Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Jeśli nie wiesz, co jest po drugiej stronie lustra, zapytaj fizyka! Odpowie ci, że nie znajdziesz tam odwróconej kopii naszego świata, ale inny, równie tajemniczy świat fizyki. Wypowie wiele brzmiących jak zaklęcia nazw fizycznych, takich jak obraz pozorny, prawo odbicia światła i promień świetlny.

Choć obecnie bez luster, czyli szklanych zwierciadeł płaskich, nie wyobrażamy sobie życia, to ich historia nie jest szczególnie długa. Jednak samo zjawisko odbicia, które sprawia, że lustra mogą istnieć i działać, jest znane od wieków i równie fascynujące, jak one same
Już wiesz
  • opisać prostoliniowy bieg promieni światła;

  • wskazać, które ciała są źródłami światła, a które świecą światłem odbitym;

  • odróżnić punktowe i rozciągłe źródła światła;

  • wyjaśnić zjawisko powstawania cienia i półcienia.

Nauczysz się
  • podawać definicję kąta padania i odbicia;

  • przytaczać treść prawa odbicia światła;

  • konstruować obrazy w zwierciadle płaskim;

  • podawać definicję obrazu pozornego;

  • opisywać zjawisko rozproszenia światła.

1. Odbicie światła

Przeprowadź obserwację, która pozwoli ci zrozumieć mechanizm powstawania obrazu w wyniku odbicia promieni świetlnych, takiego jakie widzisz na powierzchni lustra lub tafli wody.

Obserwacja 1

Analiza zjawiska odbicia światła.

Co będzie potrzebne
  • lusterko bez ramki;

  • latarka z silnym światłem (może być ta wbudowana w telefon);

  • grzebień;

  • kartka papieru;

  • linijka;

  • ołówek;

  • szeroki plaster lub srebrna taśma izolująca.

Instrukcja
  1. Na ząbki grzebienia naklej taśmę, tak aby po środku została jedna lub dwie niezaklejone szczeliny.

  2. Na kartce namaluj prostą prostopadłą do dłuższej krawędzi kartki.

  3. Do tej samej krawędzi leżącej na biurku kartki przyłóż następnie w pionie lusterko odbijającą stroną.

  4. Ustaw grzebień na blacie stołu wzdłuż przeciwległej do lusterka dłuższej krawędzi kartki, tak aby końcówki ząbków stały prostopadle do blatu.

  5. Oświetl grzebień, uzyskując jeden lub dwa promienie światła przechodzące przez niezaklejone szczeliny.

  6. Oświetl lusterko tak, aby światło latarki padało na punkt, w którym narysowana prosta spotyka się z powierzchnią lusterka.

  7. Zmieniaj kąt, pod jakim oświetlasz lusterko, ustawiając grzebień pod różnymi kątami do kartki papieru – latarkę trzymaj zawsze tak, by światło padało prostopadle na grzebień.

  8. Co dzieje się z promieniem światła odbitym przez lusterko?

Podsumowanie

Aby uniknąć niejednoznaczności w opisie obserwowanego przez nas zjawiska, powinniśmy najpierw poznać definicje kilku pojęć. W fizyce wszystkie gładkie powierzchnie, które odbijają światło, nazywa się zwierciadłami. Prosta prostopadła do powierzchni zwierciadła nosi nazwę normalnej. Światło latarki padało w punkcie, w którym prosta prostopadła (normalna) stykała się z powierzchnią zwierciadła. Kąt między promieniem padającym a prostopadłą nazywamy kątem padania. Promień padający odbija się od powierzchni zwierciadła i powstaje promień odbity. Kąt między promieniem odbitym a prostopadłą nazywamy kątem odbicia.

Obserwacja wykazała, że zmiana kąta, pod którym pada światło latarki na lusterko po przejściu przez grzebień pociąga za sobą zmianę kąta, pod którym padające światło się odbija. Gdy kąt padania rośnie, rośnie również kąt jego odbicia, gdy maleje – kąt odbicia także maleje.

Jeżeli w szkole znajdują się tzw. stoliki optyczne, to spróbujcie wspólnie z nauczycielem wykonać pomiary kąta padania i kąta odbicia. Zobaczycie wtedy, że słuszne jest prawo odbicia, o którym dowiecie się więcej w dalszej części podręcznika.

