Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Samankaltaiset tiedostot
Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

VALON KÄYTTÄYTYMINEN RAJAPINNOILLA

d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila

Teoreettisia perusteita I

3. Optiikka. 1. Geometrinen optiikka. 2. Aalto-optiikka. 3. Stokesin parametrit. 4. Perussuureita. 5. Kuvausvirheet. 6. Optiikan suunnittelu

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Maxwellin yhtälöt sähkämagneettiselle kentälle tyhjiössä differentiaalimuodossa: E =0, B =0, E = B/ t, B = ɛ o μ o E/ t.

HEIJASTUMINEN JA TAITTUMINEN

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Valon havaitseminen. Näkövirheet ja silmän sairaudet. Silmä Näkö ja optiikka. Taittuminen. Valo. Heijastuminen

4 Optiikka. 4.1 Valon luonne

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

Valo-oppia. Haarto & Karhunen.

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Optiikka. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

FYS03: Aaltoliike. kurssin muistiinpanot. Rami Nuotio

Kertaustehtävien ratkaisuja

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Kuva 1. Valon polarisoituminen. P = polarisaattori, A = analysaattori (kierrettävä).

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Scanned by CamScanner

5. Optiikka. Havaitsevan tähtitieteen pk I, luento 5, Kalvot: Jyri Näränen ja Thomas Hackman. HTTPK I, kevät 2012, luento 5

5.3 FERMAT'N PERIAATE

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Työ 2324B 4h. VALON KULKU AINEESSA

YOUNGIN KOE. varmistaa, että tuottaa vaihe-eron

Fysiikan kotityöt. Fy 3.2 ( ) Heikki Juva, Aarne Niittyluoto, Heidi Kiiveri, Irina Pitkänen, (Risto Uusitalo)

1 Johdanto (1) missä 0 on. interferenssi. mittauksen tarkkuudeksi Δ

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

6 GEOMETRISTA OPTIIKKAA

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

x 5 15 x 25 10x 40 11x x y 36 y sijoitus jompaankumpaan yhtälöön : b)

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Fy3, Aallot. Ope: Kari Rytkönen Aallot kurssilla tutustutaan aaltoliikkeen kuten äänen ja valon syntyyn ja ominaisuuksiin.

RATKAISUT: 16. Peilit ja linssit

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

FYSA2031/K2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

HILA JA PRISMA. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn teoriaa

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

34. Geometrista optiikkaa

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti:

Kahden suoran leikkauspiste ja välinen kulma (suoraparvia)

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

C. Montako prosenttia pinta-ala kasvaa, jos mittakaava suurenee 5%? a) 5 % b) 7 % c) 9 % d) 10 % e) 15 %

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 4 Kevät 2012

Matematiikan tukikurssi

Kuva 1. Michelsonin interferometrin periaate.

Laudatur 4 MAA4 ratkaisut kertausharjoituksiin

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 4 Kevät 2016

Mb8 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) sivu 1/2

C. Montako prosenttia pinta-ala kasvaa, jos mittakaava suurenee 5%? a) 5 % b) 7 % c) 9 % d) 10 % e) 15 %

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Lukion matematiikkakilpailun alkukilpailu 2015

Tekijä Pitkä matematiikka Pisteen (x, y) etäisyys pisteestä (0, 2) on ( x 0) Pisteen (x, y) etäisyys x-akselista, eli suorasta y = 0 on y.

1 2 x2 + 1 dx. (2p) x + 2dx. Kummankin integraalin laskeminen oikein (vastaukset 12 ja 20 ) antaa erikseen (2p) (integraalifunktiot

Valo, valonsäde, väri

Aaltoliike ajan suhteen:


2 paq / l = p, josta suuntakulma q voidaan ratkaista

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ Merkitään f(x) =x 3 x. Laske a) f( 2), b) f (3) ja c) YLIOPPILASTUTKINTO- LAUTAKUNTA

Suorien ja tasojen geometriaa Suorien ja tasojen yhtälöt

Geometrinen optiikka. Tasopeili. P = esinepiste P = kuvapiste

ja läpäisyaika lasketaan (esim) integraalilla (5.3.1), missä nyt reitti s on z-akselilla:

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet. Kari Sormunen Syksy 2014

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

4.1 Kaksi pistettä määrää suoran

Tampereen yliopisto Tietokonegrafiikka 2013 Tietojenkäsittelytiede Harjoitus

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

Äärettömät raja-arvot

Tee konseptiin pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Lue ohjeet huolellisesti!

