W tym dziale przedstawiliśmy wybrane zagadnienia związane ze światłem. Pokazaliśmy, że w ośrodkach jednorodnych światło rozchodzi się po liniach prostych. Świadczy o tym powstawanie cienia i półcienia. Omówiliśmy zjawisko odbicia światła od różnych zwierciadeł, pokazaliśmy, jak powstają obrazy w zwierciadłach i czym się te obrazy charakteryzują. Opisaliśmy zjawisko załamania światła i zaprezentowaliśmy podstawowe przyrządy, w których to zjawisko jest wykorzystywane: pryzmaty i soczewki. Nauczyliśmy cię konstruowania obrazów w soczewkach oraz podaliśmy przykłady zastosowania soczewek do korygowania niektórych wad ludzkiego wzroku. Zapoznaliśmy cię z pięknym, barwnym zjawiskiem rozszczepienia światła białego.

Optyka jest jedną z najpiękniejszych i najbardziej interesujących gałęzi fizyki. Ma też ogromne znaczenie praktyczne, czego najlepszym przejawem jest istnienie fotografii i filmu

1. Źródła światła

  1. Abyśmy mogli cokolwiek zobaczyć, światło musi dotrzeć do naszego oka i wywołać wrażenie wzrokowe. Światło to może pochodzić bezpośrednio ze źródła światła. Widzimy także przedmioty, od których światło się odbiło.

  2. Źródłem światła jest każde ciało emitujące promieniowanie świetlne.

  3. Znane nam źródła światła możemy podzielić na dwie grupy:

    1. naturalne źródła światła (gwiazdy, świetliki, niektóre stworzenia morskie, wyładowania atmosferyczne);

    2. sztuczne źródła światła (żarówki elektryczne, neony, diody LED).

  4. Źródła światła mogą być punktowe i rozciągłe.

  5. Punktowe źródło światła to takie, którego rozmiary są wielokrotnie mniejsze od odległości dzielącej to źródło od oświetlanego przedmiotu. Wówczas, niezależnie od fizycznych rozmiarów i kształtu źródła światła, przy opisie sposobu padania promieni świetlnych na oświetlany przedmiot można założyć, że wychodzą one z jednego punktu.

  6. Rozciągłe źródła światła to takie, w przypadku których proporcje pomiędzy rozmiarami powierzchni świecącej i odległością źródła światła od oświetlanego przedmiotu sprawiają, że rozmiary i kształt źródła światła mają wpływ na sposób oświetlania badanego przedmiotu. Mówimy, że w przypadku rozciągłych źródeł światła nie wolno pomijać rozmiarów i kształtu powierzchni świecącej przy opisie sposobu padania promieni świetlnych na oświetlany przedmiot.

  7. Nie wszystkie obiekty, które wydają się emitować światło, są jego źródłami. Obiekty tego typu świecą światłem odbitym. Między innymi zaliczamy do nich Księżyc i planety, które nie emitują światła, jedynie odbijają światło słoneczne.

2. Cień i półcień

  1. W ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się prostoliniowo.

  2. Linię, wzdłuż której rozchodzi się światło, nazywamy promieniem świetlnym.

  3. Obszar cienia to obszar, do którego nie dochodzą promienie świetlne przesłonięte przez nieprzezroczysty przedmiot. Z obszaru cienia nie widać źródła światła.

  4. Półcień powstaje zawsze, gdy nieprzezroczysty przedmiot jest oświetlany rozciągłym źródłem światła lub gdy przedmiot oświetlany jest kilkoma źródłami punktowymi. Z obszaru półcienia widać częściowo źródło światła.

3. Odbicie światła

  1. Gdy światło pada na granicę dwóch ośrodków, ulega odbiciu.

  2. Kąt pomiędzy kierunkiem promienia padającego a prostopadłą do powierzchni w punkcie padania nazywamy kątem padania.

  3. Kąt odbicia to kąt pomiędzy prostopadłą do powierzchni w punkcie odbicia światła a kierunkiem promienia odbitego.

  4. Prawo odbicia: kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający i promień odbity oraz prostopadła do powierzchni zwierciadła leżą w tej samej płaszczyźnie.

  5. Zwierciadła są powierzchniami odbijającymi, wykonanymi zwykle z metalu lub szkła pokrytego warstwą aluminium lub srebra.

