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

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

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

Optika gyakorlat 5. Gyakorló feladatok

A fény visszaverődése

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

Geometriai Optika (sugároptika)

A gradiens törésmutatójú közeg I.

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

OPTIKA. Vékony lencsék, gömbtükrök. Dr. Seres István

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

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

MateFIZIKA: Szélsőértékelvek a fizikában

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

Történeti áttekintés

d) A gömbtükör csak domború tükröző felület lehet.

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

Digitális tananyag a fizika tanításához

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

Ugrásszerűen változó törésmutató, optikai szálak

Geometriai optika. Alapfogalmak. Alaptörvények

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

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

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

GEOMETRIAI OPTIKA I.

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

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

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

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

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Érettségi feladatok Koordinátageometria_rendszerezve / 5

Optika fejezet felosztása

Érettségi feladatok: Koordináta-geometria 1/5

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

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

OPTIKA. Vékony lencsék. Dr. Seres István

Optika az orvoslásban

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

11. Előadás Gradiens törésmutatójú közeg II.

Matematika 11 Koordináta geometria. matematika és fizika szakos középiskolai tanár. > o < szeptember 27.

Cserti József ELTE TTK. Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

Fény, mint elektromágneses hullám, geometriai optika

Elektromágneses hullámok - Interferencia

A 2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első forduló MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA) Javítási-értékelési útmutató

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

24. Fénytörés. Alapfeladatok

Transzformáció a főtengelyekre és a nem főtengelyekre vonatkoztatott. Az ellipszis a sík azon pontjainak mértani helye, amelyeknek két adott pontól

Optika gyakorlat Példa: Leképezés hengerlencsén keresztül. 1. ábra. Hengerlencse. P 1 = n l n R = P 2. = 2 P 1 (n l n) 2. n l.

6Előadás 6. Fénytörés közeghatáron

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

OPTIKA. Vékony lencsék képalkotása. Dr. Seres István

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

Feladatok megoldásokkal a harmadik gyakorlathoz (érintési paraméterek, L Hospital szabály, elaszticitás) y = 1 + 2(x 1). y = 2x 1.

Csillagászati észlelés gyakorlat I. 3. óra: Távcsövek és távcsőhibák

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

13. Előadás. A Grid Source panelen a Polarization fül alatt megadhatjuk a. Rendre az alábbi lehetőségek közül választhatunk:

10. Differenciálszámítás

Bevezetés az elméleti zikába

10. Koordinátageometria

Szélsőérték problémák elemi megoldása II. rész Geometriai szélsőértékek Tuzson Zoltán, Székelyudvarhely

Egybevágósági transzformációk. A geometriai transzformációk olyan függvények, amelyek ponthoz pontot rendelnek hozzá.

Síkbeli egyenesek. 2. Egy egyenes az x = 1 4t, y = 2 + t parméteres egyenletekkel adott. Határozzuk meg

Az egyenes ellipszishenger ferde síkmetszeteiről

8. feladatsor. Kisérettségi feladatsorok matematikából. 8. feladatsor. I. rész

Síkgeometria 12. évfolyam. Szögek, szögpárok és fajtáik

8. előadás. Kúpszeletek

NULLADIK MATEMATIKA szeptember 7.

Feladatok. 1. a) Mekkora egy 5 cm oldalú négyzet átlója?

Koordináta geometria III.

1. Az előző előadás anyaga

Egy kis ismétlés geometriai optikából. A Fermat - elvről

7. Előadás. A vékony lencse közelítésben a lencse d vastagsága jóval kisebb, mint a tárgy és képtávolságok.

Pitagorasz-tétel. A háromszög derékszögű, ezért írjuk fel a Pitagorasz-tételt! 2 2 2

Geometria 1 összefoglalás o konvex szögek

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

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

Analízis III. gyakorlat október

Számítógépes Grafika mintafeladatok

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2009/2010-es tanév első (iskolai) forduló haladók II. kategória

Példa: Háromszög síkidom másodrendű nyomatékainak számítása

9. Írjuk fel annak a síknak az egyenletét, amely átmegy az M 0(1, 2, 3) ponton és. egyenessel;

Koordináta-geometria feladatok (emelt szint)

Exponenciális és logaritmusos kifejezések, egyenletek

20. tétel A kör és a parabola a koordinátasíkon, egyenessel való kölcsönös helyzetük. Másodfokú egyenlőtlenségek.

