Cserti József ELTE TTK. Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

Hasonló dokumentumok
Az optika a kvantummechanika előszobája

OPTIKA. Ma sok mindenre fény derül! /Geometriai optika alapjai/ Dr. Seres István

Optika fejezet felosztása

Ahol a hullámok karamboloznak

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Optika gyakorlat 1. Fermat-elv, fénytörés, reexió sík és görbült határfelületen. Fermat-elv

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Optika gyakorlat 1. Fermat-elv, fénytörés, reflexió sík és görbült határfelületen

A geometriai optika. Fizika május 25. Rezgések és hullámok. Fizika 11. (Rezgések és hullámok) A geometriai optika május 25.

Történeti áttekintés

MateFIZIKA: Szélsőértékelvek a fizikában

Optika és Relativitáselmélet

OPTIKA. Vékony lencsék, gömbtükrök. Dr. Seres István

OPTIKA. Geometriai optika. Snellius Descartes-törvény szeptember 19. FIZIKA TÁVOKTATÁS

Elektromágneses hullámok - Interferencia

Az optika tudományterületei

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Geometriai Optika (sugároptika)

Fény, mint elektromágneses hullám, geometriai optika

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

A gradiens törésmutatójú közeg I.

Mi a fata morgana? C10:: légköri tükröződési jelenség leképezési hiba arab terrorszervezet a sarki fény népies elnevezése

Bevezetés Első eredmények Huygens és Newton A fény hullámelmélete Folytatás. Az optika története. SZE, Fizika és Kémia Tsz. v 1.0

Optika gyakorlat 2. Geometriai optika: planparalel lemez, prizma, hullámvezető

A fény útjába kerülő akadályok és rések mérete. Sokkal nagyobb. összemérhető. A fény hullámhoszánál. A fény hullámhoszával

Optikai alapmérések. Mivel több mérésről van szó, egyesével írom le és értékelem ki őket. 1. Törésmutató meghatározása a törési törvény alapján

OPTIKA. Vékony lencsék képalkotása. Dr. Seres István

ELEKTROMÁGNESES REZGÉSEK. a 11. B-nek

A fény visszaverődése

OPTIKA. Gömbtükrök képalkotása, leképezési hibák. Dr. Seres István

2. OPTIKA. A tér egy pontján akárhány fénysugár áthaladhat egymás zavarása nélkül.

11. Előadás Gradiens törésmutatójú közeg II.

, ahol a beesési, a törési (transzmissziós szög), n egy arányszám, az adott közeg (vákuumhoz viszonyított) törésmutatója.

OPTIKA-FÉNYTAN. A fény elektromágneses hullám, amely homogén közegben egyenes vonalban terjed, terjedési sebessége a közeg anyagi minőségére jellemző.

Optika gyakorlat 5. Gyakorló feladatok

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

2. Miért hunyorognak a csillagok? Melyik az egyetlen helyes válasz? a. A Föld légkörének változó törésmutatója miatt Hideg-meleg levegő

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

OPTIKA-FÉNYTAN. A fény elektromágneses hullám, amely homogén közegben egyenes vonalban terjed, terjedési sebessége a közeg anyagi minőségére jellemző.

c v A sebesség vákumbanihoz képesti csökkenését egy viszonyszámmal, a törémutatóval fejezzük ki. c v

Elektromágneses hullámok - Hullámoptika

Néhány véges trigonometriai összegről. Határozzuk meg az alábbi véges összegek értékét!, ( 1 ) ( 2 )

A világtörvény keresése

Optika. sin. A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert, illetve a megtört fénysugár egy síkban van.

Egy kis ismétlés geometriai optikából. A Fermat - elvről

Hajder Levente 2017/2018. II. félév

Tartalom. Tartalom. Anyagok Fényforrás modellek. Hajder Levente Fényvisszaverési modellek. Színmodellek. 2017/2018. II.

Hullámoptika II.Két fénysugár interferenciája

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Megoldás: feladat adataival végeredménynek 0,46 cm-t kapunk.

Optika az orvoslásban

Két naszád legkisebb távolsága. Az [ 1 ] gyűjteményben találtuk az alábbi feladatot és egy megoldását: 1. ábra.

Fizikai elméletek a szivárványról

GEOMETRIAI OPTIKA I.

