Gdy obserwujesz łyżeczkę przez boczną ściankę szklanki z herbatą, masz wrażenie, że jest ona większa i w górnej części jakby złamana. Próbując wyłowić leżący na dnie basenu przedmiot, zwykle nie znajdujesz go dokładnie tam, gdzie tego oczekiwałeś. Są to przykłady, w których spotykasz się ze zjawiskiem załamania światła. Czy potrafisz je wykorzystać praktycznie?

Światło przechodząc przez granice pomiędzy różnymi ośrodkami (powietrze, szkło, wodę itd.), ulega załamaniu. Dlatego też tak dziwnie wygląda świat oglądany przez gruby kawałek wygiętego szkła – na przykład nóżkę kieliszka
Już wiesz
  • sformułować prawo odbicia;

  • wykorzystać zjawisko odbicia światła do konstrukcji obrazu w zwierciadle płaskim i wklęsłym;

  • wymienić cechy obrazu powstałego w zwierciadle płaskim i wklęsłym;

  • wyjaśnić, co jest powodem rozpraszania światła.

Nauczysz się
  • podawać definicję zjawiska załamania światła i wymieniać przyczyny jego powstawania;

  • podawać definicję rozszczepienia światła i wyjaśniać zjawisko tęczy;

  • korzystać z przyrządów optycznych, takich jak pryzmat i soczewka;

  • klasyfikować soczewki ze względu na ich kształt;

  • podawać przykłady zastosowania soczewek.

1. Zjawisko załamania światła

Obserwacja 1

Obserwacja zjawiska załamania światła na granicy dwóch ośrodków.

Co będzie potrzebne
  • wskaźnik laserowy;

  • przezroczysty pojemnik z wodą;

  • odświeżacz powietrza w sprayu.

Instrukcja
  1. Nad powierzchnią wody rozpyl odświeżacz powietrza.

  2. Skieruj światło ze wskaźnika na powierzchnię wody.

  3. Zmieniaj kąt padania promienia lasera na powierzchnię wody – zwróć szczególną uwagę na bieg promienia lasera na granicy dwóch ośrodków (powietrza i wody).

Podsumowanie

Zarówno w powietrzu, jak i wodzie promień światła laserowego jest prostoliniowy. Jednak na granicy dwóch ośrodków (w naszym przypadku powietrza i wody) możemy zauważyć, że promień lasera wyraźnie zmienia kierunek biegu. Zjawisko takie nazywamy załamaniem światła.

Zapamiętaj!

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

Zapamiętaj!

Kąt pomiędzy kierunkiem promienia padającego a prostą prostopadłą do powierzchni (normalną) w punkcie padania nazywamy kątem padania.
Kąt załamania to kąt pomiędzy prostą prostopadłą do powierzchni (normalną) w punkcie załamania światła a kierunkiem promienia załamanego.
Promień padający, normalna i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie.

Kąt padania i załamania

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 załamania (β) jest większy od kąta padania (α).

Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku (v1), jest większa niż w drugim (v2), wówczas kąta padania (α) jest większy od kąta załamania (β)

Gdy prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku jest mniejsza niż prędkość rozchodzenia się światła w drugim ośrodku, do którego światło przechodzi, wówczas kąt załamania jest większy od kąta padania.

Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku (v1), jest mniejsza niż w drugim (v2), wówczas kąta padania (α) jest mniejszy od kąta załamania (β)

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

W przypadku gdy kąt padania wynosi zero stopni, nie zachodzi zjawisko załamania światła

Kiedy promień światła pada na granicę dwóch ośrodków, to przy pewnych kątach padania występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Aby mogło do tego dojść, światło powinno przechodzić z z ośrodka pierwszego, w którym prędkość rozchodzenia się światła jest mniejsza, do ośrodka drugiego, w którym ta prędkość jest większa – np. z wody lub szkła do powietrza.