  6. Jeśli równoległa wiązka promieni światła pada na zwierciadło płaskie, to po odbiciu pozostaje równoległa. Jednak gdy powierzchnia zwierciadła nie jest wystarczająco gładka, wiązka odbita ulega rozproszeniu. Kierunki promieni odbitych przestają być równoległe, stają się przypadkowe i rozbieżne.

4. Zwierciadło płaskie

  1. Zwierciadła płaskie są płaskimi powierzchniami odbijającymi promienie świetlne, wykonanymi zwykle z metalu lub szkła pokrytego dodatkową warstwą aluminium lub srebra.

  2. Obraz utworzony w zwierciadle płaskim jest prosty i pozorny. Obraz prosty oznacza taki, który w stosunku do przedmiotu nie jest odwrócony. Obraz pozorny powstaje za zwierciadłem w miejscu, gdzie przecinają się przedłużenia promieni odbitych. Promienie nie wychodzą naprawdę z tego punktu, ale wydaje się, jakby z niego wychodziły. Obserwator widzi obraz punktu dokładnie w tym miejscu.

  3. Zwierciadła płaskie znalazły szerokie zastosowanie jako istotne elementy instrumentów optycznych, począwszy od lusterek samochodowych, luster, na aparatach fotograficznych lub laserach kończąc.

5. Zwierciadło wklęsłe

  1. Zwierciadło kuliste wklęsłe jest zwierciadłem, którego powierzchnia odbijająca jest wewnętrzną częścią kuli.

  2. Układ optyczny zwierciadła kulistego (sferycznego) wklęsłego opisują:

    1. oś optyczna – prosta przechodząca przez środek krzywizny zwierciadła, czyli przez środek sfery, z którego powstało, łącząca środek krzywizny zwierciadła z jego wierzchołkiem;

    2. promień krzywizny zwierciadła – promień kuli, której część wewnętrzna jest powierzchnią odbijającą zwierciadła;

    3. ognisko zwierciadła – punkt leżący na osi optycznej, w którym po odbiciu skupiają się promienie padające na zwierciadło równolegle do osi optycznej;

    4. ogniskowa – długość odcinka łączącego ognisko z powierzchnią zwierciadła.

  3. Ogniskową (f) i promień krzywizny (r) zwierciadła kulistego łączy zależność:
    f=r2

  4. Jednostką ogniskowej (f) w układzie SI jest metr.

  5. Zwierciadła wklęsłe znalazły zastosowanie jako reflektory w lampach samochodowych, latarkach, antenach i teleskopach astronomicznych.

6. Konstrukcja obrazów w zwierciadle kulistym

  1. W celu konstrukcji obrazu, między innymi w zwierciadłach, posługujemy się promieniami, których bieg można łatwo przewidzieć. W zwierciadle kulistym wklęsłym będą to:

    1. Promień równoległy do osi optycznej, który po odbiciu przechodzi przez ognisko zwierciadła (F). Wynika to z definicji ogniska.

    2. Promień biegnący wzdłuż promienia krzywizny zwierciadła, przechodzący przez środek krzywizny zwierciadła O; po odbiciu powraca tym samym torem, którym przybył. Wynika to z tego, że promień kuli jest prostopadły do jej powierzchni.

    3. Promień przechodzący przez ognisko zwierciadła (F) po odbiciu opuszcza zwierciadło torem równoległym do osi optycznej. Wynika to z definicji ogniska.

  2. Cechy obrazów powstałych w zwierciadle kulistym można analizować ze względu na położenie przedmiotu i położenie obrazu.

7. Załamanie światła

  1. Zjawisko zmiany kierunku rozchodzenia się światła na granicy dwóch ośrodków przezroczystych nazywamy załamaniem światła.

  2. Kąt pomiędzy kierunkiem promienia padającego a prostopadłą do powierzchni granicznej (normalną) w punkcie padania nazywamy kątem padania.

  3. Kąt załamania to kąt pomiędzy prostopadłą do powierzchni granicznej (normalną) w punkcie załamania światła a kierunkiem promienia załamanego.

  4. Promień padający, prostopadła (normalna) i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie.

  5. Przyczyną zjawiska załamania jest zmiana prędkości rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku jest większa niż w tym, do którego światło przechodzi, wówczas kąt padania (α) jest większy od kąta załamania (β).

  6. Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku jest mniejsza niż w drugim, wówczas kąt padania (α) jest mniejszy od kąta załamania (β).

  7. W przypadku gdy kąt padania promienia światła na granicę dwóch ośrodków wynosi , mimo tego, że prędkości rozchodzenia się światła są różne, kierunek jego biegu nie ulega zmianie.

