Przeczytaj

Otaczający nas świat jest pełen wspaniałości. Często zachwycamy się podziwiając otaczającą nas przyrodę. Widzimy wówczas wiele zjawisk optycznych, które – niestety – często są dla nas niepojęte. Zdarza się, że nie potrafimy ich nawet nazwać. Niniejszy materiał przybliży spotykane na co dzień, lecz często niezrozumiałe zjawiska optyczne.

R3h48Ia60u8Ys

Rys. a. Zdjęcie przedstawia widok z brzegu jeziora o zachodzie słońca. Na pierwszym planie – fragment drewnianego pomostu nad gładką taflą wody. Z prawej strony wodne rośliny wyrastające nad powierzchnię wody. W oddali zarys przeciwległego brzegu porośniętego bujną roślinnością.

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 odbiciuodbicieodbiciu, załamaniuzałamanie światłazałamaniu i rozproszeniurozproszenie światłarozproszeniu światła.

Zjawisko odbiciaodbicieodbicia 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.).

R14Svd2N9bpna

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia lewą dłoń trzymającą okrągłe lusterko, w którym widać odbicie twarzy. Pokazano wewnętrzną część dłoni, lusterko ujęte jest między kciukiem i trzema palcami. Lusterko to małe szklane kółko o średnicy zbliżonej do wielkości kciuka.

R1XYooVUzni78

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia zachód słońca nad jeziorem z lecącymi ptakami na tle nieba. W tafli jeziora odbija się przeciwległa linia brzegowa – pasmo drzew, zarys budynku ze spadzistym dachem oraz słupy z instalacją elektryczną i ptaki. Dominujące barwy to pomarańczowe czerwienie, czernie, szarości i fiolety.

Światło padając na lustro, czyli szkło, pod którym znajduje się napylona warstwa metalu, odbija się od jego powierzchni, co opisuje prawo odbiciaodbicieodbicia (Rys. 3.).

R17O3YSKYxp2D

Rys. 3. Schemat przedstawia odbicie światła na granicy dwóch ośrodków. Ośrodek dolny to ciemnoszary prostokąt, ośrodek górny – stanowi białe tło. Granicę między ośrodkami tworzy poziomy odcinek w kolorze czarnym. Promień padający w postaci czerwonej strzałki pada na granicę między ośrodkami pod kątem około 45 stopni z lewej strony. W punkcie padania wystawiono normalną, czyli prostą prostopadłą do granicy między ośrodkami w postaci odcinka w kolorze czarnym. Promień odbity to czerwona strzałka po prawej stronie normalnej. Między promieniem padającym i normalną zaznaczony kąt padania grecka litera alfa oraz między normalną i promieniem odbitym – kąt odbicia grecka litera beta. Umieszczono opisy: promień padający, normalna, promień odbity i powierzchnia graniczna ośrodków.

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.).

R1TFLvZNssgq4

Rys. 4. Zdjęcie przedstawia pięć kostek scrabble stojących pionowo na lustrzanej powierzchni. Kostki są koloru kremowego. Widać umieszczone na nich wielkie litery – kolejno: W, O, R, D S oraz cyfry w dolnych prawych rogach: 5, 1, 2, 2, 2. Z tyłu i z boku ułożonego słowa "WORDS" leży kilka kostek z literami niewidocznymi wyraźnie. Stojące kostki mają swoje wyraźne odbicia. Lustrzana powierzchnia w kolorze jasnego błękitu stanowi tło zdjęcia.

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.

R1MeJqqrU861z

Rys. 5. Schemat przedstawia bieg dwóch promieni: promienia bezpośredniego i pośredniego. Promienie biegną od zielonej sylwetki drzewa w stronę niebieskiej sylwetki człowieka. Drzewo i człowiek stoją po przeciwległych brzegach koryta rzeki zarysowanego w uproszczony sposób. Od lewej: sylwetka drzewa, koryto rzeki w kolorze ciemnoszarym z wodą w kolorze jasnoszarym, po prawej – sylwetka człowieka stojącego na brzegu. Jeden promień w postaci czarnej strzałki biegnie poziomo od drzewa do człowieka, drugi promień biegnie od drzewa w stronę wody, odbija się i dociera do człowieka.

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 załamaniazałamanie światłazałamania – 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.).

R1XWMWziPTgaa

Rys. 6. Schemat przedstawia odbicie i załamanie światła na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Wszystkie elementy schematu narysowano czarną linią. Pośrodku znajduje się pozioma linia oznaczająca granicę między ośrodkami. Ośrodek górny ma współczynnik załamania opisany jako mała litera n jeden, dolny opisano małą literą n dwa. Od lewej, nad granicą między ośrodkami narysowano linią ciągłą promień padający – jest to prosta z zaznaczonym kierunkiem, nachylona pod kątem około 45 stopni do poziomu; normalna – narysowana linią przerywaną pionową, prostopadłą do granicy między ośrodkami; promień odbity – to prosta z zaznaczonym kierunkiem, narysowana linią ciągłą nachyloną pod kątem około 45 stopni do poziomu. Pod granicą między ośrodkami pokazano przedłużenie promienia padającego w postaci linii przerywanej; promień załamany – to prosta z zaznaczonym kierunkiem, nachylona pod kątem około 30 stopni do normalnej narysowana linią ciągłą. Zaznaczone kąty: alfa – kąt padania i odbicia – między promieniem padającym i normalną oraz między normalną i promieniem odbitym; beta – kąt załamania – między normalną i promieniem załamanym.

