele de refracție al celui de-al doilea mediu ?-0,75p

c) Desenul fenomenului de reflexie și de refracție suferite de acestă rază.- 1p

d) Calculează viteza luminii prin al doilea mediu.-0,5p



III.3.2.5. Test de autoevaluare – Reflexia luminii. Dispersia luminii. Culorile corpurilor. Refracția luminii. Legile refracției. Consecințele refracției.

Test de autoevaluare – Reflexia luminii. Dispersia luminii. Culorile corpurilor. Refracția luminii. Legile refracției. Consecințele refracției.

1) Completează următoarele afirmații : 4x0,25p = 1p

a) Când lumina trece în cel de-al doilea mediu spunem că ea suferă fenomenul de …………………

b) Când lumina se descompune în fasciculele componente ale curcubeului spunem că ea suferă fenomenul de …………………

c) Când lumina se întoarce în primul mediu spunem că ea suferă fenomenul de ………………………………………

d) Când lumina se întoarce în primul mediu sau trece în al doilea mediu, ea își schimbă ………………………………


2) Scrie ce fenomen optic este implicat în următoarele afirmații:

a) Un corp aflat în apă pare rupt la suprafața apei. -0,25p

b) Licărirea stelelor. -0,25p

c) Formarea imaginii unui obiect într-o oglindă. -0,25p

d) Apele limpezi sunt mult mai adânci decât par. -0,25p


3) Răspunde la următoarele întrebări:

a) De ce un corp opac este negru? -0,25p

b) Un corp opac roșu, de ce are culoarea roșie? -0,25p

c) Unde trebuie să fie Soarele pentru a se forma curcubeul? -0,25p

d) Cum este imaginea unui obiect într-o oglindă plană? -0,25p

e) Ce aplicații are oglinda concavă? -0,25p

f) Ce aplicații are oglinda convexă? -0,25p

g) Când raza refractată se apropie de normală? -0,25p

h) Când unghiul de refracție este mai mare decât unghiul de incidență? -0,25p


4) O rază de lumină provenită din aer cu n = 1 cade sub un unghi de incidență de 30° pe suprafața unui mediu cu n = √3. Determină:

a) Unghiul de reflexie. -0,5p

b) Unghiul de refracție. -1p

c) Desenul fenomenului de reflexie și de refracție suferite de acestă rază. -1,5p

d) Calculează viteza luminii prin al doilea mediu. -1p

Oficiu -2p



III.3.3. Reflexia totală. Aplicațiile reflexiei totale.

Experiment

11. Reflexia totală a luminii

Materiale necesare: semicilindru din plexiglas ( sticlă), disc Hartl, laser.

Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!

Modul de lucru:

  • Așază piesa semicilindrică pe discul Hartl astfel încât centrul ei să fie în centrul discului și raza incidentă să treacă din plexiglas în aer.

  • Urmărește mersul razei incidente și a celei de reflexie și refracție, pentru diferite unghiuri de incidență.

Observație

Când indicele de refracție a primului mediu este mai mare decât a celui de-al doilea mediu (plexiglas- aer ) și unghiul de incidență este mai mare decât unghiul limită, lumina se reflectă total.

Definiție

Reflexia totală este fenomenul în care are loc numai fenomenul de reflexie, fără formarea razei refractate ( unghiul de refracție este de 90° ).

important

Pentru a avea loc fenomenul de reflexie totală trebuie îndeplinite două condiții:

1) Indicele de refracție al primului mediu să fie mai mare decât al celui de-al doilea mediu, adică n1 > n2 .

2) Unghiul de incidență să fie mai mare decât unghiul limită ( notat cu l ), unghi specific fiecărei perechi de medii care îndeplinește condiția n1 > n2



Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!




Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!

Observație

Unghiul limită al unei perechi de medii nu trebuie învățat. El se calculează aplicând a doua lege a refracției și punând condiția reflexiei totale



Vei folosi calculatorul pentru a calcula sinusurile și arcsinusurile.

Exemple:

1) Pentru perechea de medii plexiglas – aer , avem n1 = 1,5 – n2 = 1



2) Pentru perechea de medii apă – aer , avem n1 = 1,33 – n2 = 1








Aplicații

Reflexia totală are două mari aplicații: reflexia totală în prisme și reflexia totală în fibre optice.


Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!


Aplicații

I. Reflexia totală în prisme de sticlă este folosită pentru a devia sau a întoarce un fascicul de lumină. Pe acest principiu funcționează catadioptrii roșii (ochi de pisică). Catadioptrii sunt plasați în spatele vehiculelor ( automobile, motociclete, biciclete ) sau pe panourile de semnalizare și întorc lumina farurilor pe direcția pe care a venit.







II. Reflexia totală în fibre optice sau jeturi de apă

Fibrele optice sunt tuburi subțiri de sticlă sau plastic prin care lumina suferă o succesiune de reflexii totale.

Fibrele optice au două mari aplicații:

II.1. În comunicații pentru transportarea unor cantități mari de informații (programe TV, internet la computer, convorbiri telefonice etc. ).



II.2. În medicină la construcția endoscopului. Endoscopul este format din mănunchiuri de fibre optice, care introdus în interiorul corpului, unul trimite lumina către organul studiat ( stomac, plămân, intestin ), celălalt aduce înapoi imaginea acestuia, care apare pe un monitor.



III.4. Lentile.

III.4.1. Lentile. Tipuri de lentile.

Definiție

Lentilele sunt corpuri transparente și care au o suprafață sferică.

important

Elementele unei lentile :

  • Axa optică principală care se trasează prin mijlocul lentilei.

  • Centrul optic al lentilei (O) aflat la intersecția lentilei cu axa optică principală.

  • Două focare așezate de-o parte și de alta față de centrul optic al lentilei, la distanțe egale.

    • Focarul aflat în partea stângă față de O se numește focar negativ / obiect (F1), deoarece se află pe axa numerelor negative.

    • Focarul aflat în partea dreaptă față de O se numește focar pozitiv / imagine (F2), deoarece se află pe axa numerelor pozitive.

  • Centrele de curbură (C1 și C2) ale dioptrilor care mărginesc lentila aflate de-o parte și de alta față de O, la o distanță dublă față de OF.

Observații
  • Dacă grosimea lentilei este mică în comparaţie cu razele de curbură ale feţelor, lentila este considerată subţire.