Geometriai alapok Felületek

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT. Koordináta-geometria

EÖTVÖS LORÁND SZAKKÖZÉP- ÉS SZAKISKOLA TANÍTÁST SEGÍTŐ OKTATÁSI ANYAGOK MÉRÉS TANTÁRGY

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Mikroszkóp vizsgálata Lencse görbületi sugarának mérése Folyadék törésmutatójának mérése

Többváltozós függvények Feladatok

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

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

x = cos αx sin αy y = sin αx + cos αy 2. Mi a X/Y/Z tengely körüli forgatás transzformációs mátrixa 3D-ben?

A főtengelyproblémához

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

A szem optikája. I. Célkitűzés: II. Elméleti összefoglalás: A. Optikai lencsék

Egy pont földfelszíni helyzetét meghatározzák: a pont alapfelületi földrajzi koordinátái a pont tengerszint feletti magassága

9. Trigonometria. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 1. Tegye nagyság szerint növekvő sorrendbe az alábbi értékeket! Megoldás:

Kinematika szeptember Vonatkoztatási rendszerek, koordinátarendszerek

Átírás:

Optika gyakorlat 1. Fermat-elv, fénytörés, reflexió sík és görbült határfelületen Kivonat Geometriai optika: közelítés, amely a fényterjedést, közeghatáron való áthaladást geometriai alakzatok görbék segítségével írja le. Ezen görbéket fénysugaraknak nevezzük. Fermat-elv eredeti megfogalmazásban: a fény két pont között a legrövidebb úton terjed. Ez egy hasznos eszköz a fény útjának számolására, szemléltetésére. Fermat-elv A Fermat-elv modern megfogalmazásban: a fény két pont között azon az úton terjed, amely megtételéhez szükséges idő szélsőértéket vesz fel (legkisebb vagy legnagyobb). Ez hasonló a mechanikából ismert Hamilton-elvhez. B B δ (OP L) = δ n(r) ds = δ A A dop L(ɛ) dɛ c B v(r) ds = c δ A = 0 OP L = ɛ=0 1. példa: Fénytörés két közeg határfelületén Igazoljuk a törési törvényt a Fermat-elv segítségével! Megoldás: n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 OP L = P P n(r) ds = n 1 a 2 + x 2 + n 2 b 2 + (d x) 2 dt = 0 max min inflexió (Fermat elv) dop L dx = n 1 x a2 + x n 2(d x) 2 b2 + (d x) = 0 2 = n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 1. ábra. Fénytörés 1

2. példa: Parabolikus tükör - tökéletes fókuszálás 2. ábra. Parabolikus reflektor (forrás: MIT Optics Course Number 2.71 / 2.710) A végtelenből jövő párhuzamos fénysugarak tökéletesen egy pontba fókuszálódnak le. Az ilyen felületeket ún. karteziánus felületeknek (Cartesian surface) nevezzük. Mi a felület egyenlete? Megoldás: A fénysugarak a legrövidebb optikai úthosszt követik, ami minden fénysugárra ugyanaz. Hasonlítsuk össze a középső és egy szélső fénysugár optikai úthosszát: 2f = f s + x 2 + (f s) 2 f + s = x 2 + (f s) 2 x 2 = (f + s) 2 (f s) 2 = 4sf s(x) = x2 4f 3. ábra. Parabolikus tükör fényútjai merőleges és ferde beesés esetén 3. példa: Gömbtükör paraxiális közelítésben Paraxiális közelítésben vizsgáljuk meg a gömbtükör leképezését. Állapítsunk meg egy összefüggést az optikai tengelyen lévő tárgypont és képpont pozíciója között (leképkezési 2

