Prawo odbicia światła. Powstawanie obrazu pozornego w zwierciadle płaskim. Rozproszenie światła
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.
RavKiHfio2gAD
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
opis prostoliniowego biegu promieni światła;
odróżniania źródeł światła od obiektów świecących światłem odbitym;
różnice między punktowymi i rozciągłymi źródłami światła;
Przeprowadź obserwację, która pozwoli ci zrozumieć mechanizm powstawania obrazu w wyniku odbicia promieni świetlnych, takiego jakie widzisz na powierzchni lustra lub tafli wody.
Zapoznaj się z przeprowadzonym doświadczeniem dotyczącym analizy zjawiska odbicia światła. Jest ono opisane poniżej krok po kroku wraz z potrzebnym przygotowaniem, przebiegiem i podsumowaniem. Pod instrukcją znajduje się również animacja przedstawiająca cały proces.
Doświadczenie 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
Na ząbki grzebienia naklej taśmę tak, aby w środku została jedna lub dwie niezaklejone szczeliny.
Na kartce namaluj prostą prostopadłą do dłuższej krawędzi kartki.
Do tej samej krawędzi leżącej na biurku kartki przyłóż następnie w pionie lusterko odbijającą stroną.
Ustaw grzebień na blacie stołu wzdłuż przeciwległej do lusterka dłuższej krawędzi kartki tak, aby końcówki ząbków stały prostopadle do blatu.
Oświetl grzebień, uzyskując jeden lub dwa promienie światła przechodzące przez niezaklejone szczeliny.
Oświetl lusterko tak, aby światło latarki padało na punkt, w którym narysowana prosta spotyka się z powierzchnią lusterka.
Zmieniaj kąt, pod jakim oświetlasz lusterko, ustawiając grzebień pod różnymi kątami do kartki papieru – latarkę trzymaj zawsze tak, by światło padało prostopadle na grzebień.
Co dzieje się z promieniem światła odbitym przez lusterko?
RW6LN96IVtFPd
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 zwierciadłamizwierciadła płaskiezwierciadłami. Prosta prostopadła do powierzchni zwierciadła nosi nazwę normalnejnormalnanormalnej. Światło latarki padało w punkcie, w którym prosta prostopadła (normalna) stykała się z powierzchnią zwierciadła. Kąt między promieniem padającym a prostopadłą nazywamy kątem padaniakąt padaniakątem padania. Promień padający odbija się od powierzchni zwierciadła i powstaje promień odbity. Kąt między promieniem odbitym a normalną nazywamy kątem odbiciakąt odbiciakątem 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.
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. Uruchom aplikację i zobacz, jak zmienia się kąt odbicia promienia w zależności od kąta promienia padającego.
R1WsVwD7wNR3K
R1CuvIm2N5CBm1
Ćwiczenie 1
Prawo odbicia
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.
Ćwiczenie 2
RDzbd4IzAuPLV
2
Ćwiczenie 3
Dwa zwierciadła płaskie ustawiono względem siebie pod kątem i w ten sposób zetknięto je ze sobą. Wewnątrz takiego otwartego trójkąta, na jedno z nich pada promień światła pod kątem .
Narysuj dalszy bieg promienia światła w tym układzie luster.
R1ST0lPMLE4Ov
Opisz dalszy bieg promienia światła w tym układzie luster.
Rayfcfocixd8b
Skorzystaj z prawa odbicia. Kąt padania na drugie zwierciadło możesz obliczyć korzystając z własności trójkąta.
R4edbpZNy9dJu
Kąt padania jest równy kątowi odbicia, w związku z czym promień odbija się od pierwszego zwierciadła pod kątem . Przez to, że drugie zwierciadło ustawiono pod kątem względem pierwszego, promień pada na nie pod kątem i odbija się również pod tym kątem.
Zwierciadło płaskie
Zwierciadła płaskiezwierciadła płaskieZwierciadła 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?
R1EypR7BEFHqL
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 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.
R1ZngFq3ytzfF
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.
2
Ćwiczenie 4
R1IuCMiTnJel0
Powstawanie obrazu w zwierciadle płaskim
R1d12pESQrmS8
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. Więcej możesz się o tym dowiedzieć z materiału Ognisko i ogniskowa zwierciadła wklęsłego. Konstrukcja obrazów wytworzonych przez zwierciadła wklęsłeD1BfgeQp2Ognisko i ogniskowa zwierciadła wklęsłego. Konstrukcja obrazów wytworzonych przez zwierciadła wklęsłe.
