Przeczytaj
Warto przeczytać
Dobrze znamy ten widok (Rys. 1.). Krople deszczu uderzają w powierzchnię wody i wywołują rozchodzenie się fal o kształcie okręgów. Jaki jest mechanizm tego zjawiska? Cząsteczki wody popchnięte w dół przez upadającą kroplę, zaczynają drgać w górę i w dół, a energię swoich drgań przekazują sąsiednim cząsteczkom. W ten sposób na powierzchni wody rozchodzi się fala.
Fale na powierzchni wody możemy zobaczyć. Ale często o rozchodzeniu się fali wnioskujemy ze skutków, jakie ona wywołuje.
Falą jest dźwięk. Źródło dźwięku, na przykład drgająca błona bębna, powoduje periodyczne zagęszczenia i rozrzedzenia cząsteczek powietrza. Wprawione w drgania cząsteczki powietrza przekazują ten ruch drgający coraz dalej i w ten sposób rozchodzi się fala dźwiękowa. Gdy fala ta dotrze do nas, wprawi w drgania błonę bębenkową w uchu, w wyniku czego usłyszymy dźwięk.
Światło ma również charakter falowy - jest falą elektromagnetyczną. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się także w próżni, więc nie ma mowy o drganiach cząsteczek ośrodka. W tym przypadku, w przestrzeni rozchodzą się drgania wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego.
Choć natura wymienionych fal jest różna, to wszystkie one podlegają tym samym prawom odbicia i załamania.
Prędkość rozchodzenia się fali jest zależna od ośrodka, w którym się ona rozchodzi. Na przykład, fala dźwiękowa w powietrzu ma prędkość 343 , a w żelazie aż 5120 . Prędkość światła w powietrzu jest minimalnie mniejsza niż w próżni, możemy więc przyjąć przybliżoną wartość vIndeks dolny 11 = 3·10Indeks górny 88. Natomiast w wodzie światło porusza się znacznie wolniej – prędkość ta wynosi vIndeks dolny 22 = 2,25·10Indeks górny 88.
Co stanie się, gdy fala świetlna biegnąca w powietrzu natrafi na powierzchnię wody? Popatrz na zdjęcie przedstawiające powierzchnię jeziora (Rys. 2.). Na pierwszy planie widzimy kamienie znajdujące się pod wodą, a dalej odbicie przybrzeżnych drzew. Oznacza to, że część światła odbiła się od powierzchni wody, a część przeszła do wody i odbiła się od podwodnych kamieni.
Bieg promieni świetlnych przedstawia Rys. 3.
Kąt padania definiujemy, jako kąt między promieniem padającym i normalnąnormalną (prostopadłą) do płaszczyzny odbijającej falę. Analogicznie, kąt odbicia jest kątem między promieniem odbitym i normalną. Jak widzimy na rysunku, kąt odbicia równy jest kątowi padania:
Jest to prawo odbicia fali.
Promień, który przeszedł do wody, tworzy z normalną kąt , mniejszy od kąta padania. Kąt nazywamy kątem załamania.
Prawo załamania fali mówi, że iloraz sinusów kąta padania i kąta załamania równy jest stosunkowi prędkości fali w pierwszym i drugim ośrodku:
gdzie jest kątem padania (kątem między promieniem padającym i normalną do powierzchni rozgraniczającej ośrodki), - kątem załamania (między promieniem załamanym i normalną), to prędkość fali w pierwszym ośrodku (w powietrzu), - prędkość fali w drugim ośrodku (w wodzie). Zwróćmy uwagę, że kąty i przyjmują wartości w zakresie od 0Indeks górny oo do 90Indeks górny oo, a dla tego zakresu funkcja sinus jest rosnąca, czyli przy wzroście kąta rośnie także wartość sinusa tego kąta.
Prędkość światła w wodzie jest mniejsza, niż w powietrzu i dlatego, gdy światło przechodzi z powietrza do wody, stosunek jest większy od 1 i kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania . Oznacza to, że promień światła załamuje się w kierunku do normalnej (Rys. 3.).
Zwróćmy uwagę, że załamanie fali następuje, gdy fala przechodzi przez granicę dwóch ośrodków, w których fala rozchodzi się z różną prędkością, przy czy kierunek propagacji fali nie jest prostopadły do powierzchni rozgraniczającej ośrodki. Fala padająca prostopadle do powierzchni (kąt padania równy zeru) nie załamuje się i przechodzi do drugiego ośrodka, zachowując swój kierunek propagacji.
Stosunek prędkości światła w obu ośrodkach oznaczamy literą nIndeks dolny 2121 i nazywamy współczynnikiem załamania światła drugiego ośrodka względem pierwszego:
Prawo załamania fali możemy więc zapisać:
A jak wygląda przejście promienia świetlnego z wody do powietrza? Pokazuje to Rys.4. Teraz prędkość w pierwszym ośrodku (w wodzie, nadal oznaczona jako ) jest mniejsza niż w drugim (w powietrzu – ).
Prawo załamania fali w tym przypadku zapiszemy:
Kąt załamania jest większy niż kąt padania i promień załamany odchyla się w kierunku od normalnej.
Również w tym przypadku, część światła odbija się od powierzchni wody. Gdy kąt padania jest mały, niewielka część światła jest odbijana, a prawie całe przechodzi przez granicę ośrodków, zmieniając kierunek. Przy coraz większych kątach padania zmniejsza się udział światła załamanego, a zwiększa udział światła odbitego.
Gdy zwiększamy kąt padania (Rys. 5.), w pewnym momencie kąt załamania stanie się równy 90Indeks górny 00 (promień 3 na Rys. 5.). Taki kąt padania nazywamy kątem granicznym, . Dla kątów większych od granicznego załamanie fali jest niemożliwe i fala w całości odbija się od granicy ośrodków. Zjawisko to nazywamy całkowitym wewnętrznym odbiciem (Rys. 6.).
Zauważmy, że zjawisko to występuje tylko wtedy, gdy fala przechodzi z ośrodka o mniejszej prędkości do ośrodka o większej prędkości i kąt załamania jest większy od kąta padania.
Zjawisko załamania światła jest przyczyną ciekawych efektów, znanych z życia codziennego. Wędkarz obserwujący rybę, widzi ją bliżej powierzchni wody, niż znajduje się ona w rzeczywistości. (Rys. 7a.). Jest tak dlatego, że podczas przejścia światła odbitego od ryby przez granicę woda – powietrza, kierunek promieni świetlnych zmienia się. Nasz mózg interpretuje obraz tak, jak go zazwyczaj widzi w powietrzu, czyli znajdujący się na przedłużeniu promieni wpadających do naszych oczu. Stąd przesunięcie obrazu ryby.
Rys. 7b. pokazuje słomkę zanurzoną w wodzie, która wydaje się złamana. To również skutek załamania światła przy przejściu z wody do powietrza. Sprawdź, czy w twojej szklance też wystąpi ten efekt.
(ang.: normal) - prosta prostopadła do pewnej powierzchni.