Prawo odbicia i załamania światła

Zarówno prawo odbicia światła, jak i prawo załamania można wyjaśnić na podstawie zasady Fermata. Zasada ta została odkryta w 1679 roku.

Zasada Fermata

Aby przebyć drogę między dwoma punktami światło zawsze wybiera taką drogę, aby zużyć ekstremum (minimum lub maksimum) czasu.

Zgodnie z powyższą zasadą światło w ośrodkach ciągłych biegnie po liniach prostych, bo prosta jest linią, która łączy dwa punkty w przestrzeni, której przebycie zajmuje minimum czasu.

Dlaczego w zasadzie tej występuje też maksimum? Jest to rzadszy przypadek stosowany w przypadkach zwierciadeł zakrzywionych.

Prawo odbicia światła

Jeżeli promień światła pada na powierzchnię innego ośrodka, następuje jego odbicie.

To proste prawo zostało zilustrowane na rysunku.

Prawo załamania (prawo Snelliusa)

Jeżeli promień światła przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, następuje zjawisko załamania. Dzieje się tak, gdy oba ośrodki mają różne tak zwane współczynniki załamania, a mówiąc inaczej, jeżeli w obu ośrodkach światło porusza się z inną prędkością (doświadczalnie wykazano, że światło w ośrodkach materialnych rozchodzi się wolniej niż w próżni).

Prawo załamania brzmi:

Powyższe prawo można zapisać ilościowo w następujący sposób:

gdzie:

• α - kąt padania,
• β - kąt załamania,
• n₁ - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka pierwszego,
• n₂ - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka drugiego,
• n_2,1 - współczynnik załamania ośrodka drugiego względem pierwszego,
• v₁ - prędkość światła w ośrodku pierwszym,
• v₂ - prędkość światła w ośrodku drugim.

Jeżeli dany ośrodek charakteryzuje się dużym bezwzględnym współczynnikiem załamania, to mówimy że jest to ośrodek optycznie gęsty.

Z prawa Snelliusa wynika że w ośrodkach gęstszych promień załamany biegnie bliżej do normalnej powierzchni styku dwóch ośrodków (zaobserwuj to w naszej symulacji).

Tablica

Tablica bezwzględnych współczynników załamania światła dla długości fali λ=589 nm.

W wyniku prawa załamania światła mamy do czynienia z pozorną zmianą odległości przedmiotów zanurzonych w wodzie. Przykładem niech będzie rzeczywista i pozorna pozycja ryby z punktu widzenia obserwatora nad wodą, co doskonale ilustruje ten rysunek.

© anuwat - stock.adobe.com

Załamaniu światła zawsze dotyczy jego odbicie, a w pewnych sytuacjach ma miejsce całkowite wewnętrzne odbicie światła.

Całkowite wewnętrzne odbicie

Jeżeli promień światła biegnie w ośrodku optycznie gęstym i pada na powierzchnię ośrodka optycznie rzadszego, to przy pewnym kącie padania, zwanym kątem granicznym, promień załamany biegnie po powierzchni granicy ośrodków. Powyżej wartości kąta granicznego promień światła nie ulega załamaniu - odbija się całkowicie. Jest to zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.

Graniczny kąt padania α_g dany jest wzorem: α_g = n₁/n₂.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia ma zastosowanie w pryzmatach i w światłowodach. Zjawisko to jest także powodem, dla którego brylanty tak pięknie skrzą się światłem.

Symulacja

Przedstawiona tu symulacja ilustruje wszystkie opisane wyżej zjawiska. Możesz wybrać rodzaj każdego z ośrodków i obserwować jak się zachowuje promień światła przechodzący przez oba ośrodki.

Pytania

Czy światło zawsze porusza się po liniach prostych?

Nie. Jednym z przypadków jest sytuacja, w której współczynnik załamania światła zmienia się w ośrodku w sposób ciągły. Następuje wtedy ciągłe zakrzywienie promienia światła w stronę obszaru o narastającym współczynniku n. Światło w takim ośrodku porusza się po krzywej.

Innym przypadkiem jest zakrzywienie promieni światła, gdy przechodzą w pobliżu masywnych obiektów, które potrafią zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina zakrzywiać przestrzeń, a wraz z nią tor ruchu promienia światła.

Inne zagadnienia z tej lekcji

Czy ryby widzą dobrze w wodzie?

Podczas nurkowania w wodzie z otwartymi oczami obraz wydaje się być mocno zamazany, niewyraźny. Czy ryby też widzą źle w wodzie?

Czy można spowolnić fotony?

Fotony są składnikiem światła. Wiemy że poruszają się ze stałą prędkością światła, która jest uniwersalną stałą fizyczną. Czy istnieje możliwość spowolnienia fotonów?

Jak daleko jest horyzont?

Czy odległość do horyzontu można zmierzyć? Jaka odległość dzieli obserwatora od horyzontu i od czego zależy ta odległość? Czy ma ona związek z krzywizną Ziemi?

© medianauka.pl, 2011-11-06, A-1525
Data aktualizacji artykułu: 2019-10-26