OPTİK OPTİKFiziğin ışık olaylarını inceleyen dalına optik denir. IŞIĞIN YAYILMASIIşık ışınları homojen saydam ortamlar ve boşlukta doğrular halinde yayılır. 1. Işık KaynağıIşık vererek çevrelerini aydınlatan cisimlere denir. Güneş ve yıldızlar doğal ışık kaynaklarıdır. Yanan lamba ve mum gibi cisimler de suni (yapay) ışık kaynaklarıdır. 2. Işık ışınlarıIşık kaynağından çıkan ve ışığın yolunu belirten doğrulara ışık ışınları veya kısaca ışınlar denir. 3. Aydınlatılmış CisimlerBir ışık kaynağından ışık alarak görünür hale geçen cisimlere aydınlatılmış cisimler denir. 4. Saydam CisimlerIşığı tamamen geçiren cisimlere saydam cisimler denir. Cam, hava ve su gibi maddeler saydam cisimlerdir. 5. Yarı Saydam CisimlerIşığı kısmen geçiren cisimlere yarı saydam cisimler denir. Buzlu cam ve yağlı kağıt gibi maddeler yarı saydam cisimlere örnek verilebilir. 6. Saydam Olmayan CisimlerIşığı geçirmeyen cisimlere saydam olmayan cisimler denir. Tahta ve demir gibi maddeler saydam olmayan cisimlerdir. 7. Renkli ve Siyah GörmeBir cisim, üzerine düşen güneş ışığının tamamını yansıtıyorsa bu cisim beyaz görünür. Cisim, üzerine düşen ışığın tamamını tutuyorsa bu durumda cisim siyah görünür. Eğer cisim, üzerine düşen ışığın bir kısmını yansıtıyorsa bu durumda cisim yansıttığı ışığın renginde görülür. 8. Işık HızıIşığın birim zamanda aldığı yola ışık hızı denir. Işık hızı, ışığın hareket ettiği ortama göre değişir. Aşağıdaki tabloda ışığın bazı ortamalardaki hızı verilmiştir. Tam Gölge - Yarı Gölge Eğer kullanılan ışık kaynağı şekildeki gibi saydam olmayan engelden büyük ise, perdenin bulunduğu yere göre gölge şekilleri değişir. Perde (a) konumunda iken ortada tam gölge ve etrafında yarı gölge oluşur. Perde (b) konumunda iken yalnız yarı gölge oluşur. (Şekil (a) ve (b)) Dünya güneş etrafında dönerken, ay dünya ile güneş arasına şekildeki gibi girdiğinde, ayın gölgesi dünya üzerine düşer ve K noktasından bakan gözlemci güneşi göremez. Bu olaya güneş tutulması denir. Dünya, güneş etrafında dönerken ay ile güneş arasına şekildeki gibi girdiğinde dünyanın gölgesi, ay üzerine güneş ışınlarının gelmesini engeller. Güneşten ışık alamayan ay, L noktasından bakıldığında görülmez, bu olaya da ay tutulması denir. DÜZ AYNALAR Bir yüzeyle 90° lik açı yapan dikmeye yüzeyin normali denir. Gelen ışınla normal arasındaki açıya gelme açısı (a), yansıyan ışınla normal arasındaki açıya da yansıma açısı (b) denir. Yansıma Kanunları Gelen ışın, normal ve yansıyan ışın aynı düzlemdedir. Gelme açısı yansıma açısına eşittir. (a = b) Işınların geldiği yüzey şekildeki gibi düzgün olursa, bu yüzeyin her noktasında normaller birbirine paraleldir. Şekildeki gibi gelen ışınların gelme açıları birbirine yansıma açıları da birbirine eşit olur. Bundan dolayı yüzeye birbirine paralel gelen ışın demeti, yüzeyden de birbirine paralel olarak yansır. Bu yansımaya düzgün yansıma denir. Eğer yüzey şekildeki gibi düzgün değilse, yüzeyin bütün noktalarındaki normaller farklıdır. Yüzeye paralel gelen ışınların gelme açıları yansıma açılarına eşit olmaz. Bu yansımaya dağınık yansıma denir. Görüntü OluşumuHerhangi bir cismi görebilmek için, cisimden yayılan ışınların göze gelmesi gerekir. Cisimden çıkan ışınlar doğrudan göze gelirse cisim görülür. Eğer cisimden çıkan ışınlar, yansıma veya kırılma sonucu göze gelirse algılanan şey cismin görüntüsü olur. Şekildeki K noktasal