2. Odbicie i załamanie światła

Odbicie światła

Światło padające na granicę dwóch ośrodków może ulec odbiciu. Dzieje się tak bardzo często, przy czym dodatkowo część wiązki świetlnej może dodatkowo ulegać załamaniu.

Normalna - jest to prosta prostopadła do powierzchni.

Promień padający normalna i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Kąt padania - kąt zawarty między promieniem padającym a normalną do powierzchni.

Kąt odbicia - kąt zawarty między promieniem odbitym a normalną do powierzchni.

Normalna - prosta prostopadła do powierzchni

Prawo odbicia światła

Kąt padania światła jest równy kątowi odbicia. Promień padający, normalna i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie.

Typowe, najbardziej nam znane odbicie zachodzi wtedy, gdy drugi ośrodek jest w ogóle nieprzepuszczalny dla światła. Jeżeli dodatkowo w tym drugim ośrodku światło nie jest pochłaniane, to cała wiązka ulega odbiciu. W ten sposób otrzymujemy zwierciadło.

Uwaga! Warto zwrócić uwagę na fakt, że zarówno kąt padania, jaki i odbicia liczone są od normalnej, a nie od powierzchni rozgraniczającej ośrodki.

PRZYKŁAD 1. Na lustro pada promień świetlny. Kąt między płaszczyzną lustra a promieniem padającym wynosi 60 stopni. Oblicz kąt odbicia.

Rozwiązanie:

Normalna do powierzchni jest pod kątem prostym czyli 90 stopni. Promień pada pod kątem 60 stopni do płaszczyzny odbicia, więc kąt pomiędzy promieniem padającym a normalną wynosi 30 stopni. Zgodnie z prawem odbicia kąt odbicia musi być taki sam jak kąt padania czyli 30 stopni.

Odpowiedź: Kąt odbicia wynosi 30 stopni.

Załamanie światła

Kolejnym ważnym zjawiskiem zachodzącym w trakcie rozchodzenia się promieni świetlnych jest załamanie światła zachodzące na granicy różnych ośrodków. Przedmiot zanurzony do połowy w wodzie, wydaje się "krzywy". Promienie świetlne dochodzące ze znajdującej się pod wodą części przedmiotu dochodzą do oka pod innym kątem, niż te z części znajdującej się nad powierzchnią wody. Dzieje się tak, ponieważ światło zmienia kierunek rozchodzenia się na granicy wody i powietrza. Zmiana kierunku rozchodzenia się światła przy zmianie ośrodka zależy od właściwości optycznych tych ośrodków. Każdemu materiałowi przypisuje się współczynnik załamania. Im większy stosunek współczynników załamania dwóch ośrodków, tym bardziej załamuje się przechodzące między nimi światło.To o ile stopni odchyli się światło od pierwotnego toru zależy również od kąta pod jakim światło pada na obiekt np. dla kąta padania równego 0 odchylenie toru światła nie nastąpi.

zjawisko załamania i odbicia promienia światłą w wodzie

Przy przejściu z ośrodka o mniejszym do ośrodka o większym współczynniku załamania kąt padania jest większy od kąta załamania. Natomiast Przy przejściu z ośrodka o większym do ośrodka o mniejszym współczynniku załamania kąt padania jest mniejszy od kąta załamania.

zjawisko załamania

światło przechodzi z ośrodka rzadszego do gęstszego

kąt padania jest większy od kąta załamania

zjawisko załamania w szklance wody

zjawisko załamania

światło przechodzi z ośrodka gęstszego do rzadszego

kąt padania jest mniejszy od kąta załamania

zjawisko załamania: rybę widzimy na mniejszej głębokości niż jest w rzeczywistości

Ponieważ zjawisko załamania zależy od ośrodków, w których światło rozchodzi się z różnymi prędkościami, to definiujemy bezwzględny współczynnik załamania. Bezwzględny współczynnik załamania światła dany jest wzorem:

Prawo załamania światła

Stosunek prędkości światła w ośrodku1 do prędkości światła w ośrodku2 jest równy stosunkowi bezwzględnemu współczynnikowi załamania ośrodka2 do bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka1. Promień padający, normalna i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie.

Dla ułatwienia obliczeń można stosować względny współczynnik załamania. Względny współczynnik załamania decyduje o tym jak bardzo światło ma tendencję do skręcania swego kierunku podczas przechodzenia do innego ośrodka. Inaczej mówiąc - przy dużym względnym współczynniku załamania światło będzie się silniej załamywać.

Przykładowe (bezwzględne) współczynniki załamania:

diament: 2,47
lód: 1,31
szkło: ok. 1,5 (wielkość zależna od rodzaju szkła, waha się od ok. 1,45 do 1,8)
woda: 1,33

PRZYKŁAD 2.Oblicz bezwzględny współczynnik załamania światła dla wody. Prędkość światła w wodzie wynosi 225000 km/s.

Dane : Rozwiązanie:

Korzystamy z wzoru na bezwzględny współczynnik załamania światłą:

Odpowiedź: Bezwzględny współczynnik załamania dla wody wynosi 1,33

Rozproszenie światła

Odbicie swiatła od powierzchni niegładkiej, szorstkiej, nierównej nazywa sie rozproszeniem światła

W praktyce swiatło padajac na różnorodne powierzchnie znajdujace sie w otoczeniu obserwatora ulega rozproszeniu. Dzieki rozproszeniu swiatła na powierzchniach różnych ciał i przedmiotów do oka dociera swiatło i na siatkówce oka powstaje obraz przedmiotu.

Zjawisko odbicia światła i zjawisko rozproszenia światła podlegaja prawu odbicia światła.

Miraż

Teraz bardziej skomplikowane zjawisko związane z załamaniem światła. W tym celu wykorzystamy akwarium z wodą w której rozpuścimy dużą ilość cukru. Po wpuszczeniu do akwarium wiązki światła, zauważymy, że rozchodzi się ono po krzywej. Wyjaśnienie tego zjawiska jest związane z faktem, że współczynnik załamania światła jest większy w wodzie o większej zawartości cukru. Woda taka jest gęstsza, więc znajduje się bliżej dna akwarium. Mamy więc do czynienia z sytuacją, w której współczynnik załamania światła rośnie wraz z głębokością. Światło przechodząc do obszaru o większym współczynniku załamuje się w kierunku dna.

Bardzo podobne zjawisko obserwujemy w naturze i nazywamy mirażem lub fatamorganą. Najczęściej zaobserwować je można w gorący dzień nad rozgrzaną drogą. Wydaje się wtedy, że na drodze powstaje kałuża, w której widzimy odbite znajdujące się dalej przedmioty.

Wyjaśnienie tego zjawiska jest podobne do wyjaśnienia doświadczenia z akwarium. Otóż znajdujące się nad asfaltem rozgrzane powietrze ma mniejszą gęstość i mniejszy współczynnik załamania, niż znajdujące się wyżej chłodniejsze powietrze. Światło załamuje się w kierunku ośrodka o większym współczynniku załamania i rozchodzi w sposób pokazany na poniższym rysunku, tworząc złudzenie odbicia.

Innym przykładem bardzo podobnego zjawisko jest miraż powstający nad wodą. Tutaj sytuacja jest odwrotna niż w opisywanym poprzednio przypadku mirażu powstającego nad rozgrzaną drogą. Powietrze znajdujące się nad wodą jest chłodniejsze, ma więc większy współczynnik załamania. Promień świetlny pochodzący na przykład od znajdującego się za horyzontem statku ulega zakrzywieniu ku dołowi, dochodząc do obserwatora od góry i tworząc wrażenie, że obserwowany statek znajduje się na tle nieba.