Optik-2

Özel Durumlar Ayna formülleri kullanılarak özel konumlu cisimlerin görüntülerinin yerleri tespit edilir. 1. Cisim çukur aynanın merkezinden f, aynadan 3f kadar uzaklıkta ise, görüntü odakla merkezin tam ortasında; yani aynadan 3f/2 kadar uzaklıkta olur. Görüntünün boyu cismin boyunun yarısı kadar olur. 2. Cisim çukur aynadan 3f/2 kadar uzaklıkta ise, görüntü aynadan 3f kadar uzaklıkta ve boyu cismin boyunun iki katı olur. 3. Şekildeki gibi cisim çukur ayna ile odağın tam ortasında; yani aynadan f/2 kadar uzakta ise zahirî görüntü f kadar uzakta olur ve boyu cismin boyunun iki katı olur. 4. Şekildeki gibi cisim tümsek aynadan f kadar uzakta ise, görüntü, ayna ile odak noktasının tam ortasında, yani aynadan f/2 kadar uzaktadır. Boyu ise cismin boyunun yarısı kadar olur. IŞIĞIN KIRILMASI Işık ışınları saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçerken ışınların bir kısmı yansıyarak geldiği ortama dönerken bir kısmı da ikinci ortama, doğrultusu ve hızı değişerek geçer. Işığın ikinci ortama geçerken doğrultu değiştirmesine ışığın kırılması denir. Kırılma Kanunları 1. Gelen ışın, normal ve kırılan ışın aynı düzlemdedir. 2. Gelme açısının sinüsünün, kırılma açısının sinüsüne oranı her zaman sabittir. Bu sabit, ikinci ortamın birinci ortama göre kırılma indisine eşittir. Şekildeki açılara göre, şeklinde ifade edilir. Bu bağıntıya Snell bağıntısı denir. Bağıntıdaki sabit değere ışığın havadan saydam maddeye girişte kırılma indisi veya sadece ortamın kırılma indisi denir. Kırılma indisi saydam maddelerin ayırt edici bir özelliğidir. Burada kırılma indisi bağıl kırılma indisi ve mutlak kırılma indisi olmak üzere ikiye ayrılır. Işık kırılma indisi küçük ortamlardan büyük ortamlara geçerken normale yaklaşır. Kırılma indisi büyük ortamlardan küçük ortamlara geçerken normalden uzaklaşır. r Kırılma indisi büyük ortamlara çok yoğun ortam, kırılma indisi küçük ortamlara az yoğun ortam denir. Buradaki yoğun kelimesinin özkütle ile ilgisi yoktur. Işık az yoğun ortamdan çok yoğun ortama veya çok yoğun ortamdan az yoğun ortama dik olarak geçerse doğrultusu değişmez, fakat hızı ve dalga boyu değişir Sınır Açısı ve Tam Yansıma Işık ışınları, kırılma indisi küçük ortamlardan büyük ortamlara hangi açı ile gelirse gelsin normale yaklaşarak kırılır ve ikinci ortama geçer. Işık ışınları çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçerken normalden uzaklaşarak kırılır. Çok yoğun ortamdan az yoğun ortama gelen ışınlar ikinci ortama her zaman geçemez. Ancak belli açılardan küçük açılarla geldiği zaman geçer. Sınır Açısı Gelme açısı büyüdükçe kırılma açısı da büyür ve ışığın kırılma açısı 90° olduğu andaki gelme açısına sınır açısı denir. Eğer ışık ışınları sınır açısından daha büyük açıyla gelirse ikinci ortama geçemez ve geldiği ortama normalle eşit açı yaparak geri döner. Bu olaya tam yansıma denir. Örneğin, sudan havaya gelen ışınlar için sınır açısı 48°, camdan havaya gelen ışınlar için ise 42° dir. Bu iki örnekten de anlaşılacağı gibi ortamların kırılma indisleri arasındaki fark büyüdükçe sınır açısı küçülür. Aynı sonuç Snell bağıntısından da anlaşılabilir.   