  • Distanța OF1 = OF2 = f = distanță focală

  • În construcția imaginii unui obiect într-o lentilă vom desena numai centrul de curbură aflat în partea stângă față de O, la o distanță egală cu dublul distanței focale, OC = 2f.

important

Clasificarea lentilelor:

1) Lentile convergente (convexe) sunt lentilele care transformă un fascicul de lumină paralel într-un fascicul convergent. Ele refractă lumina prin focarul pozitiv și de aceea se mai numesc și lentile pozitive. Ele măresc scrisul. Sunt mai groase la mijloc și mai subțiri la capete.


Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!

important

2) Lentile divergente (concave) sunt lentilele care transformă un fascicul de lumină paralel într-un fascicul divergent. Ele refractă lumina prin focarul negativ și de aceea se mai numesc și lentile negative. Ele micșorează scrisul. Sunt mai groase la capete și mai subțiri la mijloc.


Atenție

Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!



III.4.2. Formarea imaginilor unui obiect în lentile convergente.


important

Pentru a forma imaginea unui obiect într-o lentilă convergentă trebuie să trasăm două raze:

  • Desenăm simbolul lentilei convergente.

  • Trasăm prin mijlocul ei axa optică principală.

  • Punem elementele lentilei (O, F1, F2, C).

  • Desenăm obiectul (AB) în fața lentilei (în partea stângă), printr-un segment cu săgeată.

  • Trasăm o rază care pleacă din vârful obiectului (B) paralelă cu axa optică până întâlnește lentila și apoi o ducem prin focarul pozitiv (F2), deoarece lentila convergentă refractă lumina prin focarul pozitiv.

  • Trasăm a doua rază din vârful obiectului care să treacă prin centrul optic al lentilei (O). Prelungim aceste raze până se intersectează. La intersecția lor punem B' care este vârful imaginii (im) obiectului (ob) AB.

  • Din B' trasăm o perpendiculară pe axa optică, piciorul acesteia îl notăm cu A' și reprezintă baza im A'B'.

  • Punem vârful săgeții în B' și așa obținem imaginea obiectului AB în lentila convergentă.

În funcție de distanța obiectului față de lentilă, avem trei tipuri de imagini în lentila convergentă.

I. Când obiectul este situat în intervalul (-∞ ) și C, imaginea obiectului are următoarele caracteristici :

  • Mai mică decât obiectul AB.

  • Răsturnată

  • Reală (se formează la intersecția razelor refractate, poate fi proiectată pe un ecran).

Observație

La lentile, care sunt aplicații ale refracției luminii, razele care ies din lentilă sunt razele refractate. Razele care le desenăm în fața lentilei sunt prelungirile razelor refractate.

II. Când obiectul este situat în intervalul C și F1, imaginea obiectului are următoarele caracteristici:

  • Mai mare decât obiectul AB.

  • Răsturnată

  • Reală (se formează la intersecția razelor refractate, poate fi proiectată pe un ecran).

III. Când obiectul este situat în intervalul F1 și O, imaginea obiectului are următoarele caracteristici :

  • Mai mare decât obiectul.

  • Dreaptă

  • Virtuală (se formează la intersecția prelungirilor razelor refractate, nu poate fi proiectată pe un ecran).

important
  • Când obiectul AB este situat chiar în C, im ob A'B' este egală ca mărime cu obiectul.

  • Când obiectul AB este situat chiar în F1, im ob A'B' nu se poate forma deoarece razele ies din lentila convergentă paralele și nu se intersectează.


Experiment

12. Formarea imaginilor în lentila convergentă

Materiale necesare: lentilă convergentă (lupă), lumânare, chibrit.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Modul de lucru:

  • Așază lumânarea aprinsă la o distanță de 40-60 cm față de un perete.

  • Mută, încetul cu încetul, lupa dinspre lumânare spre perete, astfel încât vârful lumânării, mijlocul lentilei să fie pe aceeaşi dreaptă.

  • Când lupa este aproape de flacăra lumânării se formează o imagine virtuală, mai mare decât flacăra și dreaptă pe care o poți vedea prin lupă.

  • Depărtează lupa de flacără până când pe perete se formează imaginea clară a lumânării mai mare, reală și răsturnată.

  • Depărtează și mai mult lupa de flacără până când pe perete se formează o imaginea clară a lumânării mai mică, reală și răsturnată.

Observație

În lentila convergentă (lupă) se formează trei tipuri de imagini ale obiectelor.



III.4.3. Formarea imaginilor unui obiect în lentile divergente.


important

Pentru a forma imaginea unui obiect într-o lentilă divergentă trebuie să trasăm două raze:

  • Desenăm simbolul lentilei divergente.

  • Trasăm prin mijlocul ei axa optică principală.

  • Punem elementele lentilei (O, F1, F2, C).

  • Desenăm obiectul (AB) în fața lentilei (în partea stângă) printr-un segment cu săgeată.

  • Trasăm o rază care pleacă din vârful obiectului (B) paralelă cu axa optică până întâlnește lentila și apoi o ducem prin focarul negativ (F1), deoarece lentila divergentă refractă lumina prin focarul negativ.

  • Trasăm a doua rază din vârful obiectului care să treacă prin centrul optic al lentilei (O). Prelungim aceste raze până se intersectează. La intersecția lor punem B' care este vârful imaginii (im) obiectului (ob) AB.

  • Din B' trasăm o perpendiculară pe axa optică, piciorul acesteia îl notăm cu A' și reprezintă baza im A'B'.

  • Punem vârful săgeții în B' și așa obținem imaginea obiectului AB în lentila convergentă.

În lentila divergentă obținem o imagine care are aceleași caracteristici indiferent de distanța obiectului față de lentilă:

  • Mai mică decât obiectul.

  • Dreaptă

  • Virtuală (se formează la intersecția prelungirilor razelor refractate, nu poate fi proiectată pe un ecran).


Experiment

13. Formarea imaginilor în lentila divergentă

Materiale necesare: lentilă divergentă (ochelari pentru miopie cu dioptrii negative), lumânare, chibrit.

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Modul de lucru:

  • Așază lumânarea aprinsă la o distanță de 40-60 cm față de un perete.

  • Mută, încetul cu încetul, lentila divergentă dinspre lumânare spre perete, astfel încât vârful lumânării, mijlocul lentilei să fie pe aceeaşi dreaptă.

  • Când lentila este aproape de flacăra lumânării se formează o imagine virtuală, mai mică decât flacăra și dreaptă pe care o poți vedea prin lentilă.

  • Depărtează lentila de flacără și vei vedea, tot privind prin lentilă, imaginea clară a lumânării mai mică, virtuală și dreaptă.

  • Depărtează și mai mult lentila de flacără și vei vedea aceeași imagine din ce în ce mai mică decât flacăra, dar cu aceleași caracteristici.