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

d) A gömbtükör csak domború tükröző felület lehet.

A látás és látásjavítás fizikai alapjai. Optikai eszközök az orvoslásban.

Algebra es sz amelm elet 3 el oad as Nevezetes sz amelm eleti probl em ak Waldhauser Tam as 2014 oszi f el ev

FÉNYTAN A FÉNY TULAJDONSÁGAI 1. Sorold fel milyen hatásait ismered a napfénynek! 2. Hogyan tisztelték és minek nevezték az ókori egyiptomiak a Napot?

A folyammenti kultúrák. (a, b, c) N 3 Pithagoraszi számhármas, ha. Pithagoraszi számhármasok, a Fermat problémakör. a 2 + b 2 = c 2.

Az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

A folyammenti kultúrák. (a, b, c) N 3 Pithagoraszi számhármas, ha. Pithagoraszi számhármasok, a Fermat problémakör. a 2 + b 2 = c 2.

Egy kvantumradír-kísérlet

Digitális tananyag a fizika tanításához

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

100 kérdés Optikából (a vizsgára való felkészülés segítésére)

Optika gyakorlat 7. Fresnel együtthatók, Interferencia: vékonyréteg, Fabry-Perot rezonátor

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

3. tétel Térelemek távolsága és szöge. Nevezetes ponthalmazok a síkon és a térben.

24. Fénytörés. Alapfeladatok

Készítsünk fekete lyukat otthon!

Az éjszakai rovarok repüléséről

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

A fény terjedése és kölcsönhatásai I.

Mikroszkóp vizsgálata Folyadék törésmutatójának mérése

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

1. Az előző előadás anyaga


3. OPTIKA I. A tér egy pontján akárhány fénysugár áthaladhat egymás zavarása nélkül.

Optika gyakorlat 3. Sugáregyenlet, fényterjedés parabolikus szálban, polarizáció, Jones-vektor. Hamilton-elv. Sugáregyenlet. (Euler-Lagrange egyenlet)

Az optikai jelátvitel alapjai. A fény két természete, terjedése

Optomechatronika I Antal Ákos

6Előadás 6. Fénytörés közeghatáron

Mit mond ki a Huygens elv, és miben több ehhez képest a Huygens Fresnel-elv?

KVANTUMJELENSÉGEK ÚJ FIZIKA

XVIII. A FÉNY INTERFERENCIÁJA

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

25. Képalkotás. f = 20 cm. 30 cm x =? Képalkotás

TÁVKÖZLÉSI ISMERETEK FÉNYVEZETŐS GYAKORLAT. Szakirodalomból szerkesztette: Varga József

Az elektromágneses hullámok

a fizikai (hullám) optika

A diákok végezzenek optikai méréseket, amelyek alapján a tárgytávolság, a képtávolság és a fókusztávolság közötti összefüggés igazolható.

Hullámok tesztek. 3. Melyik állítás nem igaz a mechanikai hullámok körében?

Optikai eszközök modellezése. 1. feladat Egyszerű nagyító (lupe)

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Lencse típusok Sík domború 2x Homorúan domború Síkhomorú 2x homorú domb. Homorú

Átírás:

Cserti József ELTE TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék Fermat-elv, avagy a fénysugarak terjedésének univerzális törvénye a geometriai optikában Atomoktól a csillagokig előadássorozat középiskolásoknak ELTE Természettudományi Kar, Fizikai Intézet, 2015. szeptember 24., Budapest

Pierre de Fermat 1601-1665 francia jogász és műkedvelő matematikus Munkássága: Analízis (differenciál és integrálszámítás) Kombinatorika Valószínűségszámítás (Pascallal együtt) Analitikus geometria (kúpszeletek egyenlete) Számelmélet Fermat-elv (az első variációs elv, optikai alkalmazás)