törvény). Mennyi a gömbtükör fókusztávolsága? (Paraxiális közelítés: a fénysugarak az optikai tengellyel kis szöget zárnak be, és az optikai tengelyhez közel terjednek.) Megoldás: Tekintsük a P 1 pontból θ 1 szög alatt induló fénysugarat, mely a tükrözést követően P 2 ponton halad át θ 2 szög alatt. (A θ 1 és θ 2 szög előjele pozitív) A gömb sugara legyen R, és a C középpontból az y magasságban elhelyezkedő tükrözési pontba húzott sugár z-tengellyel bezárt szöge legyen θ 0. Ekkor a P 1 OP 2 háromszög és a COP 2 háromszög külső és belső szögei közötti összefüggések: θ 1 = θ 0 θ ; θ 2 = θ 0 + θ = θ 2 + θ 1 = 2θ 0 2y R, ahol y az magasság, ahol a visszeverődés történik. Hasonlóan a többi szögre is a kis szögű közelítést alkalmazva: 1 + 1 2 z 1 z 2 R Ha végtelenből jövő, párhuzamos sugarakat vizsgálunk (z 1 ), akkor azok a z 2 = R 2 pozícióba fókuszálódnak. Ezt nevezzük definíció szerint fókusztávolságnak f z 2 = R 2 és fókuszpontnak (F). 4. ábra. Gömbtükör leképezése paraxiális közelítésben, (kép forrás: Saleh-Teich: Fundamentals of Photonics) 4. példa: Ellipszoid alakú lencse - tökéletes fókuszálás A végtelenből érkező tengelypárhuzamos fénysugarak tökéletesen egy pontba fókuszálhatók. Határozzuk meg az ideális fókuszáló lencse felületének alakját. Megoldás: A fénysugarak a legrövidebb optikai úthosszt követik, ami minden fénysugárra ugyanaz. Hasonlítsuk össze a középső és egy szélső fénysugár optikai úthosszát: OP L = nf = s + n f s) 2 + x 2 nf s = n (f s) 2 + x 2 n 2 f 2 + s 2 2nfs = n 2 f 2 + n 2 s 2 2n 2 fs + n 2 x 2 n 2 x 2 + (n 2 1)s 2 2(n 2 n)fs = 0 3

5. ábra. Gömbtükör leképezése a valóságban, közelítések nélkül 6. ábra. Elliptikus lencse (forrás: MIT Optics Course Number 2.71 / 2.710) Alakítsuk teljes négyzetté s kifejezését, és az ellipszis egyenletét kapjuk: n 2 x 2 + (n 2 1)(s n n + 1 f)2 (n 2 n 1)( n + 1 )2 f 2 = 0 n 2 x 2 n 2 1 + (s n n n + 1 f)2 = ( n + 1 f)2 (s n n+1 f)2 ( n + x2 n+1 f)2 n 1 f = 1 n+1 2 7. ábra. Elliptikus lencse fényútjai tengelypárhuzamos sugarak esetén 4

5. példa: Gömblencse - paraxiális közelítésben Paraxiális közelítésben vizsgáljuk meg a gömblencse leképezését. 8. ábra. Gömblencse leképezése (forrás: Saleh-Teich: Fundamentals of Photonics) Megoldás: Tekintsük a P 1 pontból θ 1 szög alatt induló fénysugarat, mely a törést követően P 2 ponton halad át θ 2 szög alatt. A gömb sugara legyen R, és a C középpontból az y magasságban elhelyezkedő törési pontba húzott sugár z-tengellyel bezárt szöge legyen θ 0. Ekkor a beesési szög θ 1 θ 0, a törési szög pedig θ 2 θ 0. A törési törvény szerint: n 1 sin(θ 1 θ 0 ) = n 2 sin(θ 2 θ 0 ) Kis szögek esetén alkalmazható a következő közelítés: θ sin(θ) tan(θ) Ezeket felhasználva kapjuk a gömblencse leképezési törvényét paraxiális közelítésben: n 1 (θ 1 θ 0 ) = n 2 (θ 2 θ 0 ) n 1 ( y z 1 + y R ) = n 2 ( y z 2 + y R ) n 1 + n 2 = n 2 n 1 z 1 z 2 R = P (a felület törőereje) 9. ábra. Gömblencse fényútjai tengelypárhuzamos sugarak esetén (Comsol Multiphysics) 5