Niekiedy spotkasz się z pojęciem ośrodka gęstszego optycznie lub rzadszego optycznie. Oznacza to, że w tym pierwszym światło rozchodzi się z prędkością o mniejszej wartości, a w tym drugim o większej. Nie ma to nic wspólnego z gęstością substancji ośrodka, wyrażaną w kgm3. Przykładem są takie substancje jak woda i gliceryna – ta druga substancja ma gęstość większą niż woda 1260 kgm3. Prędkość światła wynosi w glicerynie 203 000 kms , a prawie 225 000 kms w wodzie. Z kolei benzyna ma gęstość wynoszącą ok. 0,7 gęstości wody, a prędkość światła w niej ma wartość 214 000 kms, czyli mniej niż w wodzie. Podobna relacja jest dla wody i kwasu solnego.

Zapamiętaj!

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 większych od pewnego kąta, zwanego kątem granicznym ( αgr), promienie światła nie przechodzą do drugiego ośrodka, lecz ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

Wielokrotne całkowite wewnętrzne odbicie promienia lasera w bloku pleksi

*Prawo załamania światła…

Ciekawostka

Dlaczego nawet w płytkiej wodzie, pomijając nasze zdolności łowieckie, nie jesteśmy w stanie upolować ryby przy pomocy zaostrzonego patyka?

Załamanie światła bywa kłopotliwe dla rybaków

Gdy obserwujesz rybę pływającą pod powierzchnią wody, odnosisz wrażenie, że znajduje się ona na przedłużeniu promieni wpadających do twojego oka. Tak jednak nie jest, ponieważ światło opuszczając wodę, uległo załamaniu na granicy woda – powietrze. Ryba znajduje się zupełnie w innym miejscu, niż ją widzisz.

2. Załamanie światła w płytce płasko‑równoległej

Płytka płasko‑równoległa jest optycznie jednorodnym i przezroczystym dla promieni świetlnych blokiem materiału (szkło, pleksi), który ma co najmniej dwie płaskie i równoległe względem siebie powierzchnie. Gdy światło przechodzi przez płytkę płasko‑równoległą, ulega dwukrotnemu załamaniu – raz przy wejściu, a drugi raz przy wyjściu z płytki. Promień po wyjściu z płytki biegnie dalej równolegle do toru promienia padającego, zatem nie ulega odchyleniu.

Bieg promienia światła przed i po przejściu przez płytkę płasko-równoległą jest równoległy

Płytki płasko‑równoległe znalazły zastosowanie praktyczne, a zrozumienie biegu promienia świetlniego w niej pozwoliło na wyjaśnienie pewnych występujących w przyrodzie zjawisk.

Ciekawostka

Na czym polega fatamorgana?

Jak powstaje miraż czyli fatamorgana?

Ilustracja powyżej przedstawia zasadę powstawania tzw. mirażu górnego powyżej linii horyzontu. Promień idący z wierzchołka góry ulega załamaniu na granicy dwóch ośrodków; pierwszy stanowi nagrzane powietrze o mniejszej gęstości, drugi – chłodniejsze powietrze (o większej gęstości) znajdujące się bliżej powierzchni ziemi. Przedłużenie promieni światła wpadających do oka obserwatora wywołuje wrażenie, że przedmiot, w tym przypadku wierzchołek góry, swobodnie unosi się w powietrzu.

Miraż górny powstały powyżej linii horyzontu
Polecenie 1

Uzupełnij relacje kąta załamania do kąta padania, wpisując znak „<” lub „ >”.

Relacje kąta załamania do kąta padania
Przejścia światła do.../ z… Prędkość rozchodzenia się światła Kąt padania α Kąt załamania β
powietrze/szkło powietrze 300 000 kms 67 β
szkło 170 000 kms
szkło/ woda szkło 170 000 kms 50 β ..... 50
woda 225 000 kms
szkło/powietrze szkło 170 000 kms 20 β ..... 20
powietrze 300 000 kms
lód/szkło lód 230 000 kms 40 β ..... 40
szkło 170 000 kms
diament/ kwarc diament 124 000 kms 20 β ..... 20
kwarc 194 000 kms

Źródło danych: .

Polecenie 2

Przy jakich przejściach podanych wyżej możliwe będzie wystąpienie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia? Uzasadnij odpowiedź.

3. Załamanie światła w soczewkach

Soczewka jest specjalnie oszlifowaną bryłą z przezroczystego materiału, która została ograniczona powierzchniami kulistymi, parabolicznymi lub walcowymi.

