Struktura

Názory na podstatu světla

Jak vzniká obraz ve vodě?

obrazek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 1: Obraz ve vodě

 

Proč nyní vypadá stejná budova jinak?

obrazek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 2: Obraz budovy ve tmě za mlhy

 

Jak vzniká obraz v zrcadle?

obrazek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 3: Obraz v zrcadle

Odpovědi na tyto a jiné podobné otázky dává optika.

Je to nauka o světle zabývající se podstatou světla, šířením světla a zákonitostmi, které vznikají při vzájemném působení světla a látky.

Povahu světla se pokoušeli vědci vystihnout dlouhou dobu.

V dávných dobách (třetí století před naším letopočtem) se lidé domnívali, že zdrojem světla jsou naše oči, a pokud světlo dopadne na nějaký předmět, zarazí se o něj, a proto je možné tento předmět pozorovat. Tato představa byla samozřejmě mylná, protože jinak bychom si mohli vysílat paprsky světla i v noci – viděli bychom i v noci.

Koncem 17. století vznikly první dvě vědecké teorie světla.

Anglický fyzik I. Newton (1642–1727) považoval světlo za proud světelných částic (částicová [korpuskulární] teorie). Podle něho vyletovaly ze světleného zdroje na všechny strany velkou rychlostí zvláštní částice, které vyvolávaly po dopadu do oka zrakový vjem. Tato teorie dokázala vysvětlit přímočaré šíření světla i odraz a lom světla.

Druhá teorie předpokládala, že světlo je vlnění (vlnová teorie). Průkopníkem této myšlenky byl holandský fyzik Ch. Huygens (1629–1695). Domníval se, že světelný bod vykonává rychlé kmity, které se přenášejí na prostředí nazvané éter a v důsledku pružnosti éteru se šíří všemi směry. Pomocí této teorie vysvětlil zákon odrazu a lomu i vznik dvojlomu v krystalech. Ale jev přímočarého šíření světla nebylo možné pomocí této teorie vysvětlit.

Huygensova vlnová teorie nebyla přijata především kvůli slavnému jménu I. Newtona.

Začátkem 19. století přišel znovu s myšlenkou vlnové povahy světla anglický fyzik T. Young (1773–1829), který pokládal světlo za podélné vlnění světelného éteru. Když byla roku 1803 objevena polarizace světla odrazem, přiklonil se Young k názoru, že světlo je příčné vlnění „světelného éteru“. Vlnovou teorii propracoval A. J. Fresnel (1788–1827), kterému se podařilo na základě interference světla vysvětlit i přímočaré šíření světla v homogenním prostředí. Fresnel předpokládal, že světelný éter má vlastnosti pevného tělesa, protože v kapalinách a plynech nemůže příčné vlnění vzniknout.

Anglický fyzik J. C. Maxwell (1831–1879) na základě teorie elektromagnetického pole dospěl k názoru, že světlo je elektromagnetické vlnění o určitých vlnových délkách. 

S objevem fotoelektrického jevu (20. století) se museli fyzikové opět vrátit k myšlence částicové povahy světla na vyšší úrovni (fotoelektrický jev vysvětlil A. Einstein).

Od poloviny 20. století je platná teorie o dualitě částice a vlnění. Světlo se podle této teorie chová jako vlna, která nese kvantum (určité množství) energie; kvantum energie se nazývá foton.

Otázka skutečné povahy světla není doposud definitivně uzavřena.

Šíření světla nejlépe vysvětluje vlnová teorie a interakci světla s látkou zase kvantová teorie.

Optiku můžeme rozdělit do tří základních částí:

1. Geometrická (paprsková) optika, která je založena na přímočarém šíření světla, na principu nezávislosti chodu paprsků a na zákonu odrazu a lomu.

2. Vlnová, která zkoumá vlnové vlastnosti světla (interference světla, disperze světla, ohyb světla a polrizaci svěla).  

3. Kvantová, která studuje jevy, jež se nedají vysvětlit klasickou optikou (například fotoelektrický jev).

Co je tedy světlo?

Dnes bychom mohli říci, že světlo je elektromagnetické vlnění o vlnových délkách přibližně 390 nm až 790 nm ve vakuu, které má vlnový i kvantový ráz.

Ve většině středoškolských učebnicích je vlnová délka pro světlo ve vakuu definována v rozmezí 390 nm - 790 nm ve vakuu, ale některé jiné zdroje udávají i jiné rozsahy (například 380 nm - 760nm ve vakuu nebo 400 nm - 760 nm vakuu a podobně). Různý rozsah vlnových délek je dán podmínkami, za kterých jsou měření prováděna (každé lidské oko je jinak citlivé). V literatuře se někdy také do pojmu světlo zahrnuje i část infračerveného a ultrafialového záření a uvádí se rozsah vlnových délek 14 nm až 10000 nm ve vakuu, tento obor vlnových délek se ale potom častěji nazývá optické záření.

Světlo

Protože je světlo vlnění, má mnohé společné vlastnosti s mechanickým vlněním, a proto budeme využívat toho, co už z učiva o vlnění známe – rychlost šíření vlnění, vlnovou délku.

Rychlost šíření světla ve vakuu je c = 299 792 458 m · s-1 (pro všechny vlnové délky), pro řešení příkladů se využívá přibližné hodnoty c ≐ 3 · 10m · s-1. Rychlost šíření světla v každém jiném prostředí je menší (rychlost šíření světla ve vakuu je mezní rychlost ve vesmíru). Ve vzduchu je rychlost šíření světla přibližně 3 · 10m · s-1. Například ve vodě se světlo šíří rychlostí přibližně 2,25 · 10m · s-1. Rychlost šíření světla ve skle dosahuje hodnot přibližně 1,5 · 108 m · s-1 až  

2 · 108  m · s-1 (podle druhu skla).