10. ábra. Bikonvex vékonylencse (forrás: Saleh-Teich: Fundamentals of Photonics) Könnyen belátható, hogy egy R 1 és egy R 2 sugarú gömbfelületekből összeállított bikonvex vékonylencse fókusztávolsága: 1 f = (n 1) ( 1 R 1 1 R 2 ), ugyanis az eredő törőerő az egyes felületek törőerejének összege. 6. példa: Üregtükör - ellipszis Tekintsünk egy üreget, melynek belső felülete tükör. A fényforrás az üreg tengelye mentén az S(-h,0) pontban helyezkedik el. Az üreg úgy tükrözi az S forráspontból induló összes fénysugarat, hogy azok mind a P(h,0) ponton haladnak keresztül.határozzuk meg az S-ből P-be való terjedés úthosszát és adjuk meg az üreg alakját, valamint az S és P pontok helyét. 11. ábra. Üreg tükör (forrás: MIT Optics Course Number 2.71 / 2.710) Megoldás: A Fermat-elv következtében az optikai úthossz minden fénysugárra meg kell hogy egyezzen. Tekintsük a legegyszerűbb útvonalat az üreg tengelye mentén és határozzuk meg ennek a hosszát. Mivel az üreg belsejében n = 1 törésmutatójú levegő van, 6

ezért ez megegyezik az optikai úthosszal. OP L = 1 [h + a + (a h)] = 2a Az üreg alakjának meghatározásához használjuk ismét a Fermat-elvet. Tetszőleges (x,y) pontban tükröződő fénysugár optikai úthossza OP L = 2a kell hogy legyen. 12. ábra. Ellipszis alakú tükör leképezése (forrás: MIT Optics Number 2.71 / 2.710) OP L = 2a = (h + x) 2 + y 2 + (h x) 2 + y 2 2a (h + x) 2 + y 2 = (h x) 2 + y 2 4a 2 + h 2 + 2hx + x 2 + y 2 4a (h + x) 2 + y 2 = h 2 2hx + x 2 + y 2 a 2 + hx = a (h + x) 2 + y 2 a 4 + 2a 2 hx + h 2 x 2 = a 2 h 2 + a 2 x 2 + 2a 2 hx + a 2 y 2 a 2 + a2 h 2 x2 = h 2 + x 2 + y 2 y 2 = (a 2 h 2 ) + h2 a 2 a 2 x 2 Vezessük be a b 2 = a 2 h 2 új változót.ezt behelyettesítve kapjuk: y 2 = b 2 b2 a 2 x2 x 2 a + y2 2 b = 1 2 Tehát az üreg alakja egy ellipszis, ahol a és b a nagy- és kistengelyek hossza. b definícióját felhasználva h 2 = a 2 b 2, ami éppen az ellipszis fókuszpontjának a középponttól mért távolsága. Tehát az S forrás és a P gyűjtőpont az ellipszis két gyújtópontjában helyezkedik el. 7. példa: Binocular (binokuláris távcső) Tekintsük egy binocular egyik karját, ami egy teleszkópként is vizsgálható, ahol a két lencse f 1 = 25cm, f 2 = 5cm közös fókuszponttal rendelkezik. Határozzuk meg a prizmában történő teljes visszaverődéshez szükséges feltételt a törésmutatóra. Határozzuk meg a közös fókuszpont helyét (ez a "field stop" az ábrán). 7

13. ábra. Binokulár (forrás: MIT Optics Course Number 2.71 / 2.710) Megoldás: A teljes visszaverődés feltétele n 1 sin(θ 1 ) n 2. A példában n 2 = 1 a levegő törésmutatója, és mivel egyenlőszárú derékszögű prizmákat tartalmaz a rendszer θ 1 = 45 0. Ebből a törésmutatóra adódó feltétel: n 1 1 sin(45 0 ) = 2 A hagyományos üvegek törésmutatója áltlalában éppen megfelel ennek a feltételnek. A 14. ábra. Binocular leképezése (forrás: MIT Optics Course Number 2.71 / 2.710) továbbiakban legyen n 1 = 1, 5. Határozzuk meg a második prizma után milyen távolságra fog elhelyezkedni a két lencse közös fókuszpontja. A hátsó fókusz helyét úgy határozzuk meg, hogy a prizmás esetben az optikai úthossz a fókuszpontig megegyezzen az első lencse levegőben mért fókusztávolságával. Így egy darab prizmában történő terjedésre írható, hogy: OP Lpriz = d priz n priz = 5 1.5 8

