Struktura

Odraz a lom světla

Přímočaré šíření světla, princip nezávislosti chodu paprsků, zákon odrazu a lomu umožňuje studovat zobrazování optickými soustavami, aniž přihlížíme k vlnové povaze světla. V této kapitole si zopakujeme zákon odrazu a lomu. 

Jestliže dochází k interakci světla s prostředím, mohou nastat tyto případy:

  • Absorpce světla (pohlcování světla). Prostředí, na které dopadá světlo, část záření pohlcuje, což znamená, že se světelná energie mění na jiné formy energie prostředí. Tímto jevem se v této části zabývat nebudeme, je to problém vlnové optiky.

  • Odraz světla (světlo se vrací do původního prostředí).

  • Lom světla (světlo prostředím prochází).

V mnohých případech dochází ke všem třem jevům zároveň (dopad světla na vodní hladinu, dopad světla na sklo).

My budeme zatím pojednávat o každém jevu zvlášť.

 

 

Odraz světla

Věci kolem sebe vidíme, protože do oka nám přicházejí paprsky, které se od nich odráží.

Paprsky se odráží podle zákona, který znáte také z učiva o vlnění.

kon odrazu:

Paprsek dopadající a odražený leží v jedné rovině, která je určena dopadajícím paprskem a kolmicí dopadu. Úhel odrazu se rovná úhlu dopadu (α‘ = α).

Zákon odrazu

Úhel dopadu i odrazu se měří vždy od kolmice dopadu!

 

obrazek

Obr. 1: Zákon odrazu

 

Odrazu světla od předmětů se používá při zobrazování pomocí zrcadel. Na následující fotografii je ukázka zobrazení vypuklým zrcadlem:

obrazek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 2: Zobrazení vypuklým zrcadlem

Zrcadla musí mít odraznou plochu dobře vyleštěnou, aby se rovnoběžné paprsky odrážely rovnoběžně – pravidelný odraz:

 

 

obrazek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 3: Pravidelný odraz

 

Pokud není plocha dostatečně rovná, dochází k difúznímu odrazu, jak je naznačeno na následujícím obrázku.

 

obrazek

 

 

 

 

 

Obr. 4: Difúzní odraz

 

K přesnému zobrazení se také nepoužívají zrcadla krytá sklem, protože k odrazu dochází i na přední straně skla a obraz je dvojitý.

Za předměty, kam světlo nedopadá, vzniká stín. V důsledku stínu dochází k zatmění Měsíce a Slunce:

http://cs.wikipedia.org/wiki/Zatm%C4%9Bn%C3%AD_M%C4%9Bs%C3%ADce http://cs.wikipedia.org/wiki/Zatm%C4%9Bn%C3%AD_Slunce

 

Lom světla

Tyč do vody ponořená, jeví se nám nalomená:

obrazek

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 5: Lom světla

 

Proč se brilianty krásně lesknou?

Proč ryby v potoce vidíme na jiném místě, než skutečně jsou?

Proč se asfaltová silnice za horkého dne v dálce leskne jako zrcadlo, a pokud přijedeme k tomuto místu blíže, už je tmavá?

Tyto jevy spočívají v lomu světla. Jestliže paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí, které je pro světlo propustné, potom se paprsek tímto prostředím šíří pod jiným úhlem než dopadl (s výjimkou, jestliže dopadá pod úhlem 0⁰). Pro dopadající a lomený paprsek platí zákon lomu.

Zákon lomu:

Paprsek dopadající a lomený leží v jedné rovině, která je určena dopadajícím paprskem a kolmicí dopadu. Poměr sinů úhlu dopadu a lomu je roven poměru rychlostí šíření světla v daných prostředích.

Zákon lomu

Pro index lomu platí:

n=\tfrac{c}{v} \Rightarrow 

c – rychlost šíření světla ve vakuu

v – rychlost šíření světla v daném prostředí

Zákon lomu je možné matematicky zapsat ve tvaru:

n_{1}sin\alpha =n_{2}sin\beta

n_{1} – index lomu prostředí, ze kterého paprsek dopadá

α – úhel dopadu

n_{2} – index lomu prostředí, kterým světlo prochází

β – úhel lomu 

Tento zákon se podle svého objevitele nazývá Snellův zákon lomu.

Úhel dopadu a lomu se měří od kolmice dopadu.

Lom ke kolmici

Při lomu světla může nastat situace, že světlo přechází z prostředí, v němž se šíří větší rychlostí, do prostředí, v němž se šíří menší rychlostí. Potom mluvíme o lomu ke kolmici, např. když světlo přechází ze vzduchu do vody. Prostředí, v němž se světlo šíří větší rychlostí než v jiném prostředí, se nazývá opticky řidší, v opačném případě říkáme, že je opticky hustší. Z hlediska indexu lomu to znamená, že opticky řidší prostředí má menší index lomu. Index lomu vzduchu je n ≐ 1, index lomu vody n ≐ 1,3. Vzduch je tedy opticky řidší než voda a v tomto případě dochází k lomu ke kolmici. Stručně řečeno, k lomu ke kolmici dochází, přechází-li paprsek z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího. Úhel lomu je v tomto případě vždy menší, než je úhel dopadu.

 

obrazek

Obr. 6: Lom ke kolmici

α – úhel dopadu, β – úhel lomu

 

Lom od kolmice

Přechází-li paprsek z prostředí opticky hustšího do řidšího, např. přechází-li paprsek z vody do vzduchu, potom je úhel lomu větší než úhel dopadu a mluvíme o lomu od kolmice.