Işığın Paralel Yüzlü Ortamdan Geçişi Işık ışınları d kalınlığında paralel yüzlü bir cama şekildeki gibi geldiğinde önce normale yaklaşarak, çıkışta ise normalden uzaklaşarak kırılır. Kırılan ışın ile gelen ışın, birbirine paralel olur. Sadece paralel bir kaymaya uğrar. Kayma miktarı camın kalınlığına ve q1 ve q2 açılarına bağlıdır. q2 ise ortamların kırılma indislerine bağlıdır. Görünür Derinlik Bulunduğumuz ortamdan kırıcılık indisleri farklı saydam ortamlardaki cisimlere baktığımızda, bulundukları yerlerden farklı yerlerde görürüz. Mesela akvaryuma üstten bakıldığında balıklar yüzeye çok yakın görülür. Su dolu havuza üstten bakıldığında, havuzun derinliği, olduğundan daha yakın algılanır. Sonuç olarak az yoğun ortamdan çok yoğun ortamdaki cisimlere bakan gözlemciler cismi daha yakında, çok yoğun ortamdan az yoğun ortama bakan gözlemciler ise daha uzakta görür. Şekilde görüldüğü gibi az yoğun ortamdan çok yoğun ortama normal ya da normale yakın yerden bakılırsa cisim gerçek yerinden daha yakında görülür. Şekilde ise çok yoğun ortamdan az yoğun ortama bakıldığında ise cisim gerçek bulunduğu yerden daha uzakta görülür. Bunların sebebi, ışığın kırılarak göze gelmesi ve gözün de kırılan ışınların uzantısında görmesindendir. Küresel Yüzeylerde Kırılma Küresel camlara gönderilen ışık camdan geçerken kırılmaya uğrar. Önce girişte normale yaklaşır. Çıkarken de normalden uzaklaşarak kırılır. Burada unutulmaması gereken olay, küresel yüzeylerde merkezden geçen bütün doğruların normal olduğu ve normal üzerinden gelen ışınların kırılmayacağıdır. Şimdi de bir kaç şekil üzerinde bu olayı inceleyelim. Şekil (e) de açı 45° den büyük olduğu için tam yansımıştır. Şekil (f) de ise ışık yarım kürenin merkezine gelmesine rağmen normal üzerinden gelmediği için kırılmıştır. Fakat çıkarken kürenin merkezinden geçecek şekilde geldiği için normal üzerinden doğrultu değiştirmeden çıkar. PRİZMALAR Kesiti üçgen şeklinde olan saydam ortamlara ışık prizması denir. Bu prizmada A açısına tepe açısı ya da kıran açı denir. Bu açının karşısındaki kenara da taban denir. Işık prizmalarda kırılma kanunlarına uygun olarak kırılır. Şekilde cam prizmaya gelen ışın normale yaklaşarak kırılır. Camdan havaya gelen ışın için q açısının sınır açısına göre kıyaslanmasıyla üç farklı yol izleyebileceği görülür. Tam Yansımalı Prizmalar Kesiti ikizkenar dik üçgen şeklinde olan camdan yapılmış prizmalara tam yansımalı prizmalar denir. Çünkü bu üçgenin açıları 45°, 45° ve 90° dir. Camdan havaya geçişte sınır açısı 42° olduğundan bu prizmaya gönderilen ışık en az bir defa tam yansımaya uğrar. Şimdi bu prizmaya gönderilen bir kaç ışığın izlediği yolları şekiller üzerinde görelim. Şekillerdeki sistemlerde görüldüğü gibi ışık, en az bir yüzeyde tam yansımaya uğrar. Şekiller üzerinde de görüldüğü gibi ışınların, yüzeylerin normalleri ile yaptıkları açı 42° den büyükse tam yansımaya uğrar. Şekilde görüldüğü gibi aynı prizmaya farklı iki ışık gönderildiğinde biri tam yansımaya uğramasına rağmen diğeride tam yansımaya uğramamıştır. Beyaz