Observație

În lentila divergentă se formează un singur tip de imagine ale obiectelor, indiferent de distanța dintre obiect și lentilă.



III.4.4. Extindere: Determinarea formulelor lentilelor subțiri.

Pentru a demonstra legile (formulele) lentilelor subțiri vom lua cazul când obiectul AB este situat chiar în C, im ob A'B' este egală ca mărime cu obiectul AB.

Observăm că avem patru triunghiuri asemenea: CBF1 ~ ONF1 ~ OMF2 ~ A'B'F2

Putem scrie următoarele rapoarte de asemănare:



MO = AB = ON = A'B', F1O = F2O = f . Le înlocuim în cele patru rapoarte și obținem :



Cum AB = A'B' facem produsul pe diagonală și obținem :

AF1 ∙ A'F2 = f2

Aceasta este legea lentilelor subțiri: Produsul distanțelor de la obiect la focarul negativ și de la imagine la focarul pozitiv este egal cu pătratul distanței focale a lentilei.

Notăm cu:

x1 = distanța de la obiectul AB la lentilă = AO

x2 = distanța de la imaginea A'B' la lentilă = A'O

AF1 = AO – f = x1 – f

A'F2 = A'O – f = x2 – f. Înlocuind în legea lentilelor obținem prima formulă a lentilelor subțiri .

Observație

x1 = distanța de la obiectul AB la lentilă este situată pe axa numerelor negative, fiind tot timpul negativ, vom scrie formula lentilelor direct cu semnul minus .

important

Formula fundamentală a lentilelor subțiri:

x1 = distanța de la obiectul AB la lentilă

x2 = distanța de la imaginea A'B' la lentilă

f = distanța focală a lentilei

Definiție

Mărirea liniară transversală (β ) este o mărime fizică adimensională egală cu raportul dintre înălțimea imaginii și înălțimea obiectului.

β = mărirea liniară transversală

x1 = distanța de la obiectul AB la lentilă

x2 = distanța de la imaginea A'B' la lentilă

y1 = înălțimea obiectului AB

y2 = înălțimea imaginii A'B'

important

Convenții de semne:

  • x2 = se ia pozitiv când imaginea este reală ( se formează în spatele lentilei, pe axa numerelor pozitive ) și negativ când imaginea este virtuală ( se formează în fața lentilei, pe axa numerelor negative ).

  • Înălțimile ( dimensiunile liniare transversale ) obiectului ( y1 ), respectiv imaginii ( y2 ) vor fi pozitive dacă sunt deasupra axei optice principale și negative dacă sunt sub axa optică principală.

  • Distanța focală se consideră pozitivă ( f > 0 ) pentru lentilele convergente și negativă ( f < 0 ) pentru lentilele divergente.

Definiție

Convergența unei lentile (C) este o mărime fizică egală cu inversul distanței focale ( f ).

Observație

Dacă β>0, imaginea este dreaptă.

Dacă β<0, imaginea este răsturnată.

Dacă |β|>1, imaginea este mărită.

Dacă |β|<1, imaginea este micșorată.




III.5. Instrumente optice

III.5.1. Ochiul uman. Defectele de vedere.

Văzul este cel mai important simț al omului. Cu ajutorul lui putem vedea stările de agregare ale corpurilor, forma lor, dimensiunea lor, culoarea lor, transparența lor etc.

important

Cum vede omul obiectele din jur ?

În primul rând are nevoie de lumina care se reflectă pe corpurile din jurul nostru.

Lumina reflectată de un obiect intră prin cornee (o membrană transparentă), apoi trece prin umoarea apoasă (un lichid transparent) și traversează irisul (partea colorată a ochiului) prin pupilă (orificiu de culoare neagră).

Când lumina ajunge la cristalin (membrană transparentă elastică) ea se refractă ca printr-o lentilă convergentă, deoarece cristalinul este convex și transparent. Imaginea formată este reală, răsturnată și mai mică decât obiectul.

Imaginea obiectului se formează pe retină (strat de celule fotosensibile) care o transformă imaginea în impulsuri nervoase trimise la creier, prin intermediul nervului optic.

Creierul prelucrează semnalele electrice, îndreaptă imaginea și dă senzația de văz.

Experiment

14. Un borcan cu apă pe post de ochi

Materiale necesare: borcan sferic de sticlă plin cu apă, lumânare, chibrit, carton , cameră slab luminată (semiobscură).

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Modul de lucru:

  • Poziţionează borcanul cu apă aproape de perete.

  • Fă cu vârful unui creion (compas ) un orificiu în mijlocul cartonului şi aşază-l pe verticală, sprijinindu-l de borcan.

  • Aşază lumânarea aprinsă în faţa cartonului astfel încât flacăra să fie în dreptul orificiului.

Observație

Pe perete se formează imaginea lumânării: mai mică decât obiectul, răsturnată şi reală, asemeni celei formată de ochi.

Lumina lumânării este refractată de vasul cu apă asemeni unei lentile convergente(cristalinul ochiului).

Orificiul din carton joacă rolul pupilei care lasă să intre în ochi lumina reflectată de obiecte.

Concluzia experimentului:

Borcanul cu apă este pe post de cristalin, focalizând razele ce îl traversează. Peretele joacă rolul retinei, loc în care se formează imaginea obiectului.

Ochiul nostru poate vedea obiecte aflate la diferite distanțe având o mare capacitate de acomodare, datorată elasticității cristalinului și mușchilor oculari și care își schimbă distanța focală.

Acomodarea cristalinului unui ochi normal are două limite:

  • Punctul proximum aflat la o distanță minimă care, pentru un tânăr este la 10-15 cm și pentru adulți cam la 25 cm.

  • Punctul remotum este cel mai îndepărtat punct al vederii clare fără acomodare, fiind la 15 m spre infinit.

important

Defectele de vedere ale ochiului omenesc sunt :

1) Miopia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele îndepărtate. Imaginea obiectelor se formează în fața retinei, ochiul miop fiind prea convergent. Prin urmare miopia se corectează cu lentile divergente (negative).



2) Hipermetropia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele apropiate. Imaginea obiectelor se formează în spatele retinei, ochiul hipermetrop fiind prea puțin convergent. Prin urmare hipermetropia se corectează cu lentile convergente (pozitive).



Aplicații

Primii ochelari cu lentile slabe care corectau hipermetropia au apărut după anii 1200. După circa 200 de ani a fost descoperită tehnica fabricării ochelarilor cu lentile concave, astfel a putut fi corectată și miopia.

