Całkowite wewnętrzne odbicie światła

     Doświadczenie 1

      Do szklanki nalewamy wodę. Patrząc ukośnie od dołu na jej swobodną powierzchnię, stwierdzamy, że zachowuje się ona jak doskonale wypolerowane zwierciadło.

     Zajmiemy się teraz biegiem promieni świetlnych przy ich przejściu z wody do powietrza. Jeśli promień pada na swobodną powierzchnię wody pod dostatecznie małym kątem a do normalnej, to po  wejściu do  powietrza  biegnie

pod kątem  b > a, ponieważ

= npw < 1  ,

     gdzie  npw – współczynnik załamania powietrza względem wody.

     Przy stopniowym zwiększaniu kąta  a możemy stwierdzić, że istnieje taki  kąt ag , zwany  kątem granicznym, dla którego b = 90o .

     Zgodnie z napisaną wcześniej zależnością otrzymujemy:

sinag / sin 90o = npw = 1 / nwp  ,

skąd         sinag = 1 / nwp = 1 / 1,333 = 0,75.

     W przypadku, kiedy kąt padania światła będzie większy od kąta granicznego, otrzymujemy  całkowite wewnętrzne odbicie (zastosowanie w peryskopach, lornetkach, aparatach fotograficznych, szkłach odblaskowych,      światłowodach itp.).

Bieg promieni świetlnych – zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia

Ośrodek I   n1    v1

Kąt graniczny ag

90o

Ośrodek  II    n2    v2 ;  v2>v1

  a)                                                b)

Pryzmaty odbijające całkowicie promienie świetlne. Zmiana biegu promienia  a) o 90o     b)  o  180o

Załamanie światła w pryzmacie

     Zacznijmy od przypomnienia sobie definicji pryzmatu. Co to jest pryzmat? Pryzmat jest to bryła wykonana z przezroczystego materiału o określonym współczynniku załamania, ograniczona dwoma płaszczyznami przecinającymi się pod kątem j. A jak zachowa się promień, gdy na jego drodze ustawi się pryzmat?

     Kiedy na drodze wąskiej wiązki jednobarwnego światła ustawimy pryzmat to część wiązki biegnąca tuż ponad wierzchołkiem pryzmatu nie ulegnie odchyleniu, natomiast część wiązki, która weszła w pryzmat, ulegnie odchyleniu od pierwotnego kierunku.

     Kąt  e, jaki tworzą kierunki biegu promienia przed i po wyjściu z pryzmatu, nosi nazwę  kąta odchylenia. Można wykazać, że

e = a + d - j  ,

     gdzie  a - kąt padania promienia na pryzmat, d - kąt wyjścia promienia z pryzmatu, e - kąt odchylenia promienia.

e

c

b

j

a

d

j

Bieg promienia świetlnego przez pryzmat. Promień świetlny ulega dwukrotnemu załamaniu (np. powietrze – szkło ; szkło – powietrze).

e

j

Sposób wyznaczania kąta odchylenia wiązki świetlnej przechodzącej przez pryzmat

Przechodzenie światła białego przez granicę dwu ośrodków.

Dyspersja światła

     Dyspersja – zjawisko rozszczepienia światła białego (występują wszystkie długości fal w zakresie promieniowania widzialnego) na barwy składowe (barwy składowe nazywamy inaczej barwami widmowymi; barwy widmowe: czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona, niebieska i fioletowa). Światło w zależności od barwy ulega odchyleniu w różnym stopniu; najmniej odchyla się wiązka czerwona, najwięcej fioletowa.

     Właściwość pryzmatu polegająca na rozszczepieniu światła, została wykorzystana w spektrometrze pryzmatycznym, będącym jednym z podstawowych narzędzi badawczych fizyków, zajmujących się właściwościami atomu.

     Jednak o tym, że do rozszczepienia światła nie jest konieczny pryzmat przekonuje nas zjawisko tęczy. Rozszczepienie światła następuje tutaj w trakcie przechodzenia światła słonecznego przez małe kropelki wody.

Światło rozszczepione

Światło białe

Barwy widmowe

Rozszczepienie (dyspersja) światła białego

Soczewki

     Soczewka jest to bryła przezroczysta ograniczona dwiema powierzchniami sferycznymi lub jedną powierzchnią sferyczną i płaszczyzną. Ze względu na powierzchnie ograniczające soczewki dzielimy na wypukłe (dwuwypukła, płaskowypukła, wklęsłowypukła) i wklęsłe (dwuwklęsła, płaskowklęsła, wypukłowklęsła). Soczewki ze względu na bieg promienia świetlnego po przejściu przez soczewkę dzielimy na skupiające i rozpraszające. Soczewka skupiająca skupia w jednym punkcie wszystkie promienie biegnące równolegle do głównej osi optycznej. Punkt skupienia promieni nosi nazwę  ogniska, a jego odległość do środka soczewki nazywamy  ogniskową.

     Co wiemy o biegu promieni przechodzących przez soczewkę cienką?

·        Promień równoległy do głównej osi optycznej musi przejść przez ognisko, a ponieważ droga promienia jest odwracalna, promień przechodzący przez ognisko i padający na soczewkę musi wyjść jako równoległy do głównej osi optycznej.

·        Promień przechodzący przez środek soczewki nie ulega odchyleniu ani przesunięciu.

     Jeżeli przedmiot umieścimy w ognisku soczewki skupiającej, nie otrzymujemy obrazu. Po przejściu przez soczewkę światło biegnie w postaci równoległej wiązki.

Z kolei jeśli przedmiot znajduje się między ogniskiem a soczewką, wtedy obraz powstaje w wyniku przecięcia się przedłużeń promieni i jest on obrazem pozornym, obrazem, którego nie można uzyskać na ekranie lub matówce. Obraz pozorny widzimy patrząc przez soczewkę na przedmiot.

Ognisko

Soczewka skupiająca

Obraz

Ognisko

Przedmiot

Konstrukcja obrazu w soczewce skupiającej. Obraz rzeczywisty zmniejszony i odwrócony.

x>2f;   f<y<2f

Uwaga: dla soczewek i zwierciadeł obowiązują takie same symbole (x , y, F. f, r)

...