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.).

R1VVtxpiO3aEZ

Rys. 7. Schemat przedstawia bieg promieni, które docierają do oka obserwatora i są obrazem ryby pływającej pod wodą. W górnym prawym rogu znajduje się uproszczony schemat oka. Pozioma czarna linia wyznacza granicę między powietrzem i wodą. Poniżej linii granicznej – dwie sylwetki ryb – od lewej większa jasnoniebieska, obok nieco niżej – mniejsza, ciemnoniebieska. Schemat oka ludzkiego narysowano niebieską linią. Dwa łuki – stanowiące powieki, obejmują małą elipsę imitującą soczewkę oka. Wewnątrz elipsy umieszczono mniejszą czarną wypełnioną kolorem elipsę – źrenicę oka. Oko i ryby łączą proste obrazujące promienie biegnące w stronę oka. Są to linie koloru czerwonego z zaznaczonymi kierunkami. Linie biegnące od większej ryby są narysowane linią przerywaną i kończą się na granicy między ośrodkami. Biegną dalej do oka jako linie ciągłe. Dwie linie załamane na granicy biegną poniżej niej i skupiają się w mniejszej rybie.

Identyczne zjawisko zaobserwujemy, gdy włożymy długopis do wody (Rys. 8.).

R1eY5h5YHqwkC

Rys, 8. Zdjęcie przedstawia długopis włożony do wody. Wydaje się być „złamany” ze względu na zjawisko załamania światła. Tło stanowi szara ściana. Naczynie z wodą to porcelanowa biała miska. Długopis jest czarny z elementami srebrnymi.

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).

R182RdoYTZ68G

Rys. 9. Zdjęcie przedstawia twarz kobiecą, przed którą ustawiono do góry nogami pionowo przezroczystą butelkę. Kobieta ma mocny makijaż, włosy jasne po prawej i ciemne po lewej stronie twarzy. Obraz oka widzianego przez butelkę jest zniekształcony.

RSMeiB69Ldo7v

Rys. 10. Zdjęcie przedstawia plastikową butelkę na tle zachodzącego słońca. Butelka jest do połowy wypełniona przezroczystą cieczą. W części wypełnionej cieczą widać bąbelki powietrza na ściankach butelki. Tło stanowi zachód słońca, stonowany kolorystycznie w odcieniach żółci i brązów oraz jaskrawe słońce – prawie białe z lekko żółtą poświatą. Butelka stoi na drewnianym blacie.

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.).

RIXHjXLu79aSB

Rys. 11. Zdjęcie przedstawia kroplę wody na czubku podłużnego liścia, na której powstał pomniejszony i odwrócony obraz. Po prawej widoczny duży fragment liścia – zielone pole lekko rozmyte, w centralnej części zdjęcia – kropla wody zwisająca na końcu wąskiego liścia. Tło w odcieniach szarości.

Skoro już wiemy, czym są zjawiska odbicia i załamania oraz przyjrzeliśmy się kilku przykładom ich występowania, to teraz czas na rozproszenierozproszenie światłarozproszenie. 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.

RjKt6lD3smZuJ

Rys. 12. Schemat przedstawia rozproszenie równoległej wiązki światła zachodzące na nierównej powierzchni. U podstawy pozioma nieregularna powierzchnia obwiedziona linią obrazuje nierówną powierzchnię odbijającą. Od lewej pada wiązka promieni – pięć linii równoległych do siebie z zaznaczonymi kierunkami. Po odbiciu od różnych punktów na nierównej powierzchni promienie biegną w różne strony.

Zastanówmy się, dlaczego oglądane przez nas obiekty mają różne kolorykolorkolory. 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.

RMGJt96jnOblw

Rys.13. Zdjęcie przedstawia bukiet kwiatów w szklanym wazonie. Kwiaty są różnego rodzaju i różnego koloru – żółte, czerwone, białe, pomarańczowe, różowe. Pomiędzy kwiatami zielone liście. Tło stanowi niebieska ściana i szara powierzchnia stołu.

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 barwbarwabarw. 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 o^o, 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.

R1Sv8U03oZF93

Rys. 14. Zdjęcie przedstawia piękną wielobarwną tęczę pokazaną na pochmurnym niebie rozciągającym się nad polami. W oddal, na horyzoncie, widać turbiny wiatrowe.

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, mirażemiraż (fatamorgana)miraże czy opis efektu Tyndalla – jednak o tym dowiesz się z innych e‑materiałów.

Słowniczek