Majoritatea dintre noi petrecem mult timp în fața unui ecran: la birou, în fața unui computer, urmărind emisiunile la TV sau stând pe rețelele sociale. Toate aceste lucruri sunt resimțite de ochii noștri. Devin uscati, apar durerile de cap sau problemele cu somnul. Pentru a diminua aceste simptome, medicii recomandă folosirea ochelarilor de vedere cu protecție pentru calculator.

Atunci când îți sunt prescriși ochelarii de vedere, purtarea lor trebuie făcută conform sfaturilor medicale, în funcție de afecțiunea oculară. Dacă nu respecți aceste sfaturi sau uiți să porți ochelarii de vedere, riști să-ți expui ochii la un efort în plus sau chiar la agravarea problemelor oculare.

În caz de miopie, hipermetropie, astigmatism sau chiar presbiopie (când ai nevoie doar de ochelari de citit) dacă nu porți ochelari de vedere, provoci încordarea ochilor care duce la dureri de cap, lipsă de focalizare sau vederea dublă. Pe lângă disconfort lipsa purtării ochelarilor de vedere va conduce la o vedere și mai slabă.

Observație

Prezbitismul este același defect de vedere ca și hipermetropia și apare la persoanele în vârstă, datorită scăderii elasticității cristalinului.

Aplicații
  • Lumina naturală, dar și cea artificială este foarte importantă pentru om. Ea ajută la sintetizarea vitaminei D care fixează calciul în oase și mărește imunitatea corpului, dă o stare de bună dispoziție.

Când vine iarna și zilele se micșorează simțitor, o persoană din trei resimte o schimbare a nivelului energetic, a tonusului fizic și psihic.

  • Ochiul omenesc are două imperfecțiuni.

    • Ochiul nu poate deosebi detalii separate (de exemplu două puncte alăturate) sub un unghi mai mic de un minut de arc. Spre exemplu nu poți vedea distinct ochii unei persoane de la mai mult de 200m.

    • O altă imperfecțiune a ochiului este faptul că retina sa este impresionată de o imagine formată pe ea timp de 0,1 s. Dacă în acest interval de timp privim un alt obiect, noi nu îl vedem, fiindcă retina este ocupată cu imaginea formată pe ea. Dacă privim imagini care se succed mai repede de 0,1 s, avem senzația că ele se contopesc într-o mișcare continuă, deoarece ochiul nostru nu vede trecerea de la o imagine la alta. Din această cauză, atunci când vedem desenele animate, care sunt mai multe cadre ( fotografii ) care se derulează într-o secundă, ni se pare acțiunea continuă. Pelicula cinematografică este alcătuită din 24 de cadre pe secundă. Slow motion sau redare cu încetinitorul este o metodă prin care putem încetini o filmare făcută la mai multe cadre pe secunda decât este normal (24). Ca sa putem face Slow Motion în condiții de calitate, trebuie ca mai întâi să filmăm la peste 48 de cadre pe secundă. Există camere video care filmează cu 10.000 de cadre pe secunde și care surprind detalii care cu ochiul liber nu le putem vedea.

Atenție

Atenție când lucrezi cu obiecte ascuțite!

Aplicații
  • Culorile care le vedeți pe ecrane (TV, telefon, laptop etc.) sunt rezultatul amestecului celor trei culori primare din optică:



Dacă proiectezi pe un perete trei fascicule colorate în culorile primare din optică , vei obține o pată albă, iar amestecul de două culori formează diferite nuanțe.



Culorile pe care le vedem sunt pur și simplu diferite lungimi de undă care se reflectă într-un obiect. Ochiul nostru percepe acea lungime de undă ca o culoare în spectru. Ideea de bază pentru formarea nuanțelor este că fiecare culoare se combină cu cea de lângă ea în diverse cantități și astfel se obțin nuanțele.


Retina ochiului uman este formată din două tipuri de celule:

  • celule cu conuri

  • celule cu bastonașe

Celulele cu conuri conuri sunt responsabile pentru percepția culorii iar celulele cu bastonașe pentru percepția contrastelor de lumină-umbră.

Persoanele cu vedere normală au trei tipuri diferite de celule cu conuri, fiecare dintre ele fiind responsabilă pentru o anumită gamă de culori:

  • conurile L pentru culoarea roșie,

  • conurile S pentru culoarea albastră

  • conurile M pentru culoarea verde.

L, S și M se referă la domeniul spectrului de culori percepute: L reprezintă lungimile de undă lungă, S lungimile de undă scurtă și M lungimile de undă medie. Lungimea de undă a luminii care pătrunde în ochi stimulează pigmenții de culoare din conuri, declanșând astfel diferite senzații de culoare în creier.

În cazul în care un tip de con nu funcționează corect sau nu funcționează deloc, limitează abilitatea de percepție a culorilor, cauzând daltonism sau acromatopsie. Conurile sunt active doar la un anumit nivel de luminozitate. Pe întuneric funcționează doar celulele cu bastonașe. De aceea pe întuneric nu percepem culorile.

Persoanele cu acromatopsie percep doar anumite culori, deoarece o parte din celulele receptoare din retină - conurile - nu funcționează corect. Există diferite tipuri de acromatopsii. Cea mai frecventă acromatopsie este daltonismul.



Culorile primare din pictură / tipografie sunt: magenta, cyan și galben.

În tipografie se mai adaugă și negru pentru o mai bună claritate a scrisului sau fotografiilor color.


III.5.2. Lupa

Lupa este unul dintre cele mai vechi și mai simple dispozitive optice.


Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

În urmă cu mii de ani egiptenii foloseau bucăţi mici de cristal sau obsidian (un tip de piatră lucios) pentru a vedea mai bine obiectele mici.

Prima lupă construită în scopuri științifice se crede că a fost proiectată de către filozoful englez Roger Bacon, în anul 1250. El era lector la Universitatea din Oxford. Bacon a realizat diverse experimente cu lupe și oglinzi și a descris principiile reflexiei și refracției.

Lupa, cunoscută şi ca lentilă de mână, este o lentilă convergentă (convexă) care este folosită pentru a mări imaginea unui obiect.

O lupă uzuală are o distanță focală de circa 25 cm, corespunzând unei convergențe de 4 dioptrii. Grosismentul (mărirea aparentă a dimensiunilor unui obiect cu ajutorul unor instrumente optice) unei astfel de lupe este de "2×". Grosismentul unei lupe de ceasornicar sau de bijutier ajunge până la valoarea de "10×", având o distanță focală de 5-10 cm.


