RNeNfozHMNMR51

Zdjęcie przedstawia dwa stojące obok siebie i częściowo nachodzące na siebie kieliszki ustawione na tle jasnego obrazu monitorowego przedstawiającego regularny deseń: żółte kropki na czarnej powierzchni. Kieliszki ukazane zostały w części środkowej, kadr obejmuje połowę nóżki, punkt połączenia nóżki z czarką i połowę czarki. Szkło załamując obraz z tła tworzy w obrębie kieliszków fantazyjny zniekształcony żółto czarny deseń. który jest nieco odmienny w każdej części szkła.

1. Zjawisko załamania światła

Zapamiętaj!

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

RwZaJ5J3N1lo91

Widoczne akwarium z promieniem lasera przechodzącym z powietrza do wody (skośnie). Zaznaczona normalna do powierzchni przechodząca przez punkt, w którym światło wpada do wody (czarna, przerywana). Zaznacza się na kolorowo (żółty) wspomniany kąt. Zaznacza się na kolorowo (pomarańczowy) wspomniany kąt. Demonstrator zmniejsza kąt padania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Automatycznie zmniejsza się kąt załamania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Demonstrator zwiększa kąt padania. Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Automatycznie zwiększa się kąt załamania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio.

Widoczne akwarium z promieniem lasera przechodzącym z powietrza do wody (skośnie). Zaznaczona normalna do powierzchni przechodząca przez punkt, w którym światło wpada do wody (czarna, przerywana). Zaznacza się na kolorowo (żółty) wspomniany kąt. Zaznacza się na kolorowo (pomarańczowy) wspomniany kąt. Demonstrator zmniejsza kąt padania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Automatycznie zmniejsza się kąt załamania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Demonstrator zwiększa kąt padania. Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Automatycznie zwiększa się kąt załamania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Widoczne akwarium z promieniem lasera przechodzącym z powietrza do wody (skośnie). Zaznaczona normalna do powierzchni przechodząca przez punkt, w którym światło wpada do wody (czarna, przerywana). Zaznacza się na kolorowo (żółty) wspomniany kąt. Zaznacza się na kolorowo (pomarańczowy) wspomniany kąt. Demonstrator zmniejsza kąt padania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Automatycznie zmniejsza się kąt załamania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Demonstrator zwiększa kąt padania. Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio. Automatycznie zwiększa się kąt załamania Wypełnienie kąta dostosowuje się odpowiednio.

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.

R7Son1WEbxUoi1

Złamanie światła

Przyczyną zjawiska załamaniazałamanie światłazjawiska 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 mniejszy od kąta padania (α).

R1Wr1bgPwInz21

Załamanie światła

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.

RvdM78l0gO4ch1

Załamanie światła

W przypadku gdy kąt padania promienia światła na granicę dwóch ośrodków wynosi $\mathrm{0°}$, mimo tego, że prędkości rozchodzenia się światła są różne, kierunek biegu promienia nie ulega zmianie.

Rr5kiVhCTytQH1

Załamanie światła

Kiedy promień światła pada na granicę dwóch ośrodków, to przy pewnych kątach padania występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbiciacałkowite wewnętrzne odbiciecałkowitego 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.

R105l3HuVXqay1

Całkowite wewnętrzne odbicie

Całkowite wewnętrzne odbicie

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Całkowite wewnętrzne odbicie

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 $\frac{\mathrm{kg}}{{\mathrm{m}}^3}$. Przykładem są takie substancje jak woda i gliceryna – ta druga substancja ma gęstość większą niż woda $\left(1260\frac{\mathrm{kg}}{{\mathrm{m}}^3}\right)$. Prędkość światła wynosi w glicerynie $\mathrm{203\; 000}\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$ , a prawie $\mathrm{225\; 000}\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$ w wodzie. Z kolei benzyna ma gęstość wynoszącą ok. $\mathrm{0,7}$ gęstości wody, a prędkość światła w niej ma wartość $\mathrm{214\; 000}\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$, 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 ( ${\alpha }_{\mathrm{gr}}$), promienie światła nie przechodzą do drugiego ośrodka, lecz ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

RMj4DVc6W75ef1

Całkowite wewnętrzne odbicie

*Prawo załamania światła…inqYiDQQ5D_d796e248*Prawo załamania światła…

Ciekawostka

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

RyP3xffotx6hu1

Skutek załamania światła w wodzie

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.

inqYiDQQ5D_d796e248

Jan Kepler (1571–1630) uważał, że kąt załamania jest proporcjonalny do kąta padania (dla małych kątów). Za odkrywcę prawa załamania światła uznaje się holenderskiego matematyka i astronoma Willebrorda Snella (1580–1626). Prawo Snella głosi, że promienie padający i załamany oraz prostopadła (normalna) leżą w jednej płaszczyźnie, a kąty padania $\alpha$ i załamania $\beta$ spełniają zależność:

$\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{v_1}{v_2}=n,$

gdzie $n$ jest bezwymiarowym względnym współczynnikiem załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego; $n$ – przyjmuje różne wartości dla każdej pary ośrodków, np. dla pary szkło–powietrze $n=\mathrm{1,5}$, a dla pary woda–powietrze $n=\mathrm{1,33}$. Oznaczenia $v_1$ i $v_2$ dotyczą wartości prędkości światła w odpowiednim ośrodku.

R1bvCXW6sJUaV1

Załamanie światła

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.

R1R7mvuH7A4z71

Płytka płasko–równoległa

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?

RIQY5GrpotahJ1

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.

R1OFLcygfZYYU1

Miraż czyli fatamorgana

3. Załamanie światła w soczewkach

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

RenmtFyoJo4Ib1

Typy soczewek

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

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

RRh90y8nLQVAC1

Soczewka skupiająca i rozpraszająca

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.

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.

R163S5nTbJJ481

Budowa obiektywu aparatu fotograficznego

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

RQdgySjK5lEbR1

Okulary

LupalupaLupa 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.

RXYEk4Dx7Q8F91

Lupa

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

R1VQEmo7qz1fX1

Obserwacje mikroskopowe

Obserwacje mikroskopowe

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Obserwacje mikroskopowe

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.

R18jUgupQhqXk1

Mikroskop optyczny

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.

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 ($\beta$) 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 ($\alpha$). Mówimy, że promień załamuje się od normalnej.

• W przypadku gdy kąt padania promienia światła na granicę dwóch ośrodków wynosi $\mathrm{0°}$, 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 ( ${\alpha }_{\mathrm{gr}}$), 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.

Słowniczek

Zadania podsumowujące lekcję