Klasyfikacja soczewek ze względu na kształt ograniczających je powierzchni

Soczewki najczęściej wykonane są ze szkła, tworzywa sztucznych, niektórych minerałów (kwarc, szafir), a także parafiny.

Polecenie 3

Wśród soczewek wymienionych na powyższej ilustracji zabrakło jednego typu. Jakiego? Narysuj przekrój takiej soczewki.

Zadaniem soczewki jako prostego urządzenia optycznego jest załamywanie przechodzącego przez nią światła. Soczewki mogą zarówno skupiać, jak i rozpraszać światło. Odpowiednio nazywamy je soczewkami skupiającymi oraz rozpraszającymi.

Symbole soczewek skupiającej i rozpraszającej

Przykładem soczewki skupiającej jest soczewka dwuwypukła, rozpraszającej – dwuwklęsła. W przypadku soczewek przeznaczonych do stosowania w otoczeniu gazowym (czyli w powietrzu, a nie np. pod wodą) soczewki skupiające są cieńsze przy krawędziach i grubsze na środku, a soczewki rozpraszające odwrotnie – cieńsze w środku niż na brzegach.

Polecenie 4

Zastanów się, czy gdyby soczewka wykonana z materiału, w którym światło miałoby taką samą prędkość jak w wodzie, została zanurzona w wodzie, załamywałaby promienie świetlne?

4. Zastosowanie soczewek

Soczewki ze względu na swoje własności znalazły szerokie zastosowanie jako elementy złożonych układów optycznych. Omówienie ich zastosowania zacznijmy jednak od układu optycznego, z którego większość z nas korzysta na co dzień, a mianowicie – oka.

Wzorując się na budowie oka, skonstruowano aparat fotograficzny, którego obiektyw jest złożony z kilku, a nawet kilkunastu soczewek.

Obiektyw aparatu fotograficznego może liczyć nawet kilkanaście soczewek

Okulary mają za zadanie korygować wady wzroku, takie jak krótkowzroczność, dalekowzroczność czy astygmatyzm poprzez odpowiednie skupienie lub rozproszenie promieni światła.

Szkła okularów korekcyjnych w zależności od wady wzroku są soczewkami skupiającymi lub rozpraszającymi

Lupa jest prostym przyrządem optycznym, który pozwala na uzyskanie co najmniej trzykrotnie powiększonych obrazów przedmiotów. Lupa jest zwykłą soczewką skupiającą. Wykorzystujemy ją np. w filatelistyce lub numizmatyce, drukarstwie, jubilerstwie czy też zegarmistrzostwie.

Lupa jako nieodzowny atrybut detektywa

Mikroskop optyczny jest kolejnym przyrządem, w którym wykorzystujemy soczewki. Zadaniem mikroskopu jest obserwacja pod dużym powiększeniem blisko położonych przedmiotów o niewielkich rozmiarach.

W mikroskopie stosujemy układ dwóch soczewek – obiektyw i okular. Ich odpowiednie zestawienie pozwala uzyskiwać nawet 1500‑krotne powiększenia. Aby zrozumieć, jak wielkie jest to powiększenie, wyobraźmy sobie, że obserwujemy przedmiot o długości 1 cm. W mikroskopie jego obraz mógłby mieć rozmiar aż 15 m.

Budowa mikroskopu optycznego

Teleskop soczewkowy (refraktor) jest rzadko już dziś stosowanym przyrządem astronomicznym, złożonym w całości z soczewek. Podobnie jak luneta, zbudowana po raz pierwszy przez Galileusza w 1609 r. składa się ona z tubusu, w którym znajduje się skupiająca soczewka obiektywu i rozpraszająca soczewka okularu.

Dzięki takiej lunecie Galileusz odkrył, że Księżyc posiada góry i kratery oraz obszary, które badacz zinterpretował jako morza. Przy jej pomocy odkrył także cztery księżyce Jowisza.

Obecnie do obserwacji astronomicznych używamy tzw. reflektorów, w których do zbierania światła wykorzystuje się zestawy zwierciadeł i wspomagających je soczewek.

Polecenie 5

Podaj trzy inne niewymienione w tym rozdziale zastosowania soczewek.