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Toisessa fysiikan jaksossa käsitellään Aalto-oppia. Oppikirja s

Aallot. voima F on suoraan verrannollinen venymään x. k = jousivakio Jousivakion yksikkö [k] = 1 N/m = 1 kg/s 2

FY3: Aallot. Kurssin arviointi. Ryhmätyöt ja Vertaisarviointi. Itsearviointi. Laskennalliset ja käsitteelliset tehtävät

VALAISTUSTA VALOSTA. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka. Kari Sormunen Kevät 2014

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Matematiikan tukikurssi

MAA7 7.1 Koe Jussi Tyni Valitse kuusi tehtävää! Tee vastauspaperiin pisteytysruudukko! Kaikkiin tehtäviin välivaiheet näkyviin!

OPTISET KUIDUT. KEMIA JA YMPÄRISTÖ Jesse Peurala ja Reijo Tolonen ja TP05S, ryhmä C

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Transkriptio:

FYS 103 / K3 SNELLIN LAKI Työssä tutkitaan monokromaattisen valon taittumista ja todennetaan Snellin laki. Lisäksi määritetään kokonaisheijastuksen rajakulmia ja aineiden taitekertoimia. 1. Teoriaa Huygensin periaate Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla. Aaltorintaman jokainen piste synnyttää uuden, aaltorintaman nopeudella etenevän palloaallon. Interferoidessaan palloaallot muodostavat uuden r = vt aaltorintaman, joka on niiden yhteinen tangenttipinta. Kuva 1. Huygensin periaate Huygensin periaatteen nojalla tasoaallon heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma, koska heijastuneen aallon nopeus on yhtä suuri kuin tulevan aallon nopeus. Valon taittuminen puolestaan voidaan selittää sillä, että rajapinnan eri puolilla valo etenee eri nopeuksilla.

FYS103 / K3 Snellin laki - 37 - Aaltoliikkeen taittuminen ja Snellin laki Valon nopeus tyhjiössä on c ja väliaineessa c/n, missä n on väliaineen taitekerroin. Tutkitaan kahden väliaineen rajapintaan saapuvaa aaltorintamaa. Rajapinnan yläpuolella alkeisaallon säde on vt=(ct)/n, kun taas rajapinnan alapuolella alkeisaallon säde on v t=(ct)/n. Valon nopeuden muutos väliaineiden rajapinnassa aiheuttaa siis aaltorintaman kääntymisen. vt v t θ θ n n Kuva 2. Rajapintaan saapuva aaltorintama Q vt P θ P θ v t Q Kuva 3. Aaltorintaman taittuminen

FYS103 / K3 Snellin laki - 38 - Tarkastellaan kolmioita P PQ ja PP Q. Kolmiot ovat suorakulmaisia ja niillä on yhteisenä hypotenuusana jana PP. Aaltorintaman ja väliaineen rajapinnan väliset kulmat θ ja θ saadaan yhtälöistä sinθ = vt np P ja sin θ = v t. Jos toinen yhtälö n P P ratkaistaan hypotenuusan PP suhteen ja sijoitetaan toiseen yhtälöön, saadaan lopputulokseksi Snellin laki nsinθ = n sin θ (1) eli n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2. (2) Snellin laista voidaan tehdä seuraavia johtopäätöksiä: Valonsäteellä, joka tulee optisesti tiheämpään aineeseen, taitekulma on pienempi kuin tulokulma, eli se taittuu kohti normaalia. Taitekertoimista riippumatta kohtisuoraan tuleva säde ei taitu lainkaan. Valon kulku rajapinnassa on käänteistä, n 12 = 1 n 21 Riittävän suurella tulokulmalla, kun sinθ n 21, tapahtuu kokonaisheijastus. Kokonaisheijastuksen rajakulma θ cr noudattaa taittumislain perusteella yhtälöä sinθ cr = n 21. Taittumislaki voidaan johtaa myös Fermat n periaatetta käyttäen. Fermat n periaatteen mukaan valon taittuminen voidaan selittää sillä, että oletetaan valon kulkevan aina nopeinta tietä kahden pisteen välisen matkan. Valo etenee siis aina siten, että optinen matka saa ääriarvon. Monokromaattisen valon kulku prismassa Valonsäteen kulkiessa prisman läpi tapahtuu taittumista usein kahdella pinnalla. Nämä pinnat ovat sellaisessa kulmassa (α) toisiinsa nähden, että taittuminen prisman toisella pinnalla ei kumoa ensimmäisen taittumisen aiheuttamaa taittumista, vaan lisää sitä. Valonsäteen reitti prisman läpi on kuvassa 4.

