Odbicie i załamanie światła
Fizyka
Zestaw wyjaśnia, jak zachowuje się światło na granicy dwóch ośrodków: kiedy ulega odbiciu, a kiedy załamaniu. Uporządkujesz pojęcia takie jak normalna, kąt padania, całkowite wewnętrzne odbicie i światłowód oraz przećwiczysz typowe zadania maturalne jakościowe.
1.Odbicie światła
Zjawisko polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się światła na granicy ośrodków, przy czym promień pozostaje w tym samym ośrodku. Dla odbicia zwierciadlanego kąt odbicia jest równy kątowi padania.
2.Załamanie światła
Zmiana kierunku rozchodzenia się światła podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego. Wynika ze zmiany prędkości światła w różnych ośrodkach. Na granicy zwykle jednocześnie zachodzi odbicie i załamanie.
3.Normalna do granicy ośrodków
Prosta poprowadzona prostopadle do powierzchni granicznej w punkcie padania promienia. To względem niej mierzy się kąt padania, kąt odbicia i kąt załamania.
4.Kąt padania
Kąt między promieniem padającym a normalną do granicy ośrodków. Nie mierzy się go względem powierzchni, tylko względem prostej prostopadłej do niej.
5.Prawo odbicia
Mówi, że promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie oraz że kąt padania jest równy kątowi odbicia: .
6.Gęstość optyczna ośrodka
Cecha ośrodka związana z tym, jak szybko rozchodzi się w nim światło. W ośrodku optycznie gęstszym światło porusza się wolniej niż w ośrodku optycznie rzadszym.
7.Całkowite wewnętrzne odbicie
Zjawisko, w którym światło nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz w całości odbija się od granicy. Zachodzi przy przejściu z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego i dla odpowiednio dużego kąta padania.
8.Światłowód
Cienkie włókno, w którym światło jest prowadzone dzięki wielokrotnemu całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Umożliwia przesyłanie informacji i jest stosowane m.in. w telekomunikacji oraz medycynie.
Notatka
Na czym polega odbicie i załamanie światła
Gdy promień światła dociera do granicy dwóch ośrodków, może zmienić sposób rozchodzenia się. W praktyce najczęściej część światła ulega odbiciu, a część załamaniu. Odbicie oznacza, że promień pozostaje w tym samym ośrodku, ale zmienia kierunek. Załamanie oznacza przejście do drugiego ośrodka i zwykle również zmianę kierunku biegu promienia.
Do opisu obu zjawisk potrzebne są pojęcia: promień padający, promień odbity, promień załamany oraz granica ośrodków. Kluczowa jest też normalna, czyli prosta poprowadzona prostopadle do powierzchni w punkcie padania.
Ważne
Kąty padania, odbicia i załamania zawsze mierzy się względem normalnej, a nie względem powierzchni granicznej.
Prawo odbicia
Prawo odbicia jest bardzo proste i często pojawia się w zadaniach. Mówi ono, że promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie. Dodatkowo kąt odbicia jest równy kątowi padania, czyli .
To prawo pozwala przewidywać bieg promieni po odbiciu od gładkich powierzchni, takich jak lustro. Jeśli powierzchnia jest chropowata, dochodzi do odbicia rozproszonego: promienie odbijają się w wielu kierunkach, ale lokalnie nadal spełnione jest prawo odbicia.
W zadaniach szkolnych zwykle analizuje się odbicie zwierciadlane od gładkiej powierzchni. Trzeba wtedy poprawnie narysować normalną i zaznaczyć równe kąty po obu jej stronach.
Na czym polega załamanie światła
Załamanie światła zachodzi podczas przejścia promienia z jednego ośrodka do drugiego. Główną przyczyną jest zmiana prędkości światła w różnych substancjach. Dlatego promień po wejściu do nowego ośrodka może zmienić kierunek.
Jeśli światło przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do optycznie gęstszego, to załamuje się ku normalnej. Jeśli przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do optycznie rzadszego, to załamuje się od normalnej. Ośrodek optycznie gęstszy to taki, w którym światło porusza się wolniej.
Szczególnym przypadkiem jest padanie prostopadłe do granicy. Wtedy promień przechodzi do drugiego ośrodka bez zmiany kierunku, choć nadal zmienia się prędkość światła.
Zapamiętaj
Na granicy dwóch przezroczystych ośrodków zazwyczaj jednocześnie zachodzą odbicie i załamanie.
Całkowite wewnętrzne odbicie i światłowody
Szczególnym zjawiskiem jest całkowite wewnętrzne odbicie. Zachodzi ono wtedy, gdy światło biegnie z ośrodka optycznie gęstszego do optycznie rzadszego i pada na granicę pod odpowiednio dużym kątem. W takiej sytuacji promień nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz w całości odbija się od granicy.
To zjawisko ma bardzo ważne zastosowanie praktyczne. W światłowodach światło wielokrotnie odbija się od ścianek włókna i dzięki temu może być prowadzone na duże odległości. Światłowody wykorzystuje się w telekomunikacji do przesyłania danych, a także w medycynie, na przykład w endoskopii.
Przykład
Działanie światłowodu opiera się na tym, że promień nie „ucieka” na zewnątrz, tylko wielokrotnie odbija się wewnątrz włókna.
Typowe przykłady i zadania jakościowe
W życiu codziennym skutki załamania światła łatwo zauważyć. Przedmioty zanurzone w wodzie wydają się przesunięte, a dno basenu wygląda na płytsze niż w rzeczywistości. Wynika to z tego, że promienie światła zmieniają kierunek na granicy woda–powietrze.
W zadaniach maturalnych często trzeba:
- rozpoznać, gdzie narysować normalną,
- wskazać poprawnie kąt padania i kąt odbicia,
- określić, czy promień załamie się ku normalnej, czy od normalnej,
- wyjaśnić działanie światłowodu,
- odróżnić zwykłe odbicie od całkowitego wewnętrznego odbicia.
Najczęstsze błędy to mierzenie kąta od powierzchni zamiast od normalnej oraz mylenie ośrodka optycznie gęstszego z ośrodkiem o większej gęstości w sensie potocznym. W fizyce szkolnej chodzi tu o prędkość rozchodzenia się światła, a nie o to, czy substancja jest cięższa lub bardziej „zbita”.
Quizy w tym zestawie
16 pytań w 2 etapach — odblokujesz je po dodaniu zestawu