Podsumowanie

  • Załamaniem światła na granicy dwóch ośrodków przezroczystych nazywamy zmianę kierunku rozchodzenia się światła na granicy tych ośrodków.

  • Kąt zawarty pomiędzy kierunkiem promienia padającego a prostopadłą do powierzchni w punkcie padania promienia światła nazywamy kątem padania.

  • Kąt załamania to kąt pomiędzy prostopadłą do powierzchni padania w punkcie załamania światła a kierunkiem promienia załamanego.

  • Promień padający, prosta prostopadła (normalna) do powierzchni, na którą pada promień i promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie.

  • Przyczyną zjawiska załamania jest zmiana prędkości rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w drugim ośrodku jest mniejsza niż w tym, z którego światło przychodzi, wówczas kąt załamania (β) jest mniejszy od kąta padania (α). Mówimy, że promień załamuje się do normalnej.

  • Jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w drugim ośrodku jest większa niż w pierwszym, wówczas kąt załamania (β) jest większy od kąta padania (α). Mówimy, że promień załamuje się od normalnej.

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

  • Przy przejściu światła z ośrodka, w którym prędkość rozchodzenia się go 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 większych od pewnego kąta, zwanego kątem granicznym ( αgr), promienie światła przestają przechodzić do drugiego ośrodka, lecz ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

  • Płytka płasko‑równoległa jest optycznie jednorodnym i przezroczystym dla promieni świetlnych blokiem materiału (szkło, pleksi), który ma co najmniej dwie płaskie i równoległe względem siebie powierzchnie. Gdy światło przechodzi przez płytkę płasko‑równoległą, ulega dwukrotnemu załamaniu – raz przy wejściu, a drugi raz przy wyjściu z płytki. Promień po wyjściu z płytki biegnie dalej równolegle do toru promienia padającego.

  • Soczewka jest ciałem przezroczystym, które zostało ograniczone powierzchniami kulistymi, parabolicznymi lub walcowymi.

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

  • Soczewki znalazły szerokie zastosowanie w układach optycznych takich przyrządów jak:

    • obiektyw;

    • lupa;

    • mikroskop optyczny;

    • teleskop soczewkowy;

    • okulary.

  • Zasadniczym elementem budowy oka człowieka (również kręgowców i niektórych bezkręgowców) jest soczewka oczna, w której powstaje obraz obserwowanych przedmiotów na siatkówce.

Praca domowa
Polecenie 6.1

Podaj dwa warunki, przy których światło przechodzące przez granice dwóch ośrodków nie ulega załamaniu.

Polecenie 6.2

Mamy kilka soczewek. Podaj kryterium, które pozwoli odróżnić, która z nich stosowana w otoczeniu gazowym (np. w powietrzu) jest soczewką skupiającą, a która rozpraszającą.

Słowniczek

całkowite wewnętrzne odbicie

– zjawisko obserwowane niekiedy przy przejściu z ośrodka, w którym prędkość rozchodzenia się światła jest mniejsza do ośrodka, w którym prędkość światła jest większa. Zwiększaniu kąta padania towarzyszy jednoczesny wzrost kąta załamania. Przy wartościach większych od pewnego kąta, zwanego kątem granicznym αgr, promienie światła przestają przechodzić do drugiego ośrodka i ulegają całkowitemu odbiciu.

kąt załamania

– kąt zawarty pomiędzy prostopadłą do powierzchni w punkcie załamania światła a kierunkiem promienia załamanego.

lupa

– prosty przyrząd optyczny składający się zwykle z jednej soczewki skupiającej, który pozwala obserwować kilkukrotnie powiększony pozorny obraz przedmiotu.

mikroskop optyczny

– przyrząd optyczny składający się z obiektywu i okularu, którego zadaniem jest obserwacja z dużym powiększeniem blisko położonych przedmiotów o niewielkich rozmiarach.

soczewka rozpraszająca

– soczewka rozpraszająca padające na nią światło.

soczewka skupiająca

– soczewka skupiająca padające na nią światło.

załamanie światła

– zjawisko zmiany kierunku rozchodzenia się światła na granicy dwóch ośrodków przezroczystych.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2