  8. Przy przejściu z ośrodka, w którym prędkość rozchodzenia się światła jest mniejsza, do ośrodka, w którym prędkość światła jest większa, może dojść do zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia. Zwiększaniu kąta padania towarzyszy jednoczesny wzrost kąta załamania. Przy wartościach kątów padania większych od pewnego kąta, zwanego kątem granicznym (αgr), promienie światła przestają przechodzić do drugiego ośrodka i ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

8. Soczewki

  1. Soczewka to ciało przezroczyste ograniczone powierzchniami kulistymi, parabolicznymi lub walcowymi.

  2. Soczewki mogą zarówno skupiać, jak i rozpraszać światło. Odpowiednio nazywamy je soczewkami skupiającymi i rozpraszającymi.

  3. Soczewki znalazły szerokie zastosowanie w układach optycznych takich przyrządów, jak:

    1. obiektyw;

    2. lupa;

    3. mikroskop optyczny;

    4. teleskop soczewkowy;

    5. okulary.

  4. Ogniskiem F soczewki skupiającej nazywamy punkt, w którym po przejściu przez soczewkę przecinają się wszystkie promienie światła, które padały na nią równoległe do osi optycznej.

  5. Ogniskową f soczewki nazywamy odległość ogniska F od środka soczewki O.

9. Konstrukcja obrazów powstających przy użyciu soczewek

  1. W przypadku gdy musimy skonstruować obraz powstający z wykorzystaniem soczewek skupiających, zwykle wybieramy dwa z trzech wymienionych poniżej promieni, których bieg łatwo jest przewidzieć:

    1. promień równoległy do osi optycznej – po przejściu przez soczewkę przechodzi przez ognisko;

    2. promień przechodzący przez ognisko – po przejściu przez soczewkę wychodzi równoległy do osi optycznej;

    3. promień przechodzący przez środek soczewki – po przejściu przez soczewkę nie zmienia kierunku (nie ulega odchyleniu).

  2. Cechy obrazu powstałego w soczewkach skupiających zależą od odległości przedmiotu od soczewki i zostały zebrane w tabeli poniżej.

Cechy obrazu powstałego w soczewce skupiającej
Położenie przedmiotu x Położenie obrazu y Cechy obrazu
> 2f
< y < 2f
odwrócony, rzeczywisty, pomniejszony
= 2f
= 2
odwrócony, rzeczywisty, tej samej wielkości co przedmiot
2> x > f
> 2f
odwrócony, rzeczywisty, powiększony
= f
promienie po przejściu przez soczewkę są w stosunku do siebie równoległe brak obrazu
< f
obraz powstaje po tej samej stronie soczewki, po której znajduje się przedmiot prosty, pozorny, powiększony
  1. Obrazy rzeczywiste powstają w miejscu przecięcia się promieni załamanych. Zdarza się jednak, że promienie załamane są rozbieżne. Jeśli ich przedłużenia przecinają się, powstaje obraz pozorny. W przypadku gdy promienie załamane są w stosunku do siebie równoległe, obraz w ogóle nie powstanie.

  2. W przypadku soczewki rozpraszającej konstrukcja obrazu wygląda inaczej w porównaniu z soczewkami skupiającymi. Wiązka promieni równoległych padających na soczewkę po jej opuszczeniu jest zawsze rozbieżna. Przecięciu ulegają wówczas przedłużenia promieni załamanych w punkcie leżącym na osi optycznej, nazywanym ogniskiem pozornym.

  3. W celu przeprowadzenia konstrukcji obrazu w soczewce rozpraszającej zwykle wystarczą dwa promienie:

    1. promień padający równolegle do osi optycznej – po przejściu przez soczewkę jego przedłużenie przechodzi przez ognisko pozorne;

    2. promień przechodzący przez środek soczewki – po przejściu przez soczewkę jego kierunek (tor) nie ulega zmianie.

  4. W soczewkach rozpraszających powstały obraz jest zawsze prosty, pomniejszony i pozorny.

10. Oko

  1. Podstawowym organem narządu wzroku jest oko, w którym niezwykle ważną rolę pełni soczewka. Promienie światła po przejściu przez rogówkę padają na soczewkę skupiającą, która tworzy na siatkówce oka obraz pomniejszony, odwrócony i rzeczywisty.

  2. Oko ludzkie ma zdolność akomodacji, czyli zdolność dopasowania oka do odległości w jakiej znajduje się oglądany przedmiot. Dzieje się tak dzięki zmianom kształtu soczewki.