Işığın Renklerine Ayrılması Aynı saydam düzleme şekildeki gibi eşit gelme açılarıyla gönderilen kırmızı ve mavi ışınların aynı miktarda kırılmadığı, mavinin daha çok kırıldığı gözleniyor. Yani aynı ortam, farklı ışınlar için farklı kırılma indisine sahipmiş gibi davranır. Şekildeki prizmaya gönderilen beyaz ışık renk karışımı olduğundan bu renkler prizmadan geçerken farklı miktarlarda kırılırlar. En az kırmızı en çok ta mor ışın kırılır. Renk Güneş ışığını bir prizmadan geçirdiğimizde renklerine ayrıldığını ve bu renklerinde sırası ile kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor olduğunu biliyoruz. Cisimler güneş ışığı ile aydınlatıldığında, üzerine bu renklerin karışımı olan ışık düştüğünden, cisimler bunlardan bir kısmını yansıtırlar ve değişik renklerde cisimler algılanır. Bir cisim güneş ışığındaki tüm renkleri yansıtıyorsa beyaz, hiç birini yansıtmıyorsa siyah, herhangi bir rengi yansıtıyorsa o renkte görünür. Güneş ışığındaki renklerden kırmızı, mavi ve yeşil renge ana renk denir. Bu üç ışığın tek tek ya da değişik oranlardaki karışımı göze gelirse, göz, cisimleri bu karışımlara göre değişik renklerde algılar. Bu üç rengin, karışımları beyaz ışığı verir. Şekildeki venn şemasında bu durum görülüyor. Aynı tabloyu incelersek kırmızı ve yeşil ışık göze gelirse sarı, kırmızı ve mavi ışık göze gelirse magenta, mavi ve yeşil ışık göze gelirse cyan olarak algılanır. Karışımları beyaz rengi verebilecek iki renge tamamlayıcı renkler denir. Şekil (a), (b), (c) de görüldüğü gibi kırmızı ile cyan (mavi - yeşil), yeşil ile magenta (kırmızı – mavi) ve mavi ile sarı (yeşil – kırmızı) tamamlayıcı renklerdir. Kısacası bu renklerin hepsinin içerisinde kırmızı mavi ve yeşil olduğundan bu üç rengin karışımı beyaz olarak algılanır. Cisimlerin Işığı Yansıtması Bir cisim güneş ışığındaki tüm renkleri yansıtıyorsa beyaz görünür. Buradan anlıyoruz ki beyaz cisimler bütün renkleri yansıtıyor. Beyaz cisim, beyaz ışıkla aydınlatılırsa beyaz, kırmızı ışıkla aydınlatılırsa kırmızı, mavi ışıkla aydınlatılırsa mavi görünür. Dolayısıyla beyaz cisimler hangi ışıkla aydınlatılırsa o renkte algılanırlar. Bir cismin rengi ana renklerden birisi ise, kendi rengini güçlü olarak yansıtır ve bir de prizmadaki renk sırasına göre bir altı ile bir üstündeki renkleri zayıf olarak yansıtır. Kendi rengi güçlü olduğundan zayıf renkler görülmez. Mesela kırmızı ışık, kırmızıyı güçlü, turuncuyu zayıf yansıtır. Mavi ışık maviyi güçlü, yeşil ve moru zayıf yansıtır. Eğer mavi kitabı yeşil ışık altında aydınlatırsak, yeşil mavinin komşusu olduğundan zayıf olarak yansır. Fakat bu zayıf ışık gözü yeşil renkte uyaramayacağından mavi kitap siyah görünür. Cisim güçlü ışıkların renginde görülür. Şekilde, güçlü ışıklar uzun oklarla gösterilmiştir. Zayıf ışınlar ise kısa okla gösterilmiştir. Işığın Filtrelerden Geçişi Işığı geçirebilen renkli saydam filtrelerden geçen ışığın renkleri ile filtre rengindeki cisimden yansıyan ışıkların renkleri aynıdır. Yani kırmızı filtre, kırmızı ışığı güçlü, turuncu ışığı zayıf geçirir. Mavi filtre, mavi ışığı güçlü, yeşil ve mor