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 pozornyobraz pozornyobraz pozorny punktu znajdującego się przez zwierciadłem. Obraz taki powstaje w punkcie przecięcia się przedłużeń promieni odbitych od zwierciadła. Widać to dokładnie na poniższej ilustracji:
RriyG034ZnDZR
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
R7bXqqXa1JRwH
Ćwiczenie 5
Przeprowadź samodzielnie konstrukcję obrazu trapezu w zwierciadle płaskim.
R1Vu2hJm9VaRr
Opisz, jak skonstruować obrazu trapezu w zwierciadle płaskim.
Pamiętaj o prawie odbicia podczas konstrukcji obrazu.
R1Qdw3QU9wfrN
Wykorzystanie zwierciadeł płaskich
Zwierciadła płaskie znalazły szerokie zastosowanie zarówno w życiu codziennym, jak i w wielu urządzeniach.
R1NaH4LsZaFGy
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 HeweliuszJan HeweliuszJan Heweliusz wynalazł peryskopperyskopperyskop, którego ważnym elementem jest układ zwierciadeł płaskich.
R4KarUfZqf8qw
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.
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 światłarozproszenie światłarozproszenia światła.
RCPNBLjZRTSZ4
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 skład 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.
Ćwiczenie 6
Narysuj bieg promieni odbitych w przypadku „chropowatego” zwierciadła płaskiego (rysunek poniżej).
RjfXiNQupF46s
RE5c6dRQmG0Lg
Opisz bieg promieni odbitych w przypadku „chropowatego” zwierciadła płaskiego (rysunek poniżej). Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
RjfXiNQupF46s
R14NodTQJtzop
Pamiętaj, że promienie odbijają się pod tym samym kątem, pod którym padają i że kąty te mierzone są względem powierzchni zwierciadła, na które padają.
RolHsrYOE3NEb
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.
Zadania podsumowujące lekcję
1
Ćwiczenie 7
Rvg2kKnJ71TEU
2
Ćwiczenie 8
Kąt pomiędzy płaszczyzną zwierciadła a promieniem padającym wynosi . Zaznacz wszystkie poprawne odpowiedzi.
RqcTwNGcgOEoC
3
Ćwiczenie 9
Dlaczego widzimy strumień światła przechodzący przez mgłę równolegle do naszej twarzy, a nie widzimy go w czystym i przejrzystym powietrzu?
R1JgrHUOeVEv0
Przypomniej sobie, czym jest mgła i pomyśl, jaki to może mieć związek z widocznością promieni światła.
Mgła składa się z kropelek wody zawieszonych w powietrzu. Na tych kropelkach światło się rozprasza, dzięki czemu możemy zobaczyć promienie światła. W czystym powietrzu zjawisko to nie zachodzi, ponieważ światło nie ma na czym się rozpraszać.
RIFK5HGYmEDbN2
Ćwiczenie 10
Rbhsa5gsbUQ1h2
Ćwiczenie 11
Słownik
kąt odbicia
kąt odbicia
kąt pomiędzy promieniem odbitym a prostą prostopadłą (normalną) do powierzchni odbicia.
kąt padania
kąt padania
kąt pomiędzy promieniem padającym a prostą prostopadłą (normalną) do powierzchni odbicia.
normalna
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 odwrócony
obraz przedmiotu, który jest w stosunku do niego odwrócony.
obraz pozorny
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 prosty
obraz przedmiotu, który nie jest w stosunku do niego odwrócony.
peryskop
peryskop
przyrząd optyczny, który składa się z dwóch zwierciadeł (pryzmatów) i pozwala obserwować przedmioty poza polem widzenia obserwatora.
rozproszenie światła
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
zwierciadła płaskie
płaskie powierzchnie odbijające, wykonane zwykle z metalu lub szkła pokrytego dodatkową warstwą z aluminium lub srebra.
Biogram
Jan Heweliusz1687‑01‑28Gdańsk1611‑01‑28Gdańsk
ROd6HUSKEWdXb
Jan Heweliusz
W pierwszej połowie lat czterdziestych 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.
Jan Heweliusz1687‑01‑28Gdańsk1611‑01‑28Gdańsk
ROd6HUSKEWdXb
Jan Heweliusz
W pierwszej połowie lat czterdziestych 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.