Przeczytaj
Warto przeczytać
Piękno otaczającego nas świata jesteśmy w stanie dostrzec po pierwsze dlatego, że mamy odpowiednio wykształcony ku temu narząd wzroku oraz mózg, który interpretuje odbierane wrażenia wzrokowe. Jednak to nie wystarczy. Potrzebne jest jeszcze światło, czyli fala elektromagnetyczna o długości z zakresu od około 380 nm do około 780 nm. W czasie propagacji promienie świetlne ulegają różnym zjawiskom, których efekty obserwujemy. Co to są za zjawiska? W tym e‑materiale skupimy się na odbiciuodbiciu, załamaniuzałamaniu i rozproszeniurozproszeniu światła.
Zjawisko odbiciaodbicia możemy zaliczyć do jednego z najczęściej zauważanych przez nas, a także – najlepiej zrozumianych. Dodatkowo spotykamy się z nim codziennie – patrząc w lustro (Rys. 1.) lub na gładką taflę wody (Rys. 2.).
Światło padając na lustro, czyli szkło, pod którym znajduje się napylona warstwa metalu, odbija się od jego powierzchni, co opisuje prawo odbiciaodbicia (Rys. 3.).
Przyjrzyjmy się dokładniej swojemu odbiciu. Jest ono nieodwrócone – czubek głowy znajduje się na górze, a broda – poniżej. Dodatkowo możemy zauważyć, że w naszym odbiciu prawa i lewa ręka również są po „właściwej stronie”. Jeśli jednak spojrzymy na napis na koszulce lub zapisaną kartkę, które umieścimy przed lustrem, to nie będziemy w stanie tego przeczytać. Dlaczego tak się dzieje? Tak, jak już wspomniano – lustro tutaj nie obraca obrazu. Podobnie, jak ręce, litery znajdujące się po prawej stronie zostają po tej samej stronie. Napis jest więc widziany tak, jakbyśmy patrzyli na niego od drugiej strony kartki czy koszulki (Rys. 4.).
W przypadku powierzchni wody sytuacja wygląda podobnie, na przykład, gdy na tafli widzimy odbicie drzewa znajdującego się po drugiej stronie jeziora, promienie rozpraszane przez to drzewo najpierw odbijają się od wody, a później trafiają do naszych oczu. Warto zauważyć, że obraz odbity jest zniekształcony ze względu na to, że tafla nie jest idealnie gładka – powstające na niej „zmarszczki” powodują deformację obrazu.
Z kolei, gdybyśmy przyjrzeli się rosnącym przy brzegu trzcinom, wydawałoby się nam, iż są one złamane. Wynika to z faktu, że na powierzchni wody światło ulega nie tylko odbiciu, ale i załamaniu. Promień świetlny przechodząc przez granicę ośrodków charakteryzujących się różnymi współczynnikami załamaniazałamania – w tym przypadku powietrza i wody – odchyla się do normalnej ze względu na fakt, że jego prędkość rozchodzenia się w wodzie jest mniejsza niż w powietrzu (Rys. 6.).
Światło odbijające się od znajdującej się pod wodą części rośliny, dociera do granicy pomiędzy wodą a powietrzem. Właśnie tam zmienia kierunek, a następnie trafia do naszych oczu. Mózg interpretując obraz, nie uwzględnia granicy ośrodków i traktuje promienie jako prostoliniowe. Dlatego też część łodygi widzimy w innym miejscu niż ona w rzeczywistości się znajduje. Podobnie będzie z pływającymi w wodzie rybami czy leżącymi na dnie zbiornika kamykami (Rys. 7.).
Identyczne zjawisko zaobserwujemy, gdy włożymy długopis do wody (Rys. 8.).
Obserwując napoje w różnych naczyniach możemy napotkać również wiele innych, ciekawych obrazów. Okazuje się, że po napełnieniu cieczą naczynie staje się soczewką dwuwypukłą dającą nam obraz odwrócony w pionie (Rys. 9. i Rys. 10.). Jest to spowodowane: po pierwsze krzywizną naczynia, po drugie – różnymi prędkościami rozchodzenia się światła w napotkanych przez nie ośrodkach (powietrzu, szkle i cieczy).
Podobnie sytuacja wygląda w przypadku kropel wody gromadzących się po deszczu na roślinach. Kropla „działa” wówczas dokładnie tak samo jak soczewka obiektywu aparatu fotograficznego czy lunety – jest to możliwe dzięki jej kulistemu kształtowi (Rys. 11.).
Skoro już wiemy, czym są zjawiska odbicia i załamania oraz przyjrzeliśmy się kilku przykładom ich występowania, to teraz czas na rozproszenierozproszenie. Światło odbija się nie tylko od powierzchni doskonale gładkich. Zastanówmy się, jak zachowują się promienie po odbiciu od powierzchni chropowatych (np. ściana, zakurzony mebel i in.)? W takich przypadkach promienie równoległe, padające na ciało, po odbiciu nie tworzą już wiązki równoległej, lecz każdy biegnie w innym kierunku. Dzieje się tak dlatego, że elementy powierzchni chropowatych są ustawione pod różnymi kątami w stosunku do padających promieni świetlnych (Rys. 12.). Podobnie dzieje się podczas przejścia światła przez ośrodek przezroczysty z licznymi zawieszonymi drobinkami.