ışığı zayıf geçirir. Sarı filtre, sarı ışığı kırmızı ışığı, yeşil ışığı güçlü, mavi ışığı ise zayıf geçirir. Şekilde kırmızı filtreden kırmızı ışık güçlü, turuncu ışık ise zayıf geçer. Bu ışınlarda mavi filtreden geçemez, mavi filtre siyah görünür. Şekilde sarı filtreden sarı, kırmızı ve yeşil renkler güçlü geçerken mavi ise zayıf geçer. Bu renkler de yeşil filtreden geçerken yeşil güçlü, sarı zayıf geçer ve filtre yeşil renkte algılanır. Şimdi kırmızı, yeşil, mavi, beyaz ve siyah zeminler beyaz ışıkla aydınlatılırken bu zeminlere sarı filtre, cyan filtre ve magenta filtre ile bakılırsa renklerin nasıl algılandığı şekilde gösterildiği gibidir. Güçlü olarak yansıyan ve geçen renkler algılanmaz Yüzeyden zayıf olarak yansıyan veya filtreden zayıf olarak geçen ışık algılanmaz ve o renkte görülmez MERCEKLER İki küresel yüzey veya bir düzlemle bir küresel yüzey arasında kalan saydam ortamlara mercek denir. Şekildeki gibi yüzeyler kesişiyorsa ince kenarlı mercek olur ki bu mercek üzerine gelen bütün ışınları her iki yüzeyden kırarak asal eksenine yaklaştırır. Mercekler yüzeylerin şekline göre iki tip olabilir. Şekildeki gibi yüzeyler kesişmiyorsa bu merceklere kalın kenarlı mercek denir. Kalın kenarlı mercek ışığı her iki yüzeyden kırarak asal eksenden uzaklaştırır. Kısacası ince kenarlı mercekler ışığı toplar, kalın kenarlı mercekler ışığı dağıtır. Bu durum merceğin kırılma indisinin ortamın kırılma indisinden büyük olması halinde mümkündür. Aynalarda olduğu gibi merceklerde de ışığın toplandığı nokta odak noktası ve bu noktanın merceğe uzaklığı odak uzaklığıdır. Fakat burada odak uzaklığı küresel yüzeylerin yarıçapının yarısı kadar değildir ve merceğin hem sağından gelen ışınlar hemde solundan gelen ışınlar her iki yüzeyde de eşit miktarda kırıldıkları için mercekten eşit uzaklıklarda odaklanırlar. Bir mercekte odak uzaklığı; 1. Merceğin yapıldığı maddenin ve içinde bulunduğu ortamın kırılma indisine 2. Merceğin yan yüzeylerinin eğirilik yarıçapının büyüklüğüne ve cinsine (Çukur veya tümsek) 3. Kullanılan ışığın cinsine (Camın bütün ışıklar için kırıcılık indisi farklıdır.) bağlıdır. Merceğin havaya göre odak uzaklığı, suya göre odak uzaklığından daha küçüktür. Merceğin bulunduğu ortamın kırılma indisi artarsa odak uzaklığı da artar ve ortamın kırılma indisi merceğin kırılma indisine eşit olduğunda, ışık hiç kırılmaz. İster ince, isterse kalın kenarlı mercek olsun. Eğer dış ortamın kırılma indisi merceğin kırılma indisinden büyük olursa, ince kenarlı mercek kalın kenarlı mercek gibi, kalın kenarlı mercek de ince kenarlı mercek gibi davranır. Yani mercek karakter değiştirir. Eğrilik yarıçapı büyük olan merceğin odak uzaklığı daha büyüktür. Aynı boydaki şişman merceğin odak uzaklığı zayıf merceğin odak uzaklığından daha küçüktür. Ayrıca bir mercek ortadan ikiye bölünürse, bölünen merceklerin odak uzaklıkları ilk durumdakine göre daha büyük olur. Ortamların ışıklara karşı gösterdikleri kırılma indisi aynı değildir. Bunu prizmadan hatırlıyoruz. nmor > .... > nkırmızı olduğundan odak uzaklığı ışığa göre de değişir. Şekil (a) ve (b) de görüldüğü gibi merceğin kırmızı ışığa göre odak uzaklığı, mor ışığa göre odak uzaklığından daha büyüktür. İnce Kenarlı Mercekte Özel Işınlar: İnce kenarlı mercekte özel ışın ve görüntüler çukur aynanın aynısıdır. Sadece aynada yansıma, mercekte ise kırılma olayı vardır. 