cisminin görüntüsünü bulmak için iki ışın kullanmak yeterlidir. Bu ışınlar yansıma kurallarına göre yansıtılır. Yansıyan ışınların uzantılarının kesiştiği yerde görüntü oluşur. Bu görüntü aynaya dik gönderilen ışının uzantısı üzerinde olmak zorundadır. Eğer cisim şekildeki gibi ise K ve L noktalarının ayrı ayrı görüntüleri bulunur ve bu K', L' görüntü noktaları birleştirilerek K, L cisminin görüntüsü bulunur. Görüntünün Özellikleri Yansıyan veya kırılan ışınların kendileri kesişirse görüntü gerçek, uzantıları kesişirse görüntü zahirî (sanal) olur. Zahiri görüntüler her zaman görünen görüntülerdir. Gerçek görüntüler ise, perde üzerine düşürülerek, değişik noktalardan görülebildiği gibi, gerçek görüntüden göze gelen ışınlar nedeniyle de perde olmadan da görülebilirler. Düz Aynada Görüntü ve Özellikleri Yukarıdaki şekilde cismin aynaya dik uzaklığı yoksa aynanın uzantısı alınır. K cisminin bu uzantıya göre simetriği olan K' görüntüsü bulunur. Düz Aynada Özel Durumlar Düzlem aynada gerçek cismin görüntüsü her zaman zahirîdir. Cismin aynaya uzaklığı, görüntünün aynaya uzaklığına, cismin boyu da görüntünün boyuna eşittir. Bir düzlem aynaya gelen ışının doğrultusu değiştirilmeden, ayna a açısı kadar döndürülürse, yansıyan ışın 2a kadar döner. Bir düzlem ayna ışık kaynağına yaklaştıkça gelme açısı, dolayısıyla yansıma açısı da büyür. Bu da yansıyan ışınlar arasındaki alanın büyümesi demektir. Kısacası düzlem ayna göze yaklaştıkça görüş alanı artar. Ayna gözden uzaklaştıkça görüş alanı azalır. Veya düzlem aynaya yaklaştıkça görüş alanı artar, uzaklaştıkça görüş alanı azalır. Kesişen iki düzlem ayna arasındaki açı a ise aynalar arasında meydana gelen görüntü sayısı, Paralel iki düzlem ayna arasındaki görüntü sayısı sonsuzdur. KÜRESEL AYNALAR Kürenin merkezinden geçen bütün doğrular kürenin yüzeyine dik olduğundan, küresel aynalarda merkezden geçen bütün doğrular normal olarak kabul edilebilir. Çukur Aynada Işınların YansımasıYansımanın en önemli şartı gelme açısının yansıma açısına eşit olmasıdır. Merkezden aynaya çizilen doğrular, küresel aynaların normalidir. Çünkü bu doğrular aynaya diktir. Asal eksene paralel gelen ışınlar yansıdıktan sonra odaktan geçer. Gelen ışığın normalle yaptığı açı, yansıyan ışığın normalle yaptığı açıya eşittir. Odaktan aynaya gelen ışınlar asal eksene paralel gidecek şekilde yansır. Bir önceki ışının tam tersidir. Merkezden gelen ışınlar yine merkezden geçecek şekilde yansır. Çünkü normal üzerinden gelen ışınlar, aynaya dik çarptıklarından kendi üzerlerinden geri yansırlar. Tepe noktasına gelen ışınlar, asal eksenle eşit açı yapacak şekilde yansırlar. Çünkü asal eksen de merkezden geçtiği için normaldir. Çukur Aynada Görüntü ÇizimleriOluşan görüntünün yerini bulmak için en az iki tane ışın kullanmak gereklidir. Işınlar nerede kesişirse görüntü orada oluşur. Cisim sonsuzda ise; sonsuzdan gelen ışınlar asal eksene paralel gelirler. Paralel gelen ışınlar ise yansıdıktan sonra odakta toplanırlar. Görüntü, odakta gerçek ve nokta halinde oluşur. Cisim merkezin dışında ise; görüntü, odak ve merkez arasında, ters gerçek ve boyu cismin boyundan küçüktür. Hatırlanacağı gibi ışınların kendisi kesişirse görüntü gerçek, uzantıları kesişirse görüntü zahirî olur. Cisim merkezde ise; görüntü, merkezde ters gerçek ve boyu cismin boyuna eşit olur. Cisim odakla merkez arasında ise; görüntü merkezin