V optice se pro výpočet rychlosti šíření světla v různých prostředích používá vztah pro absolutní index lomu optického prostředí (nadále pouze index lomu lomu prostředí):

n=\tfrac{c}{v}

c – rychlost šíření světla ve vakuu

v – rychlost šíření světla v daném prostředí

Rychlost šíření světla závisí nejen na prostředí, kterým se světlo šíří, ale i na frekvenci světla (viz později).

Pro výpočet vlnové délky platí vztah, který znáte z učiva o vlnění:

\lambda =\tfrac{v}{f}

v – rychlost šíření vlnění 

– frekvence vlnění 

 

Zdroje

  • BARTUŠKA, Karel a Zdeněk KUPKA. Sbírka řešených úloh z fyziky pro střední školy: Sbírka úloh pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2000, 198 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-719-6037-3.

  • LEPIL, Oldřich a Zdeněk KUPKA. Fyzika pro gymnázia: optika. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1993, 167 s. ISBN 80-042-6092-6.

  • LEPIL, Oldřich a Zdeněk KUPKA. Fyzika: Sbírka úloh pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1995, 269 s. Učebnice pro střední školy (Státní pedagogické nakladatelství). ISBN 80-719-6048-9.

  • RAUNER, Karel a Zdeněk KUPKA. Fyzika 7: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2005, 136 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-723-8431-7.

  • SVOBODA, Emanuel. Přehled středoškolské fyziky. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1991, 588 s. ISBN 80-042-2435-0.

Obrázky

  • Obr. 3: Isaac Newton. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 29. 10. 2014 [cit. 2014-11-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton

  • Obr. 4: James Clerk Maxwell. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 27. 8. 2014 [cit. 2014-11-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell

  • Obr. 5: Albert Einstein. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 25. 10. 2014 [cit. 2014-11-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

  • Ostatní obrázky a fotky: RNDr. Hana Kupková

Vypočítej

  1. Vypočítejte frekvence, které přísluší světelnému vlnění pro vlnové délky 390 nm a 790 nm  (ve vakuu) a porovnejte je s frekvencemi, které přísluší zvukovému vlnění. (3,8 ∙ 1014 Hz  – 7,7 ∙ 1014 Hz)
  2. Najděte na internetu, jak je definována jednotka délky. 
  3. Za jak dlouho by se vrátil světelný impuls vyslaný k Měsíci? Vzdálenost Země – Měsíc je přibližně 380 000 km. (Vrátil by se přibližně za 2,53 s.)
  4. Vypočítejte vzdálenost, kterou urazí světlo za jeden kalendářní rok. Najděte na internetu číselnou hodnotu jednotky světelný rok a porovnejte ji s vypočítanou hodnotou. (Je to přibližně 9,5 ∙ 1012 km.)
  5. Spirální galaxie M31 v Andromedě, viditelná prostým okem, je od nás vzdálena 900 000 světelných roků. Kolik je to km? (Přibližně 8,55 ∙  1018 km.)
  6. Najděte na internetu index lomu diamantu a vypočítejte rychlost šíření světla v diamantu. (v = 1,25 ∙ 108  m∙s-1)
  7. Určete, kolikrát je rychlost šíření světla ve vakuu větší než rychlost šíření zvuku ve vzduchu. (Přibližně devět set tisíckrát větší.)

 

Osobnosti

Content newton

Obr. 3: Isaac Newton

Isaac Newton byl anglický fyzik, matematik (profesor naturální filosofie), astronom, alchymista a teolog, jenž bývá často považován za jednu z nejvlivnějších osob v dějinách lidstva. Jeho publikace Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, vydaná v roce 1687, položila základy klasické mechaniky a dnes se řadí mezi nejdůležitější knihy v historii vědy. Newton v ní popisuje zákon všeobecné gravitace a tři zákony pohybu, které se na další tři staletí staly základem vědeckého pohledu na fyzický vesmír. Newton propojil Keplerovy zákony pohybu planet s vlastní teorií gravitace a dokázal, že pohyb předmětů na Zemi se řídí stejnými pravidly jako pohyb vesmírných těles. Tím smetl poslední pochyby o heliocentrismu a přispěl k vědecké revoluci.

Největším Newtonovým počinem je založení exaktní vědy jako zcela nového pohledu na reálný svět, umožňujícího rozvoj (moderní) matematizované vědy.

Osobnosti

Content maxwell

Obr. 4: James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell  byl všestranný fyzik. Jeho nejvýznamnějším objevem je obecný matematický popis elektromagnetického pole, dnes známý jako Maxwellovy rovnice. Publikoval první barevnou fotografii jako důkaz teorie aditivního míchání barev.

Osobnosti

Content einstein

Obr. 5: Albert Einstein

Albert Einstein byl teoretický fyzik, jeden z nejvýznamnějších vědců všech dob. Často je označován za největšího vědce 20. století, případně spolu s Newtonem za nejvýznamnějšího fyzika vůbec.

Jeho největším přínosem pro fyziku je speciální teorie relativity, myšlenka kvantování elektromagnetického pole, vysvětlení fotoelektrického jevu (Nobelova cena za fyziku), vysvětlení Brownova pohybu a obecná teorie relativity, která doposud nejlépe popisuje vesmír ve velkých měřítcích.

Logolink