Experiment

15. Un obiect sub lupă

Materiale necesare: lupă, un obiect mic.

Modul de lucru:

  • Observă cu lupa un obiect mic astfel încât distanța dintre lentilă și obiect trebuie să fie mai mică decât lungimea focală a lentilei pentru a se forma imaginea virtuală, mărită a obiectului, în spatele lupei.
Observație

Distanța dintre ochi și lupă este aproximativ egală cu distanța focală a lupei.


Experiment

16. Cel mai simplu aparat foto

Materiale necesare: cutie de carton fără capac, foarfecă, marker negru sau acuarelă neagră cu pensulă, o foaie de hârtie de calc ( hârtie de copt ), bandă adezivă, compas, lumânare, chibrit, cameră slab luminată (semiobscură).

Atenție

Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!

Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

Modul de lucru:

  • Vopseşte interiorul cutiei cu acuarelă neagră sau cu marker negru.

  • Fixează cu bandă adezivă foaia de calc pe partea deschisă a cutiei (cea din locul capacului).

  • Fă un mic orificiu cu ajutorul compasului în mijlocul peretelui opus celui cu hârtie de calc.

  • Aşază lumânarea aprinsă în faţa orificiului cutiei şi priveşte peretele translucid într-o cameră întunecată.

  • Îndepărtează uşor cutia până vei observa pe hârtia de calc imaginea clară a flăcării .

Observație

Pe hârtie se formează imaginea micşorată, reală şi răsturnată a flăcării, asemenea imaginii formată de ochiul omenesc.

Concluzia experimentului:

Cutia construită reprezintă camera obscură, piesa de bază a unui aparat foto.

La aparatele foto camera obscură este chiar cutia aparatului, înnegrită în interior. Pentru a da luminozitate şi claritate imaginii obiectului aparatul foto este prevăzut cu un obiectiv, format dintr-un sistem de lentile convergente.



III.6. Sinteză recapitulativă – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

important

Reflexia totală. Aplicațiile reflexiei totale

Reflexia totală este fenomenul în care are loc numai fenomenul de reflexie, fără formarea razei refractate ( unghiul de refracție este de 90° ).

Pentru a avea loc fenomenul de reflexie totală trebuie îndeplinite două condiții:

1) Indicele de refracție al primului mediu să fie mai mare decât al celui de-al doilea mediu, adică n1 > n2 .

2) Unghiul de incidență să fie mai mare decât unghiul limită ( notat cu l ), unghi specific fiecărei perechi de medii care îndeplinește condiția n1 > n2

Unghiul limită al unei perechi de medii se calculează aplicând a doua lege a refracției și punând condiția reflexiei totale







Reflexia totală are două mari aplicații:

I. Reflexia totală în prisme de sticlă este folosită pentru a devia sau a întoarce un fascicul de lumină. Pe acest principiu funcționează catadioptrii roșii (ochi de pisică). Catadioptrii sunt plasați în spatele vehiculelor ( automobile, motociclete, biciclete ) sau pe panourile de semnalizare și întorc lumina farurilor pe direcția pe care a venit.

II. Reflexia totală în fibre optice sau jeturi de apă

Fibrele optice sunt tuburi subțiri de sticlă sau plastic prin care lumina suferă o succesiune de reflexii totale. Fibrele optice au două mari aplicații:

  • În comunicații pentru transportarea unor cantități mari de informații (programe TV, internet la computer, convorbiri telefonice etc.).
  • În medicină la construcția endoscopului. Endoscopul este format din mănunchiuri de fibre optice care introdus în interiorul corpului, unul trimite lumina către organul studiat ( stomac, plămân, intestin), celălalt aduce înapoi imaginea acestuia care apare pe un monitor.


Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile.

Lentilele sunt corpuri transparente și care au o suprafață sferică.

Elementele unei lentile :

  • Axa optică principală care se trasează prin mijlocul lentilei.

  • Centrul optic al lentilei ( O ) aflat la intersecția lentilei cu axa optică principală.

  • Două focare așezate de-o parte și de alta față de centrul optic al lentilei, la distanțe egale.

    • Focarul aflat în partea stângă față de O se numește focar negativ / obiect ( F1 ), deoarece se află pe axa numerelor negative.

    • Focarul aflat în partea dreaptă față de O se numește focar pozitiv / imagine ( F2 ), deoarece se află pe axa numerelor pozitive.

  • Centrele de curbură ( C1 și C2 ) ale dioptrilor care mărginesc lentila aflate de-o parte și de alta față de O, la o distanță dublă față de OF.


Observații:

  • Distanța OF1 = OF2 = f = distanță focală

  • În construcția imaginii unui obiect într-o lentilă vom desena numai centrul de curbură aflat în partea stângă față de O, la o distanță egală cu dublul distanței focale, OC = 2f.


Clasificarea lentilelor:

1) Lentile convergente (convexe) sunt lentilele care transformă un fascicul de lumină paralel într-un fascicul convergent. Ele refractă lumina prin focarul pozitiv și de aceea se mai numesc și lentile pozitive. Ele măresc scrisul. Sunt mai groase la mijloc și mai subțiri la capete.




2) Lentile divergente (concave) sunt lentilele care transformă un fascicul de lumină paralel într-un fascicul divergent. Ele refractă lumina prin focarul negativ și de aceea se mai numesc și lentile negative. Ele micșorează scrisul. Sunt mai groase la capete și mai subțiri la mijloc.




Formarea imaginilor unui obiect în lentile convergente.

Pentru a forma imaginea unui obiect într-o lentilă convergentă trebuie să trasăm două raze:

  • Desenăm simbolul lentilei convergente.

  • Trasăm prin mijlocul ei axa optică principală.

  • Punem elementele lentilei (O, F1, F2, C).

  • Desenăm obiectul (AB) în fața lentilei (în partea stângă), printr-un segment cu săgeată.

  • Trasăm o rază care pleacă din vârful obiectului (B), paralelă cu axa optică până întâlnește lentila și apoi o ducem prin focarul pozitiv ( F2 ), deoarece lentila convergentă refractă lumina prin focarul pozitiv.

  • Trasăm a doua rază din vârful obiectului care să treacă prin centrul optic al lentilei ( O ). Prelungim aceste raze până se intersectează. La intersecția lor punem B' care este vârful imaginii (im) obiectului (ob) AB.

  • Din B' trasăm o perpendiculară pe axa optică, piciorul acesteia îl notăm cu A' și reprezintă baza im A'B'.

  • Punem vârful săgeții în B' și așa obținem imaginea obiectului AB în lentila convergentă.