Nagy Fermat-tétel (sejtés, 1637) Lehetetlen egy köbszámot felírni két köbszám összegeként, vagy egy negyedik hatványt felírni két negyedik hatvány összegeként, általában lehetetlen bármely magasabb hatványt felírni két ugyanolyan hatvány összegeként. Igazán csodálatos bizonyítást találtam erre a tételre. A margó azonban túlságosan keskeny, semhogy ideírhatnám. Pontosabban: egyenletnek nincs megoldása a nemnulla egész számok körében n > 2 természetes szám esetén. Megjegyzések: n = 2-re az egyenlet megoldásai a pitagoraszi számhármasok. n = 4 esetre Fermat bizonyítását később megtalálták, n = 3 esetre Euler bizonyította. Számítógéppel 4 milliónál kisebb prímekre. x y z 3 4 5 5 12 13 7 24 25 8 15 17... Végül 1995-ben (358 évvel később!!!) Andrew Wiles bizonyította be a tételt. Sir Andrew John Wiles (1953. április 11.) az Amerikai Egyesült Államokban élő angol matematikus. Kis Fermat-tétel: tetszőleges a egész számra és p prímszámra osztható p-vel

Hogyan terjed a fény? S P tükör

idő Feynman-féle pályaösszegzés (path integral) Richard Phillips Feynman (1918-1988)

idő Feynman-féle pályaösszegzés

S P

Még több pálya hatása

Az eredő amplitúdó nagysága alig változik, ha a tükörnek egyre nagyobb részét vesszük figyelembe

S P A tükörnek a rossz részét vesszük.

Miért terjed a fénysugár egyenes vonalban? S A F B G C E D P idő Homogén közegben igaz a fénysugár megfordíthatóságának elve.

Fermat-elv (1657) a fény sebessége vákuumban Fény sebessége közegben: a közeg törésmutatója (az anyagtól, a fény színétől, és a helytől is függhet) A fénysugár azt a pályát választja, amelyet a legrövidebb idő alatt tesz meg. Nem a legrövidebb út, hanem a legrövidebb idő számít! (átalában minimum) Fermat-elv: szélsőérték

Mi van a tik-tak órás mese mögött? A fény a sok szomszédos, közel azonos időt igénylő pályák közül választ. De hogyan választja ki a legrövidebb idejű pályát? Hogyan dönti el, hogy melyik a legrövidebb idejű pálya? Végigszimatolja a közel azonos pályákat és összehasonlítja őket egymással? Válasz: igen. Mindez a fény hullámtermészetének köszönhető. A tik-tak óra fordulatszáma éppen a fény frekvenciája. A valódi pálya és a közeli, szomszédos pálya mentén terjedő fénysugarak, pontosabban hullámok közel azonos fázisban érkeznek a detektorhoz: erősítő interferencia. Az egymáshoz képest távoli (a fény hullámhosszánál nagyobb) pályák mentén haladó hullámok fázisa szinte véletlenszerű, a hullámok kioltják egymást. A fény hullámtermészetéből adódóan úgy látszik, mintha a hullámhosznál jóval nagyobb akadályok között a fény a Fermat-elv szerint terjedne. A jelenség pontos leírása csak a kvantumelektrodinamika alapján lehetséges.

Fénysugarak terjedésének alapja a geometriai optikában I. Tükrözés beesés síkja

saroktükör (macskaszem) A Holdra is tettek már saroktükröt! visszaveri a radarhullámokat

Elliptikus tükör: egy pontból kisugárzott fénysugarakat egy másik pontba gyűjti P O http://www.edmundoptics.com/ Összhangban a Fermat-elvvel.

Tükörös teleszkópok, antennák Newton-távcső Parabola tükör, antenna parabola tükör Egy modern verzió: Hubble-űrteleszkóp (légköri mozgások, légkör áteresztőképessége nem zavarja) A parabola tükör a párhuzamosan bejövő fénysugarakat a fókuszpontba gyűjti. Összhangban a Fermat-elvvel.

Saját fénykép (Lake District, UK)

Fénysugarak terjedésének alapja a geometriai optikában II. A fénysugarak törése Snellius-Descartes-törvény levezetése a Fermat-elvből: A A-ból B-be a fény terjedésének ideje: minimális törőfelület B

Fénytörés közeg határán A-ból a B-be a legrövidebb (minimális) idő alatt kell eljutni. Tegyük fel, hogy ez a pálya az ACB tört vonal. Ettől a pályától kissé eltérő AXB pályán a fény közel azonos ideig halad. A A' A' C X B' d C X B' Azonos idők B