 

obrazek

Obr. 7: Lom od kolmice

α – úhel dopadu, β – úhel lomu

 

Právě lom od kolmice způsobuje, že tyč, kterou vložíme do vody, se nám jeví nalomená, protože paprsky odražené od tyče ve vodě přecházejí z vody do vzduchu a do oka nám přicházejí ty, které se lámou od kolmice.

 

Zdroje

  • BARTUŠKA, Karel a Zdeněk KUPKA. Sbírka řešených úloh z fyziky pro střední školy: Sbírka úloh pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2000, 198 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-719-6037-3.

  • LEPIL, Oldřich a Zdeněk KUPKA. Fyzika pro gymnázia: optika. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1993, 167 s. ISBN 80-042-6092-6.

  • LEPIL, Oldřich a Zdeněk KUPKA. Fyzika: Sbírka úloh pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1995, 269 s. Učebnice pro střední školy (Státní pedagogické nakladatelství). ISBN 80-719-6048-9.

  • NAHODIL, Josef a Zdeněk KUPKA. Fyzika v běžném životě: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 2., rozš. vyd. Praha: Prometheus, 2004, 206 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-719-6278-3.

  • RAUNER, Karel a Zdeněk KUPKA. Fyzika 7: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2005, 136 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-723-8431-7.

  • SVOBODA, Emanuel. Přehled středoškolské fyziky. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1991, 588 s. ISBN 80-042-2435-0.

  • ŠKVAŘIL, Luděk. Reálný fyzikální experiment II. - elektřina, magnetismus, optika. In: Učme fyziku jinak: Modul 2, reg. č. CZ.1.07/1.3.13/02.0006 [online]. 2012 [cit. 2014-11-27]. Dostupné z:http://fyzika.gjwprostejov.cz/uploads/modul_2.pdf

Obrázky

  • RNDr. Hana Kupková, Mgr. Jaroslav Petr

Pokus

Název pokusu: Odraz a rozptyl světla

Cíl pokusu: vysvětlení rozdílu odrazu světla při dopadu rovnoběžného svazku paprsků na rovinné zrcátko a nerovný povrch alobalu

Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší a vyšší stupeň gymnázia

Pomůcky: světelný zdroj se žárovkou 12 V/20 W, zdroj napětí 12 V, spojovací vodiče, magnetická tabule, magnetický Hartlův optický kotouč, rovinné zrcadlo, alobal, 2 ks barevných filtrů s magnetkou, clona s třemi štěrbinami

Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut

Délka trvání pokusu: 10 minut

Paprsky dopadají na rovinné zrcadlo pod úhlem cca 20° a pod stejným úhlem se taky odrážejí.

 

Paprsky dopadají na nerovný povrch alobalové folie a dochází k rozptylu světla. 

 

Detail a znázornění rozptylu světla.

 

Pokus

Název pokusu: Zatmění Měsíce

Cíl pokusu: demonstrace různých zatmění Měsíce, kdy se Měsíc na své oběžné dráze dostane do prostoru stínu Země

Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší stupeň gymnázia

Pomůcky: 2 světelné zdroje se žárovkami 12 V/20 W, zdroj napětí 12 V s  dvěma výstupy, spojovací vodiče, magnetická tabule, těleso vrhající stín tvaru polokoule (Země), těleso tvaru válce (Měsíc)

Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut

Délka trvání pokusu: 10 minut

Sestavení pokusu pro demonstraci zatmění Měsíce. Slunce, což je plošný zdroj světla, je v pokusu nahrazen dvěma zdroji světla. Polokoule představuje Zemi a váleček představuje Měsíc.

 

 1 – žádné zatmění Měsíce (Měsíc je v úplňku)

2 – polostínové zatmění Měsíce (ve skutečnosti okem téměř nepozorovatelné)

3 – úplné zatmění Měsíce

4 – částečné zatmění Měsíce

 

Pokus

Název pokusu: Zatmění Slunce

Cíl pokusu: demonstrace různých zatmění Slunce, kdy se Měsíc na své dráze okolo Země dostane do takové polohy, že jeho vržený stín dopadá na povrch Země

Určeno pro: 2. stupeň základní školy, nižší stupeň gymnázia

Pomůcky: 2 světelné zdroje se žárovkami 12 V/20 W, zdroj napětí 12 V s dvěma výstupy, spojovací vodiče, magnetická tabule, těleso vrhající stín tvaru polokoule (Země), těleso tvaru válce (Měsíc)

Časová náročnost na přípravu pokusu: 10 minut

Délka trvání pokusu: 10 minut

Sestavení pokusu pro demonstraci zatmění Slunce. Slunce, což je plošný zdroj světla, je v pokusu nahrazeno dvěma zdroji světla. Polokoule představuje Zemi a váleček představuje Měsíc.

 

V místech na Zemi, kam nedopadají žádné sluneční paprsky, nastává pro pozorovatele úplné zatmění Slunce. V místech, kde dopadají paprsky jen z části Slunce, nastává pro pozorovatele částečné zatmění Slunce. 

 

Při prstencovém zatmění je Slunce uprostřed černé, je ale vidět okrajový prstenec a na Zemi není úplná tma. Nastává tehdy, když je Země blízko Slunce (přísluní = perihélium) a Měsíc naopak daleko (odzemí = apogeum). Zdánlivý průměr Měsíce je pak menší než zdánlivý průměr Slunce. Plný stín nedosáhne až na Zemi.

Pokus

Video

This div will be replaced by the JW Player.

Odraz světla

Logolink