În funcție de distanța obiectului față de lentilă avem trei tipuri de imagini în lentila convergentă.

a) Când obiectul este situat în intervalul (-∞ ) și C, imaginea obiectului are următoarele caracteristici :

  • Mai mică decât obiectul AB.

  • Răsturnată

  • Reală (se formează la intersecția razelor refractate, poate fi proiectată pe un ecran).

Observație: La lentile care sunt aplicații ale refracției luminii, razele care ies din lentilă sunt razele refractate. Razele care le desenăm în fața lentilei sunt prelungirile razelor refractate.



b) Când obiectul este situat în intervalul C și F1, imaginea obiectului are următoarele caracteristici:

  • Mai mare decât obiectul AB.

  • Răsturnată

  • Reală (se formează la intersecția razelor refractate, poate fi proiectată pe un ecran).



c) Când obiectul este situat în intervalul F1 și O, imaginea obiectului are următoarele caracteristici :

  • Mai mare decât obiectul.

  • Dreaptă

  • Virtuală (se formează la intersecția prelungirilor razelor refractate, nu poate fi proiectată pe un ecran).



Observații:

  • Când obiectul AB este situat chiar în C im ob A'B' este egală ca mărime cu obiectul.

  • Când obiectul AB este situat chiar în F1 im ob A'B' nu se poate forma deoarece razele ies din lentila convergentă paralele și nu se intersectează.



Formarea imaginilor unui obiect în lentile divergente.

Pentru a forma imaginea unui obiect într-o lentilă divergentă trebuie să trasăm două raze:

  • Desenăm simbolul lentilei divergente.

  • Trasăm prin mijlocul ei axa optică principală.

  • Punem elementele lentilei (O, F1, F2, C).

  • Desenăm obiectul (AB) în fața lentilei (în partea stângă), printr-un segment cu săgeată.

  • Trasăm o rază care pleacă din vârful obiectului (B), paralelă cu axa optică până întâlnește lentila și apoi o ducem prin focarul negativ (F1), deoarece lentila divergentă refractă lumina prin focarul negativ.

  • Trasăm a doua rază din vârful obiectului care să treacă prin centrul optic al lentilei ( O ). Prelungim aceste raze până se intersectează. La intersecția lor punem B' care este vârful imaginii (im) obiectului (ob) AB.

  • Din B' trasăm o perpendiculară pe axa optică, piciorul acesteia îl notăm cu A' și reprezintă baza im A'B'.

  • Punem vârful săgeții în B' și așa obținem imaginea obiectului AB în lentila convergentă.

În lentila divergentă obținem o imagine care are aceleași caracteristici indiferent de distanța obiectului față de lentilă:

  • Mai mică decât obiectul.

  • Dreaptă

  • Virtuală (se formează la intersecția prelungirilor razelor refractate, nu poate fi proiectată pe un ecran).




Legea lentilelor subțiri: Produsul distanțelor de la obiect la focarul negativ și de la imagine la focarul pozitiv este egal cu pătratul distanței focale a lentilei.

AF1 ∙ A'F2 = f2



Formula fundamentală a lentilelor subțiri:



x1 = distanța de la obiectul AB la lentilă

x2 = distanța de la imaginea A'B' la lentilă

f = distanța focală a lentilei

Mărirea liniară transversală (β ) este o mărime fizică adimensională egală cu raportul dintre înălțimea imaginii și înălțimea obiectului.

β = mărirea liniară transversală

x1 = distanța de la obiectul AB la lentilă

x2 = distanța de la imaginea A'B' la lentilă

y1 = înălțimea obiectului AB

y2 = înălțimea imaginii A'B'

Convenții de semne:

  • x2 = se ia pozitiv când imaginea este reală ( se formează în spatele lentilei, pe axa numerelor pozitive ) și negativ când imaginea este virtuală ( se formează în fața lentilei, pe axa numerelor negative ).

  • Înălțimile ( dimensiunile liniare transversale ) obiectului ( y1 ), respectiv imaginii ( y2 ) vor fi pozitive dacă sunt deasupra axei optice principale și negative dacă sunt sub axa optică principală.

  • Distanța focală se consideră pozitivă ( f > 0 ) pentru lentilele convergente și negativă ( f < 0 ) pentru lentilele divergente.




Convergența unei lentile ( C ) este o mărime fizică egală cu inversul distanței focale ( f ).



Observații:

  • Dacă β>0, imaginea este dreaptă.
  • Dacă β<0, imaginea este răsturnată.
  • Dacă |β|>1, imaginea este mărită.
  • Dacă |β|<1, imaginea este micșorată.


Ochiul uman. Defectele de vedere.

Văzul este cel mai important simț al omului. Cu ajutorul lui putem vedea stările de agregare ale corpurilor, forma lor, dimensiunea lor, culoarea lor, transparența lor etc.



Cum vede omul obiectele din jur?

În primul rând are nevoie de lumină, care se reflectă pe corpurile din jurul nostru.

Lumina reflectată de un obiect intră prin cornee (o membrană transparentă), apoi trece prin umoarea apoasă (un lichid transparent) și traversează irisul (partea colorată a ochiului) prin pupilă (orificiu de culoare neagră).

Când lumina ajunge la cristalin (membrană transparentă elastică) ea se refractă ca printr-o lentilă convergentă, deoarece cristalinul este convex și transparent. Imaginea formată este reală, răsturnată și mai mică decât obiectul.

Imaginea obiectului se formează pe retină (strat de celule fotosensibile), care transformă imaginea în impulsuri nervoase trimise la creier, prin intermediul nervului optic.

Creierul prelucrează semnalele electrice, îndreaptă imaginea și dă senzația de văz.



Defectele de vedere ale ochiului omenesc sunt :

1) Miopia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele îndepărtate. Imaginea obiectelor se formează în fața retinei, ochiul miop fiind prea convergent. Prin urmare miopia se corectează cu lentile divergente ( negative ).



2) Hipermetropia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele apropiate. Imaginea obiectelor se formează în spatele retinei, ochiul hipermetrop fiind prea puțin convergent. Prin urmare hipermetropia se corectează cu lentile convergente ( pozitive ).



Observație: Prezbitismul este același defect de vedere ca și hipermetropia și apare la persoanele în vârstă, datorită scăderii elasticității cristalinului.

Ochiul omenesc are două imperfecțiuni:

  • Ochiul nu poate deosebi detalii separate (de exemplu două puncte alăturate) sub un unghi mai mic de un minut de arc. Spre exemplu nu poți vedea distinct ochii unei persoane de la mai mult de 200m.

