To ciekawe

Wyobraź sobie, że stoisz nad brzegiem morza. Pod wodą, niedaleko od brzegu, leży piękna muszelka. Chcesz po nią sięgnąć, lecz gdy wkładasz rękę pod wodę, okazuje się, że znajduje się ona w zupełnie innym miejscu niż się wydawało. Dlaczego tak się dzieje? Jakie prawa fizyki za tym stoją? O tym w niniejszym materiale.

R1cxpkK8mY632

Rys. a. Zdjęcie przedstawia sylwetkę dziewczyny stojącej na piaszczystej plaży tuż przy brzegu morza. Niewielkie fale morskie obmywają jej bose stopy.

Warto przeczytać

Światło padając na gładką, nieprzezroczystą powierzchnię może ulec pochłonięciu lub odbiciu (Rys. 1.). Obowiązuje wówczas prawo odbicia mówiące, że:

Kąt odbicia jest równy kątowi padaniaKąt padaniakątowi padania. Promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

R7yKmwcvXGY7K

Rys. 1. Na rysunku znajduje się długa pozioma linia opatrzona napisem: „powierzchnia graniczna ośrodków”. Obszar nad linią jest biały, pod linią niebieski. W poziomą linię od góry celuje linia prosta ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień padający”. W punkcie przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków poprowadzono linię pionową opatrzoną napisem: „normalna”. Kąt między promieniem padającym i normalną oznaczony jest grecką literą alfa. Od punktu przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków narysowano drugą linię ze strzałką skierowaną ukośnie w górę i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień odbity”. Zaznaczony jest kąt miedzy promieniem odbitym i normalną i oznaczony grecką literą alfa.

Jeśli jednak promień świetlny napotka na swojej drodze granicę dwóch ośrodków dla niego przezroczystych, sytuacja może wyglądać nieco inaczej. Wówczas padający promień świetlny może ulec:

a) całkowitemu wewnętrznemu odbiciu

Zjawisko to występuje wyłącznie wtedy, gdy światło pada na granicę ośrodków od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamaniaWspółczynnik załamaniawspółczynniku załamania nIndeks dolny 1₁ pod kątem większym niż kąt granicznyKąt granicznykąt graniczny. Promień nie przechodzi wówczas do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu (Rys. 2.).

Rg0sRzfUxkVTX

Rys. 2. Na rysunku znajduje się długa pozioma linia oznaczająca granicę ośrodków. Nad linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 1 jest większe niż n z indeksem dolnym 2. Pod linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 2 jest mniejsze niż n z indeksem dolnym 1. W poziomą linię od góry celuje linia prosta ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień padający”. W punkcie przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków poprowadzono przerywaną linię prostopadłą do granicy ośrodków, zwaną normalną. Kąt między promieniem padającym i normalną oznaczony jest grecką literą alfa. Kąt alfa jest znacznie większy niż analogiczny kąt na rysunku pierwszym. Od punktu przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków narysowano drugą linię prostą ze strzałką skierowaną ukośnie w górę i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień odbity”. Kąt między promieniem odbitym i normalną oznaczony jest grecką literą alfa.

Całkowite wewnętrzne odbicie jest zjawiskiem wykorzystywanym w pryzmatach oraz światłowodach. Jest także przyczyną powstawania refleksów w oszlifowanym diamencie (brylancie).

b) jednoczesnemu odbiciu i załamaniu

R1RnM76jtd4ra

Rys. 3. Na rysunku znajduje się długa pozioma linia oznaczająca granicę ośrodków. Nad linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 1 jest mniejsze niż n z indeksem dolnym 2. Pod linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 2 jest większe niż n z indeksem dolnym 1. W poziomą linię od góry celuje linia prosta ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień padający”. W punkcie przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków poprowadzono przerywaną linię prostopadłą do granicy ośrodków, zwaną normalną. Kąt między promieniem padającym i normalną oznaczony jest grecką literą alfa. Od punktu przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków narysowano drugą linię ze strzałką skierowaną ukośnie w górę i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień odbity”. Kąt między promieniem odbitym i normalną oznaczony jest grecką literą alfa. Od punktu przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków narysowano trzecią linię ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień załamany”. Zaznaczony jest kąt między promieniem załamanym i normalną i oznaczony grecką literą beta. Kąt beta jest mniejszy niż kąt alfa.

Wówczas część światła odbija się od granicy ośrodków zgodnie z przedstawionym wcześniej prawem odbicia światła, pozostała część przechodzi zaś do drugiego ośrodka zmieniając kierunek biegu wiązki światła. Zmiana ta zależna jest od współczynników załamania ośrodków $n_{1}$ i $n_{2}$ oraz kąta $\alpha$, pod jakim światło pada. Obowiązuje wówczas następująca zależność:

gdzie $\beta$ jest kątem załamaniaKąt załamaniakątem załamania.

Co z tego wynika? Po pierwsze, jeśli promień światła załamuje się ku normalnej – światło przechodzi z ośrodka, w którym porusza się szybciej (rzadszego, o mniejszym współczynniku załamania), do ośrodka, w którym porusza się wolniej (gęstszego, o większym współczynniku załamania). Jeśli zaś promień świetlny przechodzi z ośrodka, w którym porusza się wolniej, do ośrodka, w którym porusza się szybciej, odchyla się od normalnej. Innymi słowy: jeśli $n_{2}\gt n_{1}$, to promień załamany odchyla się w kierunku normalnej, jeśli zaś $n_{2}\lt n_{1}$, to promień załamany odchyla się od normalnej.

R73ZjjJD0kqEV

Rys. 4. Rysunek przedstawia 2 przypadki załamania promienia świetlnego przy przejściu przez granicę dwóch ośrodków. Na lewym rysunku znajduje się pozioma linia oznaczająca granicę ośrodków. Nad linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 1 jest mniejsze niż n z indeksem dolnym 2. Pod linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 2 jest większe niż n z indeksem dolnym 1. W poziomą linię od góry celuje linia prosta ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień padający”. W punkcie przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków poprowadzono przerywaną linię prostopadłą do granicy ośrodków, zwaną normalną. Kąt między promieniem padającym i normalną oznaczony jest grecką literą alfa. Od punktu przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków narysowano linię ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień załamany”. Kąt między promieniem załamanym i normalną oznaczony jest grecką literą beta. Kąt beta jest mniejszy niż kąt alfa, co opisane jest nierównością przy tym rysunku: alfa jest większe niż beta. Na prawym rysunku znajduje się pozioma linia oznaczająca granicę ośrodków. Nad linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 1 jest większe niż n z indeksem dolnym 2. Pod linią poziomą znajduje się nierówność: n z indeksem dolnym 2 jest mniejsze niż n z indeksem dolnym 1. W poziomą linię od góry celuje linia prosta ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień padający”. W punkcie przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków poprowadzono przerywaną linię prostopadłą do granicy ośrodków, zwaną normalną. Kąt między promieniem padającym i normalną oznaczony jest grecką literą alfa. Od punktu przecięcia promienia padającego z powierzchnią graniczną ośrodków narysowano linię ze strzałką skierowaną ukośnie w dół i w prawo. Przy tej linii jest napis: „promień załamany”. Kąt między promieniem załamanym i normalną oznaczony jest grecką literą beta. Kąt beta jest większy niż kąt alfa, co opisane jest nierównością przy tym rysunku: alfa jest mniejsze niż beta.

Jeśli $n_{2}\gt n_{1}$, to promień załamany odchyla się w kierunku normalnej, jeśli zaś $n_{2}\lt n_{1}$, to promień załamany odchyla się od normalnej.

Słowniczek