FYS103 / K3 Snellin laki - 39 - θ 4 θ 1 θ 2 θ 3 Kuva 4. Valonsäteen kulku prismassa Molemmat taittumiset prisman pinnoilla noudattavat Snellin lakia, joten kuvasta 4 saadaan yhtälö sinθ 1 = n sinθ 2 n = sinθ 4. (3) sinθ 3 Saapuva valonsäde taittuu kulmaan β ensimmäisellä ja kulmaan γ toisella pinnalla. Saapuvan ja lähtevän säteen välinen kulma δ on siten δ=β+γ. Trigonometrian avulla tämä kulma voidaan lausua myös saapuvan valonsäteen kulman θ 1, lähtevän valonsäteen kulman θ 4 sekä apeksikulman α (kuva 4) avulla. δ =θ 1 +θ 4 α (4) Symmetriselle prismalle δ on minimissään kun valonsäde prisman sisällä kulkee yhdensuuntaisesti prisman pohjan kanssa. Tällöin θ 1 =θ 4 (ks. Kuva 5). Kuva 5 Valonsäteen kulku symmetrisessä prismassa

FYS103 / K3 Snellin laki - 40 - Edelleen voidaan osoittaa, että tuntemattoman prismamateriaalin ja väliaineen taitesuhde saadaan kaavasta (5), jos tiedetään prismalle tulevan ja taittuvan säteen välinen minimikulma δ m. sin α + δ m 2 n r = sin α 2 (5) 2. Mittaukset Tehtävä 1. Valon taittumisen tutkiminen Ensimmäisessä mittauksessa käytetään kuvan 6 mukaista laitteistoa. Lasersäde ammutaan kollimaattorin (metallilevy, jossa on pieni reikä) läpi. Pyörivälle alustalle asetetaan pyöreä lasiastia, joka on jaettu väliseinällä kahteen yhtä suureen osaan. Pyörivä alusta on varustettu kulmajaotuksella, jonka avulla tulokulma saadaan riittävällä tarkkuudella. Taitekulma on parasta määrittää varjostimen avulla. Kuva 6. Mittauslaitteisto 1 Astian toiseen osaan laitetaan aluksi vettä. Tutki valon taittumista eri tulokulman arvoilla ja etsi kokonaisheijastuksen rajakulma. Totea myös valon kulun käänteisyys. Esitä mittaustulokset graafisesti (sinθ 2, sinθ 1 )-koordinaatistossa ja määritä kuvaajan avulla veden taitekerroin. Laske saamastasi taitekertoimen arvosta myös

FYS103 / K3 Snellin laki - 41 - kokonaisheijastuksen rajakulma. Kaada tämän jälkeen vesi pois ja laita astian toiseen osaan assistentin antamaa tuntematonta nestettä. Määritä sen taitekerroin ja kokonaisheijastuksen rajakulma.(tämän osion voi tietysti tehdä kaatamatta vettä pois ennen öljyn lisäämistä. Tällöin ongelmaksi muodostunee veden ja öljyn erillään pitäminen työn lopussa.) Tehtävä 2. Monokromaattisen valon kulku prismassa Toisessa mittauksessa pyörivälle alustalle asetetaan prisma kuvan 7 mukaisesti. Tutki valon kulkua prismassa laserin ja varjostimen avulla. Prisman ja varjostimen etäisyyden pitäisi olla vähintään yksi metri. Symmetriselle prismalle määritetään δ min sekä prismamateriaalin taitekerroin kaavan (5) avulla. L laser prisma D Kuva 7. Mittauslaitteisto 2 Kotitehtävä Mitä tietoja tarvitset (tehtävässä 1) lasersäteen taitekulman kokeelliseen määrittämiseen varjostinta hyväksikäyttäen? Piirrä kuva. Johda kaava taitekulmalle.