  • O altă imperfecțiune a ochiului este faptul că retina sa este impresionată de o imagine formată pe ea timp de 0,1 s. Dacă în acest interval de timp privim un alt obiect, noi nu îl vedem, fiindcă retina este ocupată cu imaginea formată pe ea. Dacă privim imagini care se succed mai repede de 0,1 s, avem senzația că ele se contopesc într-o mișcare continuă, deoarece ochiul nostru nu vede trecerea de la o imagine la alta. Din această cauză atunci când vedem desenele animate, care sunt mai multe cadre (fotografii) care se derulează într-o secundă, ni se pare acțiunea continuă. Pelicula cinematografică este alcătuită din 24 de cadre pe secundă.

  • Culorile care le vedeți pe ecrane (TV, telefon, laptop etc.) sunt rezultatul amestecului celor trei culori primare din optică:




III.7. Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

1) Un scafandru aflat la o adâncime de 2m îndreaptă lanterna telefonului acvatic spre suprafața apei. Știind indicele de refracție al apei de 4/3 și cel al aerului de 1, află suprafața circulară a luminii care iese din apă. Cum variază această suprafață a luminii ieșită în aer cu creșterea adâncimii scafandrului?

Rezolvare:

  • Scriem datele problemei:

    • h = 2 m

    • n1 = 4/3

    • n2 = 1

    • S = ?

  • Se desenează traseul razelor de lumină care ies din apă:



  • Se aplică legea a II-a a refracției punând condiția ca unghiul de incidență să fie egal cu unghiul limită (i = l) și unghiul de refracție r = 90°. Știind că sin 90° = 1 obținem:


  • Calculăm cos i cu formula:


  • Calculăm tg i și raza suprafeței circulare:


  • Calculăm aria suprafeței circulare:


  • Observăm că raza suprafeței luminoase din aer este direct proporțională cu adâncimea scafandrului, deci aria acestei suprafeței crește odată cu adâncimea scafandrului.


Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

2) O prismă optică are unghiul refringent A = 90° și indicele de refracție √2 . Află dacă o rază de lumină ce cade pe o față a prismei sub un unghi de 45° poate suferi reflexie totală pe una dintre fețele prismei.



Rezolvare:

  • Secțiunea transversală a prismei este un triunghi dreptunghic isoscel cu A = 90° și B = C = 45°.


  • În ΔDI1I2: D = r' + i2


  • Pentru a afla unghiul limita aplicăm a II–a lege a refracției punând condiția ca unghiul de incidență să fie egal cu unghiul limită (i2 = l) și unghiul de refracție r' = 90°. Știind că sin 90° = 1 obținem:


  • Cum i2 > l și primul mediu (sticla prismei) are indicele de refracție mai mare decât al doilea mediu (aerul) înseamnă că sunt îndeplinite ambele condiții pentru a se produce reflexie totală.


Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

3) În fața unei lentile convergente cu distanța focală de 20 cm se așază o lumânare la o distanță de 60 cm.

Se cere:

a) Desenează formarea imaginii lumânării în această lentilă.

b) Calculează coordonata (distanța) la care trebuie așezat un ecran pe care să se formeze imaginea clară a lumănării.

c) De câte ori este mărită/micșorată imaginea? Caracterizează imaginea lumânării.

d) Câte dioptrii are această lentilă?

Rezolvare:

  • Notăm datele problemei:

    • f = 20 cm (distanța focală a lentilei se ia pozitivă, întrucât lentila este convergentă și refractă lumina prin focarul pozitiv)

    • x1 = - 60 cm (distanța de la obiectul AB la lentilă se ia negativă, întrucât este pe axa numerelor întregi negativă)

    • x2 = distanța de la imaginea A'B' la lentilă = ?

    • β = ?

    • C = ?

a)



b) Scriem formula fundamentală a lentilelor subțiri:



c)



d) Calculăm convergența lentilei:





Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

4) Știind că microscopul are două lentile convergente, obiectivul are o distanță focală foarte mică și este așezat în apropierea obiectului și că ocularul preia imaginea formată de obiectiv și o mărește și mai mult decât obiectivul, imaginea finală fiind virtuală, desenează formarea imaginii unui obiect într-un microscop.

Rezolvare:




Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

5) Determinarea indicelui de refracție al unui mediu folosind rigla.

O rază de lumină (folosește un laser) intră într-un vas gol (cu aer) și apoi vasul se umple cu apă cu indice de refracție necunoscut. Află indicele de refracție al apei.



Rezolvare:

  • Se măsoară segmentele AB (înălțimea apei din vas), BC și BD cu ajutorul riglei (ruletei).

  • Se calculează cu ajutorul teoremei lui Pitagora AC și AD.



  • Se calculează sin i și sin r:


  • Aplicăm legea a doua a refracției, știind că naer = 1.


  • Scoatem necunoscuta napă:


Exemplu aplicativ :

AB = 4 cm

BC = 5 cm

BD = 2,5 cm

AC2 = AB2 + BC2 = 42 + 52 = 16 +25 = 41

AC = √41 = 7,21 cm

AD2 = AB2 + BD2 = 42 + 2,52 = 16 + 6,25 = 22,25

AD = √22,25 = 4,71 cm




Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

6) Scrie un cuvânt cu creionul roșu. Apoi cu un creion albastru taie cuvântul scris până nu se mai vede ce ai scris. Uită-te la ce ai scris cu un filtru albastru (corp transparent albastru). Ce observi ?

Privind prin geamul albastru vei vedea ce ai scris cu roșu. Care este explicația?

Geamul albastru este opac pentru lumina roșie, dar este transparent pentru lumina albastră, deoarece filtrul albastru transmite numai radiația albastră iar pe celelalte culori le absoarbe.

Filtrul albastru elimină propria culoare și de aceea noi nu vedem ștersătura cu culoarea albastră și vedem numai culoarea roșie reflectată de coala albă colorată cu roșu.


Probleme model recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

7) De ce un om nu vede clar obiectele când înoată sub apă ? Care om, cu miopie sau cu hipermetropie, vede mai clar sub apă ?



Chiar dacă apa este limpede noi nu vedem clar în apă, deoarece apa are indicele de refracție aproximativ egal cu cel al umoarei apoase și sticloase astfel încât refracția luminii în ochi se produce puțin diferit ca în aer. În apă imaginea obiectelor nu se mai formează pe retină (ca în aer), ci în spatele ei și de aceea obiectele se văd cețoase (ca la hipermetropi).