1.1 Prawo odbicia

Zmieniając kąt padania światła, jednocześnie zmieniamy kąt jego odbicia. Kąt padania i kąt odbicia wraz z prostą prostopadłą leżą w tej samej płaszczyźnie i są sobie równe.

Prawo odbicia światła
Prawo: Prawo odbicia

Kąt odbicia jest równy kątowi padania. Promień padający i promień odbity oraz prostopadła do powierzchni zwierciadła w punkcie padania leżą w tej samej płaszczyźnie.

Polecenie 1

Zastanów się, w jakich sytuacjach wykorzystujesz prawo odbicia światła? Zapisz te przykłady.

Polecenie 2

Promień światła pada pod kątem 40° na zwierciadło płaskie. Zwierciadło obrócono o kąt 20° zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Uzasadnij, że kąt odbicia po obrocie zwierciadła będzie wynosił 60° lub 20° w zależności od tego, jak pada promień na zwierciadło.

Polecenie 3

Dwa zwierciadła płaskie ustawiono względem siebie pod kątem 90°. Na jedno z nich pada promień światła pod kątem 30°. Narysuj dalszy bieg promienia światła w tym układzie luster.

2. Zwierciadło płaskie

Zwierciadła płaskie są płaskimi powierzchniami odbijającymi promienie świetlne, wykonanymi zwykle z metalu lub szkła pokrytego dodatkową warstwą aluminium lub srebra.
Dlaczego zwierciadła tak dobrze odbijają światło?

Powierzchnia zwierciadła jest niemal idealnie płaska; padające na nią równoległe promienie światła odbijają się dokładnie tak, że są nadal równoległe. Dzięki temu jesteśmy w stanie zobaczyć w zwierciadle obraz, który tak zaskakująco wiernie odwzorowuje każdy szczegół przedmiotu.

Ciekawostka

Gładką powierzchnię w dawnych czasach uzyskiwano przez polerowanie metalu – tak robiono np. w starożytnym Egipcie, Chinach czy Cesarstwie Rzymskim.

Powierzchnia wypolerowanego metalu od starożytności aż do dziś pełni rolę lustra

Później powierzchnię szkła zaczęto pokrywać cienką warstwą srebra lub innego metalu. Obecnie najlepsze zwierciadła uzyskuje się poprzez napylenie bardzo cienkiej (mającej grubość kilku lub kilkunastu atomów) warstwy metalu – najczęściej glinu.

Polecenie 4

Podaj trzy przykłady praktycznego zastosowania zwierciadeł płaskich.

2.1 Powstawanie obrazu w zwierciadle płaskim

Odbicie w zwierciadle płaskim

Gdy obserwujesz w lustrze własne odbicie, możesz odnieść wrażenie, że z jego drugiej strony spogląda na ciebie twoja wierna kopia. Co więcej, znajduje się po jego drugiej stronie w takiej samej odległości co ty i powtarza wszystkie gesty, które wykonujesz. Obraz i przedmiot są symetryczne. Obraz powstający w zwierciadle płaskim jest – jak mówią fizycy – prosty. Jest on również równy przedmiotowi co do wielkości – nie został ani powiększony, ani pomniejszony. Nie zawsze tak jest – w zwierciadłach, które nie są płaskie, powstający obraz może być odwrócony, powiększony lub pomniejszony w stosunku do przedmiotu – tym zajmiemy się w następnych rozdziałach.

2.2 Konstrukcja obrazu w zwierciadle płaskim

Aby wyznaczyć konstrukcyjnie obraz punktu w zwierciadle płaskim, musisz skorzystać minimum z dwóch promieni świetlnych wychodzących z punktu leżącego przed zwierciadłem. Pierwszy prostopadły do powierzchni zwierciadła odbija się od zwierciadła i powraca taką samą drogą, jaką przybył. Jego przedłużenie pozwoli ci na wyznaczenie prostej, na której powinien znaleźć się obraz. Drugi zostaje wysłany pod pewnym kątem do powierzchni zwierciadła i zgodnie z prawami fizyki odbija się od niej pod takim kątem, pod jakim pada. Odbite promienie rozbiegają się. Gdy jednak trafią do oka, powstanie wrażenie, jakby oba promienie wychodziły z wnętrza zwierciadła, z jakiegoś punktu, który znajduje się po drugiej stronie. Oczywiście, że takiego punktu tam w rzeczywistości nie ma. Punkt, o którym mówimy, to obraz pozorny punktu znajdującego się przez zwierciadłem. Obraz taki powstaje w punkcie przecięcia się przedłużeń promieni odbitych od zwierciadła. Widać to dokładnie na poniższej ilustracji:

Konstrukcja obrazu pozornego płomienia świecy
Zapamiętaj!