1. Asal eksene paralel gelen ışın, odaktan geçecek şekilde kırılır. 2. Odaktan geçecek şekilde gelen ışın, asal eksene paralel gider. 3. Odak uzaklığının iki katı mesafede gelen ışın, yine odak uzaklığının iki katı mesafeden geçecek şekilde kırılır. 4. Merceğin optik merkezinden geçecek şekilde gelen ışın doğrultu değiştirmeden gider. Herhangi bir ışının davranışını bulmak için şekildeki gibi ışına parelel ve optik merkezden geçen bir yardımcı eksen çizilir. Sonra gerçek eksenin odağından dikme çıkılır. Yardımcı odak bulunur ve ışın bu odaktan geçirilir. Veya, ince kenarlı mercek asal eksene doğru, kalın kenarlı mercek de asal eksenden uzaklaştıracak şekilde kırar. Bu bilgiyi ve özel ışınları dikkate alarak yardımcı eksen çizmeden de herhangi bir ışının izleyeceği yol bulunabilir. İnce Kenarlı Mercekte Görüntü Çizimleri: 1. Cisim 2F noktasının dışında ise görüntü F ile 2F arasında ters, gerçek ve boyu cismin boyundan küçüktür. 2. Cisim 2F de ise görüntüsü 2F de ters, gerçek ve boyu cismin boyuna eşittir. 3. Cisim 2F ile F arasında ise görüntüsü 2F nin dışında, ters, gerçek ve boyu cismin boyundan büyüktür. 4. Cisim F de ise görüntüsü sonsuzda olur. 5. Cisim sonsuzda ise, görüntüsü F de, gerçek ve noktasaldır. 6. Cisim mercekle F arasında ise, görüntü cismin arkasında, düz, zahirî ve boyu cismin boyundan büyüktür. Kalın Kenarlı Mercekte Özel Işınlar: Kalın kenarlı mercekteki özel ışınlar ve görüntü çizimleri tümsek aynadaki özel ışınlar ve görüntü çizimlerinin aynısıdır. Sadece tümsek aynada yansıma, merceklerde ise kırılma neticesinde görüntüler oluşacaktır. 1. Asal eksene paralel gelen ışın uzantısı odaktan geçecek şekilde kırılır. 2. Uzantısı odaktan geçecek şekilde gelen ışın asal eksene paralel gidecek şekilde kırılır. 3. Uzantısı 2F noktasından geçecek şekilde gelen ışın yine uzantısı 2F noktasından geçecek şekilde kırılır. 4. Optik merkeze gelen ışın kırılmadan gider. Kalın Kenarlı Mercekte Görüntü Çizimi: Şekilde görüldüğü gibi cisim nerede olursa olsun görüntü her zaman cismin olduğu taraftaki odakla mercek arasında düz, zahiri ve boyu cismin boyundan küçük olur. Cisim merceğe yaklaştıkça görüntü de merceğe yaklaşır ve boyu artar. Cisim sonsuzda iken görüntü odakta olur. Özel Durumlar 1. Cisim ince kenarlı mercekten 3f kadar uzakta ise, görüntüsü mercekten 3f/2 kadar uzakta olur ve boyu cismin boyunun yarısı kadar olur. 2. Cisim ince kenarlı mercekten 3f/2 kadar uzakta ise, görüntüsü mercekten 3f kadar uzakta olur ve görüntünün boyu cismin boyunun iki katı olur. 3. Cisim ince kenarlı mercekten f/2 kadar uzakta ise, görüntüsü cisimle aynı tarafta, mercekten f kadar uzakta ve görüntünün boyu cismin boyunun iki katı olur 4. Cisim kalın kenarlı mercekten f kadar uzakta ise görüntü mercekten f/2 kadar uzakta ve boyu cismin boyunu yarısı kadar olur.