Załamanie światła

To zjawisko fizyczne polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się promieni świetlnych przez dwa ośrodki przezroczyste. Przyczyną takiego zachowania się światła jest to, że światło ma różne prędkości w zależności od tego przez jaki ośrodek przechodzi. Im większa gęstość ośrodka, tym światłu "trudniej jest się przez niego przedrzeć" - czyli ma w nim mniejszą prędkość, niż w ośrodkach o mniejszej gęstości.

W opisie tego zjawiska stosujemy następujące oznaczenia:

Jeżeli w punkcie, w którym promień świetlny pada na powierzchnię styku dwóch ośrodków, wystawimy prostą n prostopadłą do tej powierzchni, to: 

  • Kątem padania (α) - nazywamy kąt pomiędzy promieniem padającym, a prostą n,
  • Kątem załamania (β)- nazywamy kąt pomiędzy promieniem załamanym, a prostą n.

Wiemy już, ze prędkość światła w danym ośrodku zależy od gęstości tego ośrodka. Okazuje się, że również kąta padania i załamania zależą w znacznym stopniu od tej gęstości.

  • Jeżeli promień przechodzi z ośrodka, o mniejszej gęstości, do ośrodka, o większej gęstości, to wówczas kąt załamania jest mniejszy od kąta padania (β < α)
  • Jeżeli promień przechodzi z ośrodka, o mniejszej gęstości, do ośrodka, o większej gęstości, to wówczas kat załamania jest większy od kąta padania (β > α).
  • We wszystkich tych przypadkach - gdy zwiększa się kąt padania to zwiększa się oczywiście kąt załamania światła, ale z zachowaniem między nimi zależności omówionej powyżej.
  • Jeżeli kąt padania jest równy zeru, to promień światła przechodzi z jednego ośrodka do drugiego bez zmiany kierunku.

Prawo załamania światła:

  1. Stosunek sinusa kata padania α, do sinusa kata załamania β, jest dla danych ośrodków stały i równy:
    • stosunkowi prędkości światła w ośrodku pierwszym V1 do prędkości światła w ośrodku drugim V2:

sin α/ sin β= V1/ V2

    • stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania światła w ośrodku 2, do bezwzględnego współczynnika załamania światła w ośrodku 1.

Pamiętając, że bezwzględny współczynnik załamania światła n, zależy od prędkości światła w ośrodku V i wyraża się wzorem: n=c/V, oraz n1 bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 1, n2 - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 2, otrzymujemy kolejną postać prawa załamania światła:

sin α/ sin β= n2 / n1

    • względnemu współczynnikowi załamania światła n12 ośrodka do którego światło wpada względem ośrodka, w którym światło się załamuje.

Względny współczynnik n12 (!czytamy - w kolejności od tyłu - ośrodka drugiego względem pierwszego) jest równy:

n12=n2/n1.

Czyli trzecia forma prawa załamania światła przedstawia się wzorem:

sin α/ sin β= n12.

Względny współczynnik załamania światła danej substancji decyduje o stopniu skręcenia kierunku światła, gdy opuszcza ono daną substancję i przechodzi do innego ośrodka. Z kolei bezwzględny współczynnik załamania światła umożliwia szybkie obliczenie prędkości światła w danych ośrodku, wg wzoru: V = c/n.

Załamanie pod kątem prostym agr. Dzięki współczynnikom załamania światła można również obliczyć tzw. kąt graniczny - czyli kąt padania promieni świetlnych, gwarantujący ich załamanie pod katem prostym:

n1 ∙sinagr= n2.

Tabela współczynników załamania światła wybranych substancji:

Ośrodek

(*)bezwzględny współczynnik załamania światła - n

Prędkość światła w danym ośrodku

diament

2,47

ok. 125 000 000 

lód

1,31

ok. 229 000 000 

sól kamienna

1,54

ok. 194 000 000 

szkło (różne rodzaje)

od 1,4 do 1,9 - (średnio 1,5)

ok. 200 000 000 

woda

1,33

225 000 000

etanol

1,36

220 000 000

powietrze

1,0003

299 706 000

próżnia

1

c = 299 792 458

*Wyżej wymienione wartości obowiązują dla substancji bez zanieczyszczeń i domieszek (przy normalnym ciśnieniu).