  3. Odległość dobrego widzenia dla oka ludzkiego pozbawionego wady wzroku wynosi około 25 cm.

  4. Najczęściej spotykane wady wzroku to krótko- i dalekowzroczność.

11. Krótkowzroczność

  1. Krótkowzroczność to wada związana z zaburzeniem załamania światła przez soczewkę (zbyt wypukłą) lub oddaleniem się siatkówki od soczewki (wydłużona gałka oczna). Obraz odległego przedmiotu powstaje przed siatkówką i jest interpretowany przez mózg jako niewyraźny i zatarty.

  2. Do korekty tej wady stosuje się soczewki rozpraszające.

12. Dalekowzroczność

  1. Dalekowzroczność (nadwzroczność) to wada związana z zaburzeniem załamania światła przez soczewkę (za bardzo spłaszczoną) lub zbyt dużym zbliżeniem się soczewki do siatkówki (skrócona gałka oczna). Obraz odległego przedmiotu powstaje za siatkówką i jest interpretowany przez mózg jako nieostry.

  2. Do korekty tej wady wzroku stosuje się soczewki skupiające.

13. Rozszczepienie światła w pryzmacie

  1. Pryzmat to bryła przezroczysta (wykonana zwykle ze szkła), będąca graniastosłupem o podstawie trójkąta.

  2. Światło przechodząc przez pryzmat ulega dwukrotnemu załamaniu, po raz pierwszy na granicy ośrodków powietrze–szkło (przy wejściu do pryzmatu), po raz drugi na granicy szkło–powietrze (przy wyjściu z pryzmatu).

  3. Światło białe podczas przejścia przez pryzmat ulega rozszczepieniu, tworząc tak zwane widmo światła białego. Jest to zestaw kolorów od fioletowego do czerwonego, płynnie przechodzących jeden w drugi.

  4. Podczas przejścia przez pryzmat największemu odchyleniu od pierwotnego kierunku ulega światło fioletowe, a najmniejszemu – czerwone.

  5. Światło białe jest mieszaniną barw. Ponowne połączenie wszystkich barw występujących w widmie daje światło białe.

14. Światło białe a światło jednobarwne

  1. Światło białe jest mieszaniną światła o różnych barwach: od fioletu przez niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy do czerwonego;

  2. Światło lasera jest światłem jednobarwnym – to znaczy, że po przejściu przez pryzmat nie ulega rozszczepieniu.

15. Prędkość światła

  1. Światło w próżni rozchodzi się z prędkością o wartości około 300 tysięcy kilometrów na sekundę.

  2. Jest to największa prędkość, z jaką można w przyrodzie przesyłać informację.

  3. W ośrodkach materialnych szybkość światła jest mniejsza i różna dla różnych ośrodków. Na przykład w szkle jest półtora razy mniejsza niż w próżni.

16. Zadania

Polecenie 1

Przedstaw graficznie tworzenie się cienia i półcienia rzucanego na ścianę przez drewniany klocek w kształcie walca, oświetlony raz przez jedną punktową żarówkę, a drugi raz przez świetlówkę o wydłużonym kształcie.

Polecenie 2

Świecący przedmiot w kształcie trójkąta ustawiono przed zwierciadłem płaskim. Narysuj konstrukcję obrazu tego przedmiotu w tym zwierciadle.

Polecenie 3

Ogniskowa soczewki skupiającej ma wartość 30 cm. W odległości 50 cm od soczewki ustawiono świecę. Wykonaj odpowiedni rysunek i wymień cechy obrazu świecy, który powstanie w tych warunkach.

Polecenie 4

W instrukcji do obserwacji zjawiska załamania światła zapisano polecenie: „Nad powierzchnią wody rozpyl odświeżacz powietrza”. Wyjaśnij, dlaczego należało to zrobić.

Polecenie 5

Odpowiedz na pytanie: dlaczego światło białe przechodząc przez pryzmat, ulega rozszczepieniu, a światło lasera nie?

Polecenie 6

Legendarny Pan Twardowski wysłał wiadomość z Księżyca do swego sługi na Ziemi. Odpowiedz na pytanie: po jakim najkrótszym czasie mógł otrzymać odpowiedź? Zakładamy, że sługa wysłał odpowiedź po 10 sekundach od momentu otrzymania wiadomości. Odległość od Ziemi do Księżyca wynosi około 380 000 km.

17. Test

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10