Obraz pozorny powstaje za zwierciadłem w miejscu, gdzie przecinają się przedłużenia promieni odbitych. Promienie w rzeczywistości nie wychodzą z tego punktu, ale zdają się z niego wychodzić. W rezultacie obserwator widzi w lustrze obraz punktu dokładnie w miejscu przecinania się przedłużeń promieni odbitych – stąd bierze się wrażenie oglądania świata po drugiej stronie lustra.

W podobny sposób tworzymy obrazy bardziej złożonych przedmiotów. W przypadku figur opisaną powyżej konstrukcję należy powtórzyć dla każdego z jej wierzchołków. Przeanalizuj bieg promieni na poniższej ilustracji, wskaż promienie padające na zwierciadło i odbite od niego oraz przedłużenia promieni odbitych

Konstrukcja obrazu figury w zwierciadle płaskim
Polecenie 5

Przeprowadź samodzielnie konstrukcję obrazu rombu w zwierciadle płaskim.

3. Wykorzystanie zwierciadeł płaskich

Zwierciadła płaskie znalazły szerokie zastosowanie zarówno w życiu codziennym, jak i w wielu urządzeniach.

Lusterko wsteczne w samochodzie

Lusterko wsteczne w samochodzie podnosi bezpieczeństwo jazdy. Dzięki niemu możemy prawidłowo ocenić, w jakiej odległości za naszym pojazdem znajdują się pozostali uczestnicy ruchu drogowego. Należy jednak zauważyć, że często rolę lusterka wstecznego pełnią zwierciadła wypukłe, ale ich przeznaczenie jest takie samo.
W urządzeniach zwykle zwierciadła płaskie stosowane są do zmiany kierunku biegu promieni świetlnych. Jan Heweliusz wynalazł peryskop, którego ważnym elementem jest układ zwierciadeł płaskich.

Zasada działania peryskopu

Peryskop w swojej pierwotnej wersji wykorzystywał układ zwierciadeł, który pozwalał na powstawanie w naszym oku obrazów przedmiotów znajdujących się za przeszkodami.

Ciekawostka

Potoczna nazwa jednego z typów aparatów fotograficznych, czyli „lustrzanka”, nawiązuje do płaskiego zwierciadła (lustra) będącego istotnym elementem jego konstrukcji.

4. Rozpraszanie światła

To, że możesz oglądać obraz w lustrze, wynika ze sposobu, w jaki światło jest odbijane od jego powierzchni. Większość promieni odbitych trafia do naszego oka, gdzie na siatkówce tworzony jest odwrócony obraz przedmiotu. Co by się jednak stało, gdyby powierzchnia lustra była chropowata? W takiej sytuacji doszłoby do rozproszenia światła.

Powierzchnia przedmiotów, na których światło ulega rozproszeniu, jest chropowata

Promienie odbite, ze względu na nierówności płaszczyzny zwierciadła, zgodnie z prawem odbicia podążałyby w zupełnie różnych kierunkach, nie trafiając w ogóle lub tylko w części do naszego oka. Obraz przedmiotu byłby wówczas niewidoczny lub rozmyty.

Rozproszenie światła następuje również podczas przejścia promienia przez obszar, w którym występują na przykład pyłki kurzu lub kropelki wody (mgła). Warto wiedzieć, że światło rozprasza się także na atomach i cząsteczkach gazów wchodzących w sklad atmosfery Ziemi. Jednak w przypadku rozpraszania światła w atmosferze ziemskiej efekt jest ciekawszy – najsilniej rozpraszane są promienie o barwie niebieskiej – stąd bierze się niebieska barwa nieba. Światło Słońca podczas zachodu ulega silnemu rozproszeniu i do naszych oczu przechodzi głównie światło o barwie czerwonej i pomarańczowej – dlatego zachodzące Słońce ma barwę czerwono‑pomarańczową. Zagadnienia te możesz poznać dokładniej podczas nauki w szkole ponadgimnazjalnej i na studiach wyższych, ale podziwiać zachodzące Słońce możesz już teraz.

Polecenie 6

Narysuj bieg promieni odbitych w przypadku „chropowatego” zwierciadła płaskiego (rysunek powyżej). Narysuj obraz trójkąta ABC w tym zwierciadle. Czy jest to możliwe? Swoją odpowiedź uzasadnij.