Przejście światła białego przez pryzmat

Światło białe składa się tak naprawdę z kilku barw nałożonych na siebie: czerwonej, pomarańczowej, żółtej, niebieskiej i fioletowej. Widmem światła białego nazywamy szeregowe rozłożenie wszystkich jego barw z zachowaniem ciągłości przejścia między kolejnymi kolorami - np. jak wachlarz tęczowych kolorów.

Wiemy już, że światło załamuje się przy przejściu przez różne ośrodki. Natomiast wielkość kąta załamania, zależy od kąta padania promienia świetlnego i różnicy gęstości obu ośrodków. W przypadku światła białego, mamy do czynienia z ciekawym przypadkiem załamania światła. Każda jego składowa - barwa rozchodzi się w ciałach przezroczystych (bez próżni) z inną prędkością, a tym samym załamuje się w tych ośrodkach pod różnymi katami. Największą prędkość ma światło czerwone, a najmniejszą fioletowe. Warto pamiętać, że w próżni prędkość rozchodzenia się światła o różnych barwach ma taką samą wartość.

Szczególne ciekawe zjawisko możemy zaobserwować w przypadku przejścia światła białego przez pryzmat: zachodzi wtedy nie tylko ogólne odchylenie całego promienia od jego pierwotnego kierunku, ale również jego rozszczepienie na wszystkie barwy widma - jak tęcza.

Soczewki

Soczewka jest najprostszym urządzeniem optycznym. Jest zrobiona z przezroczystego materiału (szkło, tworzywa sztuczne, żele, a nawet z wody). Jednak, aby taka właśnie bryła mogła być soczewką jej powierzchnie ograniczające (zamykające materiał, z którego jest wykonana w całość) muszą być "koliste" - (mają kształt wycinka sfery, walca lub innej bryły obrotowej powstałej z obrotu paraboli, hiperboli), albo też jedna z powierzchni może być płaska. Soczewki o dwóch powierzchniach "kolistych" nazywamy dwustronnie wypukłymi - soczewki te mają taką własnośćskupiania promieniowania, np. światła. Natomiast soczewki mające powierzchnie o kształcie wklęsłym, nazywamy dwustronnie wklęsłymi. Gdy jedna z powierzchni ograniczających soczewkę jest wklęsła, a druga wypukła, to otrzymujemy soczewkę wklęsło - wypukłą.

Co to znaczy, że soczewka ma własności skupiające np. światło? Oznacza to, ze gdy do soczewki docierają równoległe promienie światła, to po przejściu przez nią wszystkie te promienie (nazywane wiązką promieni) "spotkają" się w jednym punkcie - nazywanym ogniskiem soczewki ( lub punktem skupienia). Soczewka zmienia bieg promieni i nie są one już do siebie równoległe, ale przecinają się w ognisku soczewki. Położenie tego punktu zależy od promieni krzywizy obu powierzchni ograniczających soczewkę, a także materiału, z którego soczewka jest wykonana i otoczenia, w którym się znajduje. Z kolei odległość ogniska soczewki od środka optycznego soczewki nazywamy ogniskową. Im powierzchnie soczewki są bardziej spłaszczone, tym dłuższa jest ogniskowa tej soczewki, czyli ognisko znajduje się dalej samej soczewki. Oś symetrii soczewki, nosi nazwę jej główną osią. A co nazywamy zdolnością skupiającą soczewki? Wielkość ta, to odwrotność wartości ogniskowej z=1/f. Jej jednostką są dioptrie [z=1/f] = 1D = 1/1m.