Zastanówmy się, dlaczego oglądane przez nas obiekty mają różne kolorykolory. Wiemy, że światło słoneczne zawiera fale o wszystkich długościach z zakresu widzialnego. Padając na różne powierzchnie, fale o pewnych długościach są pochłaniane, pozostałe zaś – ulegają rozproszeniu. Skład widmowy światła, które nie zostanie zaabsorbowane, decyduje, jakie wrażenie wzrokowe zostanie odebrane przez nasz mózg. I tak na przykład kwiatki zawierają w swoich płatkach barwniki, które wybiórczo absorbują określone długości fali. Barwnik znajdujący się w płatkach kwiatka widocznego na Rys. 13. pochłania światło niebieskie i zielone. Pozostałe długości fal zostają rozproszone i składają się na widziany przez nas kolor. Podobnie wygląda sytuacja w przypadku liści. Cząsteczki zawartego w nich chlorofilu – zielonego barwnika, który pełni podstawową rolę w procesie fotosyntezy – bardzo silnie pochłaniają promieniowanie słoneczne o długościach fal odpowiadających czerwieni i fioletowi. Światło rozproszone po detekcji przez komórki siatkówki ludzkiego oka daje wrażenie zieleni.
Warto poświęcić chwilę jeszcze jednemu, bardzo popularnemu zjawisku, jakim jest tęcza. W literaturze przedmiotu można natknąć się na bardzo prosty, ale jakże trafny „przepis” na jej powstanie:
Tak, jak już wspomniano, światło białe jest mieszaniną wielu barwbarw. W trakcie swojej propagacji napotkać może ono krople wody, przez które przechodzi. Wygląda to tak, że promień świetlny wchodząc do kropli załamuje się, a następnie odbija się od jej powierzchni wewnętrznej i opuszcza ją ponownie ulegając załamaniu. Zostaje wówczas odchylony względem promienia padającego o kąt zależny od miejsca padania. Padając przez środek kropli odchyla się o 180Indeks górny oo, czyli po prostu zawraca. Jeśli jednak pada coraz dalej od środka – wraca pod mniejszym kątem odchylając się coraz bardziej. Prowadzi to do powstania łuku. Tylko dlaczego ten łuk jest kolorowy? To również związane jest z kątem, pod jakim promienie świetlne się załamują. Kąt ten zależy od współczynnika załamania, który zmienia się wraz z długością fali – jest najmniejszy dla światła czerwonego, a największy – dla fioletowego. Każda długość fali załamuje się zatem inaczej i wychodzi z kropli pod innym kątem. Następuje więc rozszczepienie światła białego (nie należy tego mylić tego zjawiska z rozproszeniem światła). Najczęściej promienie odbijają się od wewnętrznej części kropli tylko raz, a następnie opuszczają ją. Wówczas widzimy jeden łuk tęczy – w którym kolor czerwony znajduje się wyżej niż niebieski. Jeśli odbicie promienia wewnątrz kropli nastąpi dwukrotnie – pojawia się również i drugi łuk, jednakże kolory ułożone są w nim w odwrotnej kolejności (Rys. 14.). Jest to spowodowane inną geometrią dróg promieni.
I ostatnie pytanie – ile kolorów ma tęcza? Jedni mówią o sześciu, inni o siedmiu, a pozostali mają zupełnie inne poglądy na ten temat. Okazuje się jednak, że tęcza jest widmem ciągłym – ma zatem nieskończenie wiele kolorów. To, ile ich wymienimy, jest ograniczone naszym nazewnictwem. Tęcza ma więc tyle barw, ile jesteśmy w stanie nazwać.
W otaczającym nas świecie spotykamy wiele niezwykłych zjawisk optycznych. Wśród „bardziej skomplikowanych” wymienić można kolory nieba, mirażemiraże czy opis efektu Tyndalla – jednak o tym dowiesz się z innych e‑materiałów.
Słowniczek
(ang.: color) wrażenie psychofizyczne wywołane w mózgu żywego organizmu, wywołane przez falę elektromagnetyczną z zakresu widzialnego o odpowiedniej długości.
(ang.: color) jest cechą materii spowodowaną jej strukturą, a dokładniej interakcją, w jaką wchodzi podczas oddziaływania z falami elektromagnetycznymi z zakresu widzialnego.
(ang.: reflection) zmiana kierunku rozchodzenia się promienia świetlnego na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania światła taka, że kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.
(ang.: light scattering) zjawisko, które polega na odbijaniu się światła w różnych kierunkach od nierównej powierzchni lub na zmianie kierunku biegu promieni świetlnych na skutek oddziaływania z cząsteczkami ośrodka. Czynniki rozpraszające światło to: kurz, mgła, cząsteczki pyłów.
(ang.: refraction) zmiana kierunku rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka przezroczystego do drugiego różniącego się współczynnikiem załamania.
(ang.: mirage, od łac. mirari, fr.: mirage) - zjawisko polegające na powstaniu w wyniku występowania różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze pozornego obrazu rzeczywistego przedmiotu.