Snellius-Descartes-törvény törőfelület Willebrord Snellius (Willebrord Snel van Royen) Leiden (1580-1626) Sok tankönyvben: René Descartes Franciaország (1596 1650)

Snellius-Descartes-törvény törőfelület Willebrord Snellius (Willebrord Snel van Royen) Leiden (1580-1626) Sok tankönyvben: René Descartes Franciaország (1596 1650)

Snellius-Descartes-törvény törőfelület Willebrord Snellius (Willebrord Snel van Royen) Leiden (1580-1626) René Descartes Franciaország (1596 1650)

fénytörés csillagok látszólagos helye

Délibáb Sulinet, 8. évfolyam A forró úttest közelében kisebb a törésmutató, mint távolabb. A törésmutató nő a magassággal. Felhők tükröződése Ha a törésmutató lineárisan növekszik a magassággal, akkor a fénysugár pályája láncgörbe.

Lencsék Gyűjtőlencse: a lencsén keresztül az A pontból induló összes fénysugár a B pontba jut. A lencse alakját úgy tervezik, hogy minden pályára a terjedési idő azonos legyen. A Fermat-elvből levezethető a jól ismert lencse-törvény: A B Fresnel-lencse: lapos lencse, a megfelelően kimetszett lencsedarabkák a bejövő párhuzamos sugarakat egy pontba gyűjtik össze (Augustin Jean Fresnel francia fizikus, 1818 körül eredetileg világítótornyok számára fejlesztette ki). Augustin-Jean Fresnel (1788-1827)

Változó törésmutatójú anyagok Gradient-index (GRIN) optics A törésmutató parabolikusan változik a sugár függvényében (x). A fénysugárak pályáját a Fermat-elvből számolhatjuk ki. A lapos lencse tökéletesen fókuszál, nincsenek lencsehibák. optikai szálak Optikai szálak készítése. Könnyen hozzátehetünk további lencséket.

Egy bolygón körbefutó fénysugár Gnädig Péter, Honyek Gyula, Vigh Máté: 333 furfangos feladat fizikából (Typotex Kiadó, 2014) F. 201. Egy gömb alakú bolygón a légkör törésmutatója a felszíntől mért h magasság függvényében az összefüggés szerint változik, ahol és állandók. A bolygó különlegessége, hogy a tetszőleges magasságban vízszintesen elindított lézersugár mindig körbeszalad a bolygón. Mekkora a bolygó sugara? (megoldás: M. 201) r azonos idők R bolygó A törésmutató 1/r szerint csökken a bolygótól távolodva.

Hullámoptika Hullámoptika James Clerk Maxwell (1831 1879) Maxwell-egyenletek

Hullámoptika határesete: geometriai optika Hullámoptika James Clerk Maxwell (1831 1879) Maxwell-egyenletek közelítés Geometriai optika Fermat-elv Pierre de Fermat (1601 1665)

Analógia az optika és a mechanika között Hullámoptika James Clerk Maxwell (1831 1879) Maxwell-egyenletek közelítés Geometriai optika Fermat-elv analógia Mechanika Hamilton-elv Pierre de Fermat (1601 1665) William Rowan Hamilton (1805 1865)

Mi a hullámoptika analógja? James Clerk Maxwell (1831 1879) Hullámoptika Maxwell-egyenletek közelítés analógia?????????????? Geometriai optika Fermat-elv analógia Mechanika Hamilton-elv Pierre de Fermat (1601 1665) William Rowan Hamilton (1805 1865)

A hullámoptika analógja a kvantummechanika Hullámoptika Maxwell-egyenletek analógia Kvantummechanika Schrödinger-egyenlet James Clerk Maxwell (1831 1879) közelítés közelítés Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887 1961) Geometriai optika Fermat-elv analógia Mechanika Hamilton-elv Pierre de Fermat (1601 1665) William Rowan Hamilton (1805 1865)

Irodalom Richard P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands: Mai fizika III. ( Optika. Anyaghullámok) (Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985) www.atomcsill.elte.hu Richard P. Feynman: QED A megszilárdult fény (Scolar Kiadó, 2007) Gnädig Péter, Honyek Gyula, Vigh Máté: 333 furfangos feladat fizikából (Typotex Kiadó, 2014) Köszönetnyilvánítás 2015 A fény nemzetközi éve Dávid Gyula Vigh Máté