Ezek alapján a binocularban megtett optikai úthosszal azonos nagyságű a levegőben megtett úthosszal: OP L = L 1 + d priz n priz + H + d priz n priz + d Az optikai úthossz meg kell, hogy egyezzen az első lencse fókusztávolságával: f = OP L d = f L 1 d priz n priz H d priz n priz = 3cm Tehát a fókusz a prizmától jobbra 3 cm távolságra fog elhelyezkedni. 1. Házi feladat: Gömbtükör - valós fényutak Tekintsünk egy gömbtükröt, melynek sugara R és középpontja P. Legyen P a z- tengely egy pontja. A Fermat-elv segítségével határozzuk meg a valós fényutakat z < R és z > R esetén, valamint azt, hogy ezek minimális vagy maximális optikai úthosszhoz tartoznak. 15. ábra. Gömbtükör Megoldás: A Fermat-elv szerint azon fényutak valósulnak meg, melyek optikai úthossza extremum. Vizsgáljuk meg az O (z, x) pontban visszaverődő fényút optikai úthosszát. A közeg levegő, melynek törésmutatója n = 1. Ekkor a P O P optikai úthossz a következőképpen számolható: OP L = 1 [ ((z R) + R 2 x 2 ) 2 + x 2 + R] Legyen az OP O szög α, ekkor: Ezt felhasználva az optikai úthossz: x = R sinα OP L = 1 [ ((z R) + R cosα) 2 + R 2 sin 2 α + R] 9

Az optikai úthossz extrémumát keressük deriválással, az optikai úthossz α szerinti parciális deriváltja: dop L dα = R2 sinα cosα (z R + R cosα) R sinα ((z R) + R cosα)2 + R 2 sin 2 α = 0 A tört akkor lehet 0, ha a számlálója 0: R 2 sinα cosα (z R + R cosα) R sinα = 0 (z R) R sinα = 0 Mivel z R és R 0, ezért az egyenletnek csak sinα = 0 a megoldása. Mivel az α szöget OP O szögként definiáltuk, ezért π 2 < α < π. Így az egyenlet egyetlen megoldása 2 α = 0. Tehát mind z < R, mind z > R esetén a P OP a megvalósuló fényút. A két eset különbsége a szélsőérték jellegében mutatkozik meg. A szélsőérték jellegét az O ponthoz illesztett z sugarú simulókör megrajzolásával szemléltethetjük. A z > R eset látható az ábrán. 16. ábra. A gömbtükör és az O ponthoz illesztett simulókör z > R esetén a megvalósuló P OP fényút hossza z + R, mely hosszabb az összes többi meg nem valósuló P O P út hosszánál, mivel P O rövidebb, mint z, így P O P hossza kisebb, mint z + R. Tehát z > R esetén a maximális optikai úthosszhoz tartozó fényút valósul meg. Ezzel szemben z < R esetén a megvalósuló P OP fényút hossza ugyancsak z + R, azonban ez rövidebb az összes többi meg nem valósuló P O P út hosszánál, mivel P O ebben az esetben hosszabb mint z, így P O P hossza nagyobb, mint z + R. Tehát z < R esetén a minimális optikai úthosszhoz tartozó fényút valósul meg. 10

2. Házi feladat: Üvegből kilépő fény - tökéletes fókuszálás törőfelülete Az üvegben (n törésmutatójú) terjedő tengelypárhuzamos fénysugarak a levegőbe kilépve tökéletesen egy pontba fókuszálhatók. Határozzuk meg az ideális fókuszáló lencse felületének alakját. 17. ábra. Lencsefelület leképezése (forrás: MIT Optics Course Number 2.71 / 2.710) 11