dışında ters, gerçek ve boyu cismin boyundan büyüktür. Cisim odakta ise; yansıyan ışınlar birbirlerine paralel olduğundan, görüntü sonsuzda ve belirsizdir. Cisim ayna ile odak arasında ise; görüntü aynanın arkasında, düz, zahirî ve boyu cismin boyundan büyüktür. Çizimlerden de görüldüğü gibi cisim veya görüntüden aynaya yakın olanın boyu daha küçüktür. Tümsek Aynalarda Özel IşınlarTümsek aynada da çukur aynada olduğu gibi merkezden geçen bütün doğrular normaldir. Tümsek aynada odak noktası aynanın arkasında olduğu için zahirîdir. Çünkü odak, ışığın toplandığı noktadır. Tümsek aynada ışık toplanmaz. Sadece uzantıları odaktan geçer, kendileri geçemez. Asal eksene paralel gelen ışınlar, uzantıları odaktan geçecek şekilde yansırlar. Uzantıları odaktan geçecek şekilde gelen ışınlar, asal eksene paralel gidecek şekilde yansırlar. Uzantıları merkezden geçecek şekilde gelen ışınlar, kendi üzerlerinden geri dönecek şekilde yansırlar. Tepe noktasına gelen ışınlar, asal eksenle eşit açı yapacak şekilde yansırlar. Tümsek Aynada Görüntü Çizimi Bir tümsek aynada cisim nerede olursa olsun görüntü her zaman ayna ile odak noktası arasında, düz, zahirî ve boyu cismin boyundan küçüktür. Cisim sonsuzda iken görüntü odakta nokta halinde olur. Şekilde görüldüğü gibi cisim aynaya yaklaştıkça görüntünün boyu büyüyerek aynaya yaklaşır. 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 Gelen ışın, normal ve kırılan ve kırılan ışın aynı düzlemdedir. Işık ışınları, az kırıcı ortamdan çok kırıcı ortama geçerken normale yaklaşarak kırılır. Işık ışınları, çok kırıcı ortamdan az kırıcı ortam geçerken normalden uzaklaşarak kırılır. İki ortamı birbirinden ayıran yüzeye dik gelen ışınlar kırılmaya uğramadan bir ortamdan diğerine geçer. Şekillerdeki çizimlere bakıldığında, havadan suya geçen ışınların normale yaklaşarak kırıldığı görülür. Tabii ki bunun tersi olarak sudan havaya geçen ışınlar da normalden uzaklaşarak kırılır. Sınır Açısı ve Tam Yansıma Ancak belli açılardan küçük açılarla geldiği zaman geçer. Örneğin, sudan havaya gelen ışınlar için sınır açısı 48°, camdan havaya gelen ışınlar için ise 42° dir. Bu iki örnekten de anlaşılacağı gibi ortamların kırıcılıkları arasındaki fark büyüdükçe sınır açısı küçülür. Görünür DerinlikBulunduğumuz ortamdan kırıcılıkları 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 nedeni, ışığın kırılarak göze gelmesi ve gözün de kırılan ışınların uzantısında görmesindendir. PRİZMALAR Çünkü camın kırıcılığı havadan fazladır. Işık ışını prizmadan havaya çıkarken normalden uzaklaşır. Böylece ışık ışını iki defa yön değiştirip prizmanın tabanına doğru saparak dışarı çıkar. Tam Yansımalı PrizmalarKesiti 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 mor ışın kırılır. MERCEKLER Şekil (a) ve (b) de görüldüğü gibi merceğin kırmızı ışığa göre odak uzaklığı, mor ışığa göre odak uzaklığından daha büyüktür. Bunun nedeni kırmızı ışığın kırıcılığının mora göre daha az olmasıdır. İnce Kenarlı Mercekte Özel Işınlar:İnce kenarlı mercekte özel ışın ve görüntüler çukur aynanın aynısıdır. Sadece aynada yansıma, mercekte ise kırılma olayı vardır. Asal eksene paralel gelen ışın, odaktan geçecek şekilde kırılır. Odaktan geçecek şekilde gelen ışın, asal eksene paralel gider. Odak uzaklığının iki katı mesafede gelen ışın, yine odak uzaklığının iki katı mesafeden geçecek şekilde kırılır. Merceğin optik merkezinden geçecek şekilde gelen ışın doğrultu değiştirmeden gider. İnce Kenarlı Mercekte Görüntü Çizimleri 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. 