Podsumowanie

  • Jednym z podstawowych praw optyki geometrycznej jest prawo odbicia. Głosi ono, że kąt odbicia jest równy kątowi padania. Promień padający i promień odbity oraz normalna do powierzchni zwierciadła leżą w tej samej płaszczyźnie.

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

  • Obraz utworzony w zwierciadle płaskim jest prosty i pozorny. Obraz prosty to 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 z tego punktu, ale zdają się z niego wychodzić. W rezultacie obserwator widzi obraz punktu dokładnie w miejscu przecinania się przedłużeń promieni odbitych – z jego perspektywy jest to obszar po drugiej stronie lustrzanej tafli.

  • Utworzony w zwierciadle płaskim obraz jest równy przedmiotowi, to znaczy nie jest ani powiększony, ani pomniejszony w stosunku do przedmiotu.

  • Zwierciadła płaskie znalazły szerokie zastosowanie jako istotne elementy instrumentów optycznych, począwszy od lusterek samochodowych, luster domowych, aparatów fotograficznych, a skończywszy na laserach.

  • Rozproszenie światła polega na zmianie kierunku rozchodzenia się promieni światła. Jeśli równoległa wiązka promieni światła pada na zwierciadło płaskie, to po odbiciu pozostaje równoległa. Jednak gdy powierzchnia zwierciadła nie jest wystarczająco gładka, wiązka obita ulega rozproszeniu. Kierunki promieni odbitych przestają być równoległe, stają się przypadkowe.

Praca domowa
Polecenie 7.1

Jaki musi być kąt padania promienia, aby pomiędzy promieniem padającym a odbitym utworzył się kąt prosty?

Polecenie 7.2

Kąt pomiędzy płaszczyzną zwierciadła a promieniem padającym wynosi 30°. Oblicz kąt odbicia oraz kąt pomiędzy promieniem padającym a odbitym.

Polecenie 7.3

Dlaczego widzimy strumień światła przechodzący przez mgłę równolegle do naszej twarzy, a nie widzimy go w czystym i przejrzystym powietrzu?

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2

Słowniczek

kąt odbicia

– kąt pomiędzy promieniem odbitym a prostą prostopadłą (normalną) do powierzchni odbicia.

kąt padania

– kąt pomiędzy promieniem padającym a prostą prostopadłą (normalną) do powierzchni odbicia.

normalna

– prosta prostopadła do powierzchni zwierciadła poprowadzona w punkcie padania promienia światła. Padający promień, prosta normalna i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie.

obraz odwrócony

– obraz przedmiotu, który jest w stosunku do niego odwrócony.

obraz pozorny

– obraz pozorny powstaje za zwierciadłem w miejscu, gdzie przecinają się przedłużenia promieni odbitych. Promienie nie wychodzą z tego punktu, ale zdają się z niego wychodzić. Obserwator widzi obraz punktu dokładnie w miejscu przecinania się przedłużeń promieni odbitych.

obraz prosty

– obraz przedmiotu, który nie jest w stosunku do niego odwrócony.

peryskop

– przyrząd optyczny, który składa się z dwóch zwierciadeł (pryzmatów) i pozwala obserwować przedmioty poza polem widzenia obserwatora.

rozproszenie światła

– polega na zmianie kierunku rozchodzenia się promieni światła. Jeśli równoległa wiązka promieni światła pada na zwierciadło płaskie, to po odbiciu pozostaje równoległa. Jednak gdy powierzchnia zwierciadła nie jest wystarczająco gładka, wiązka obita ulega rozproszeniu. Kierunki promieni odbitych przestają być równoległe, stają się przypadkowe.

zwierciadła płaskie

– płaskie powierzchnie odbijające, wykonane zwykle z metalu lub szkła pokrytego dodatkową warstwą z aluminium lub srebra.

Biogram

Jan Heweliusz, gdański astronom i matematyk, konstruktor peryskopu

Jan Heweliusz

W pierwszej połowie lat czterdziestych XVII wieku Heweliusz prowadził systematyczne teleskopowe obserwacje Księżyca. W swoim dziele Selenografia, czyli opisanie Księżyca przedstawił budowę skonstruowanych przez siebie przyrządów astronomicznych, za pomocą których sporządził szczegółowe mapy powierzchni Księżyca. Pierwszy w historii zagraniczny członek londyńskiego Royal Society.