Miopii văd mai clar sub apă decât oamenii normali sau cei cu hipermetropie, deoarece imaginea obiectelor la ei în aer se formează în fața retinei, iar sub apă se va deplasa mai spre retină.

Ochelarii de scafandru au lentile plan-concave (convergente), goale în interior, pentru ca lumina să intre în aerul din interiorul căștii și vederea să aibă loc ca în aer.




III.8. Exerciții recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

Exerciții recapitulative – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

1) Completează următoarele afirmații:

a) Fenomenul de reflexie care are loc cu un unghi de refracție de 90° se numește…………………………….

b) Lentilele sunt corpuri………………… și ……………………

c) Fibrele optice sunt ..................... subțiri de sticlă sau plastic, prin care lumina suferă o succesiune de reflexii .............................

d) Culorile primare din optică sunt........................, ........................și..................

e) Lentilele pozitive se numesc lentile………………………..

f) Lentilele negative se numesc lentile………………………..

g) Miopia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele ………….. Imaginea obiectelor se formează în ……….. retinei, ochiul miop fiind prea …………. Prin urmare miopia se corectează cu lentile ………………..

h) Hipermetropia este defectul de vedere când nu se văd clar obiectele …………. Imaginea obiectelor se formează în ……………. retinei, ochiul hipermetrop fiind prea puțin …………….. Prin urmare hipermetropia se corectează cu lentile ………………………..


2) Scrie ce fenomen este implicat în următoarele afirmații:

a) Fibrele optice folosite la internet și televiziunea prin cablu.

b) Formarea imaginii unui obiect într-o lentilă.

c) Catadioptrii roșii folosiți la panourile reflectorizante.

d) Endoscopul medical.

e) Ochelarii folosiți pentru defectele de vedere.


3) Desenează razele reflectate și cele refractate în următoarele situații și apoi calculează viteza de propagare a luminii în mediile transparente:

a)



b)



4) Care lentile din cele reprezentate sunt convergente, respectiv divergente?




5) Răspunde cu adevărat sau fals pentru afirmațiile următoare :

a) Imaginea reală este imaginea formată la intersecția razelor refractate/reflectate.

b) Lentila divergentă mărește scrisul.

c) Lentila convergentă este mai subțire la mijloc și mai groasă la capete.

d) Imaginea virtuală poate fi proiectată pe un ecran.

e) Lentila are un focar.

f) Distanța focală a unei lentile este distanța dintre centrul optic al lentilei și focar.

g) Convergența unei lentile divergente este negativă.

h) Convergența unei lentile se măsoară în dioptrii.

i) Lentila convergentă transformă un fascicul paralel într-un fascicul divergent.

j) Lupa este o lentilă divergentă.


6) O rază de lumină trece din diamant (n = 2,42) în aer (n = 1) sub un unghi de incidență de 15°. Se cere :

a) Sinusul unghiului de refracție, știind că sin 15° este de 0,25.

b) Poate avea loc reflexia totală pentru un alt unghi de incidență . Dacă da, calculează sinusul unghiului limită.


7) La ce adâncime se poate ascunde un peștișor în apă sub frunza unui lotus cu diametrul de 20 cm, știind indicele de refracție al apei de 4/3 și cel al aerului de 1 ?


8) Care sunt condițiile ca pe cer să apară curcubeul?


9) Descompunerea luminii albe în culorile curcubeului se poate observa nu numai pe cer la apariția curcubeului, ci și în alte situații : pe o peliculă de săpun, pe o peliculă de petrol, pe picăturile de rouă, pe marginea teșită a unei oglinzi etc. Cum se numește acest fenomen suferit de lumină?


10) În care din cele trei cazuri raza vine din aer (n = 1), trece prin plexiglas (n = 1,49) și iese în aer ?




11) Maria când a venit azi la școală și-a uitat ochelarii de vedere acasă. Ea citește un exercițiu la fizică ținând cartea departe de ochi. Ce defect de vedere are ea?


12) Vlad când a venit azi la școală și-a uitat ochelarii de vedere acasă. El citește o problemă la fizică ținând cartea foarte aproape de ochi. Ce defect de vedere are el?


13) Cum poate un copil care nu știe ce defect de vedere are să își dea seama cu ajutorul ochelarilor săi și a caietului de fizică?


14) Câte dioptrii au ochelarii cu o distanță focală de 25 cm?


15) Cum poți determina distanța focală a unei lupe de ceasornicar?


16) De ce lumina pâlpâie deasupra flăcării unei lumânări?



III.9. Test de autoevaluare – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

Test de autoevaluare – Reflexia totală. Lentile. Formarea imaginii unui obiect în lentile. Formulele lentilelor. Ochiul uman. Defecte de vedere.

1) Completează următoarele afirmații:

a) Reflexia totală are loc când lumina se întoarce în primul mediu având unghiul de refracție de ………. -0,25p

b) Culorile primare din optică sunt :...................................................... -0,25p

c) Pentru a avea loc reflexia totală indicele primului mediu trebuie să fie mai ...........decât al celui de-al doilea. -0,25

d) Distanța focală este distanța dintre centrul optic și ...............al lentilei. -0,25p


2) Scrie ce fenomen optic este implicat în următoarele afirmații:

a) Formarea imaginii în lentile. -0,25p

b) Fibrele optice folosite la internet și televiziunea prin cablu. -0,25p

c) Ochelarii de vedere corectează defectele de vedere. -0,25p

d) Catadioptrii roșii folosiți la panourile reflectorizante. -0,25p


3) Răspunde la următoarele întrebări:

a) Ce obiecte nu vede clar un miop? -0,25p

b) Cu ce lentile se corectează miopia? -0,25p

c) Unde se formează imaginea obiectelor la ochiul hipermetrop? -0,25p

d) Ce rol joacă cristalinul pentru vederea noastră? -0,25p


4) O rază de lumină provenită din apă cu n = 1,33 pe suprafața apei. Știind indicele de refracție al aerului n = 1, unghiul limită al acestei perechi apă-aer de 49°, desenează o rază de lumină reflectată total în apă. -1p


5) În fața unei lentile divergente cu distanța focală de 30 cm se așază un bec la o distanță de 40 cm. Se cere:

a) Desenează formarea imaginii becului în această lentilă. -1,25p

b) Calculează coordonata (distanța) la care se formează imaginea clară a becului față de lentilă. – 1p

c) Caracterizează imaginea becului. – 0,75p

d) De câte ori este mărită/ micșorată imaginea? -0,5p

e) Câte dioptrii are această lentilă? -0,5p

Oficiu -2p