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. 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. Merceklerde YakınsamaGözlük camı olarak kullanılan merceklerin bir ölçüsü vardır. Buna yakınsama denir. Gözlük numaraları, gözlük camının odak uzaklığı ile ilgilidir. Gözlük numaraları bilimde diyoptri olarak adlandırılır. Diyoptri ise merceğin yakınsamasının birimidir. Bir merceğin yakınsaması o merceğin metre cinsinden odak uçaklığının tersi alınarak bulunur. Bunun formülü; İnce kenarlı merceklerin odak uzaklıkları pozitif (+), kalın kenarlı merceklerin odak uzaklığı negatif (–) olarak hesaplanır. Cisim 2F noktasının dışında ise görüntü F ile 2F arasında ters, gerçek ve boyu cismin boyundan küçüktür. Cisim 2F de ise görüntüsü 2F de ters, gerçek ve boyu cismin boyuna eşittir. Cisim 2F ile F arasında ise görüntüsü 2F nin dışında, ters, gerçek ve boyu cismin boyundan büyüktür. Cisim F de ise görüntüsü sonsuzda olur. Cisim sonsuzda ise, görüntüsü F de, gerçek ve noktasaldır. Cisim mercekle F arasında ise, görüntü cismin arkasında, düz, zahirî ve boyu cismin boyundan büyüktür. (Büyüteç durumu) 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. 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. Tek renkli bir ışık ışını şekildeki gibi prizmaya gönderildiğinde ışın normale yaklaşarak prizmaya girer. Kesiti şekildeki gibi üçgen şeklinde olan saydam ortamlara ışık prizması denir. Prizmalar genelde camdan yapılmışlardır. 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. Işık ışınları, kırıcılığı 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. Tepe ile merkez noktalarının tam ortasındaki noktaya da odak noktası (F) denir. Odak noktasının aynaya veya merkeze uzaklığına da odak uzaklığı (f) denir. Odak uzaklığı ile aynanın (R) yarıçapı arasında R = 2f bağıntısı vardır. Yarıçapı R olan bir kürenin tümsek kısmı parlatılıp ayna yapılırsa tümsek ayna, çukur kısmı parlatılıp ayna yapılırsa çukur ayna elde edilmiş olur. Aynanın tam ortasından ve merkezinden geçen eksene asal eksen denir. Aynanın asal eksenle çakıştığı noktaya tepe noktası (T) denir. Şekildeki gibi noktasal bir cisimden çıkan ışınlar, düzlem aynada yansıyor ve uzantılarının kesiştiği yerde görüntü oluşuyor. Buna göre, düz aynada oluşan görüntü; Zahirîdir. Aynaya olan uzaklığı, cismin aynaya olan uzaklığına eşittir. Boyu, cismin boyuna eşittir. Cisme göre sağlı solludur. Sağ elimiz, görüntümüzün sol elidir. Aynaya göre simetriktir. Yansıma Saydam ortamda hareket eden ışığın herhangi bir yüzeye çarpıp geri dönmesine yansıma denir. Yansıma olayında ışığın hızı, rengi yani hiçbir özelliği değişmez. Sadece hareket yönü değişir. Kaynaklardan yayılan ışınlar, ortamda ilerlerken saydam olmayan cisimler üzerine düşerlerse, cisimleri geçemediklerinden dolayı, cisimlerin arka tarafında karanlık alanlar oluşur. Meydana gelen bu karanlık alanlara gölge denir. Gölgenin şekli, saydam olmayan cismin şeklinin en büyük kesiti gibidir. Bunun sebebi, noktasal ışık kaynağından çıkan ışığın doğrusal olarak yayılmasıdır. Şekildeki ışık kaynağından çıkan ışınların hiç düşmediği yerlere tam gölge, kaynağın bazı bölgelerinden ışık düşüp bazı bölgelerinden ışık düşmediği yerlere de yarı gölge denir.