Soczewki obustronnie wklęsłe i płasko - wklęsłe w powietrzu rozpraszają wiązki promieni, które przez nie przechodzą (ważny jest tutaj fakt, ze gęstość materiału soczewki jest większa od gęstości otoczenia, gdyż np. soczewka, która jest skupiająca w powietrzu może okazać się rozpraszającą w wodzie). Czyli do soczewki docierają równoległe względem siebie promienie, ale po przejściu przez nią rozchodzą się one na boki - rozpraszają. Ogniskowa i zdolność skupiająca tych soczewek oraz promienie krzywizn ich powierzchni wyrażane są zawsze wartościami ujemnymi. Gdyż ognisko tych soczewek znajduje się po tej samej stronie soczewki, z której padają na nią promienie. Ognisko nazywamy pozornym, bo powstaje na przecięciu przedłużeń promieni rozproszonych.

Soczewki skupiające:

  • dwuwypukła
  • płaskowypukła
  • wklęsłowypukła

Soczewki rozpraszające:

  • dwuwklęsła
  • płaskowklęsła
  • wypukłowklęsła

Soczewki są ciekawym i bardzo przydatnym narzędziem do powiększania lub pomniejszania obrazu danego przedmiotu. Jednak ułożenie i wielkość obrazu przedmiotu zależy od rodzaju soczewki oraz od odległości od soczewki, w której umieścimy przedmiot. Musimy jednak pamiętać, że jeżeli obraz Obraz W najogólniejszym znaczeniu: świat przedstawiony w utworze literackim jako odzwierciedlenie jakiejś rzeczywistości zewnętrznej, np. obraz XIX-wiecznej Warszawy w Lalce B. Prusa. Takie pojmowanie ... Czytaj dalej Słownik terminów literackich powstaje po tej samej stronie soczewki, po której znajduje się przedmiot, to nazywamy go pozornym - podobnie jak w przypadku ogniska soczewki rozpraszającej. Wtedy też odległość obrazu od soczewki, którą oznaczamy y, zapisujemy ze znakiem "-". Z kolei, gdy obraz powstaje po przeciwnej stronie soczewki niż przedmiot, to nazywamy go rzeczywistym. Wysokość samego przedmiotu oznaczamy przez x. Z takimi symbolami możemy prostszym wzorem, zapisać znane nam już równanie soczewki:

1/f = 1/x + 1/y,

gdzie: x - wysokość przedmiotu, y - wysokość obrazu, z = 1/f - zdolność skupiająca.

Istotny jest też wzór na powiększenie, które daje soczewka: p = |y|/x. W ten sposób otrzymujemy liczbę, która wyraża ile razy obraz jest większy/mniejszy od przedmiotu.

Cechy obrazu otrzymanego za pomocą soczewki skupiającej:

Położenie przedmiotu:

Cechy obrazu:

Odległość obrazu:

0

  • pozorny; utworzony przez przecięcie przedłużeń promieni świetlnych
  • prosty, czyli nie odwrócony
  • powiększony; p>1

y<0

x=f

  • obraz nie powstał.
  • Promienie po przejściu przez soczewkę ułożyły się równoległe względem siebie, dlatego nie jest możliwe ich przecięcie, ani też przecięcie ich przedłużeń.

obraz nie powstaje

f

  • rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych
  • odwrócony
  • powiększony; p>1

y>2f

x=2f

  • rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych
  • odwrócony
  • niepowiększony - rzeczywistych rozmiarów; p=1

y=2f

x>2f

  • rzeczywisty; utworzony przez przecięcie promieni świetlnych
  • odwrócony
  • pomniejszony; p<1

f

Cechy obrazu otrzymanego za pomocą soczewki rozpraszającej:

  • obraz jest zawsze pomniejszony - mniej lub bardziej w zależności od odległości przedmiotu od soczewki
  • zawsze pozorny
  • zawsze prosty, czyli nieodwrócony
  • odległość obrazu od soczewki zawsze w odległości: -f < y < 0.

4. Przyrządy, w których otrzymujemy obrazy rzeczywiste:

  • Oko
  • Aparat fotograficzny
  • Aparat filmowy
  • Episkop
  • Diaskop
  • Rzutnik pisma

5. Przyrządy, w których otrzymujemy obrazy pozorne:

  • Lupa
  • Mikroskop
  • Lornetka
  • Luneta astronomiczna