Optyka

Zapamiętaj!
Optyka to dział fizyki zajmujący się naturą światła i zjawiskami z nim związanymi.
Takie zadanie może pojawić się na egzaminie!
Planeta oświetlona przez Słońce rzuca cień. Cień ten najlepiej przedstawia rysunek:

Co trzeba wiedzieć, by rozwiązać to zadanie?

Przede wszystkim to, że w ośrodkach jednorodnych (a takim jest pusta przestrzeń międzyplanetarna) światło porusza się po liniach prostych. Jeśli w nieprzezroczystej kartce zrobisz niewielki otworek i kartkę tę oświetlisz z jednej strony żarówką, to po drugiej stronie otrzymasz wąską, prostoliniową wiązkę światła zwaną promieniem świetlnym. Inaczej promień świetlny można określić jako kierunek rozchodzenia się światła.
Gdyby światło nie poruszało się po liniach prostych, moglibyśmy zobaczyć kogoś, kto schował się na przykład za węgłem domu. Trudno byłoby się bawić w chowanego.

Co to takiego ośrodek jednorodny?
Jest to taki ośrodek, który w każdym swym punkcie ma takie same właściwości.

A gdzie światło nie może się rozchodzić?
Nie może rozchodzić się w metalach, drewnie, skałach itd. Takie ośrodki nazywamy nieprzezroczystymi. Przezroczystym ośrodkiem jest szkło, powietrze, próżnia, woda i wiele innych. Jeśli jakieś ciało nieprzezroczyste znajdzie się na drodze światła, powstaje cień.

Teraz wracamy do zadania:
Na rysunku B widać, że światło nie porusza się po prostych. Tę możliwość trzeba odrzucić.
W przypadku D światło dociera tam, gdzie go być nie powinno, natomiast cień tworzy się w miejscu, gdzie docierają promienie słoneczne. Ten rysunek jest fałszywy.
Pozostają ewentualności A lub C. Która będzie poprawna?
Słońce jest rozciągłym źródłem światła. Całkowity cień powstaje tam, gdzie nie docierają żadne promienie słoneczne. To jest czarny obszar na rysunkach A i C. Obydwa rysunki przedstawiają cień poprawnie. Jest jednak za planetą obszar, do którego dochodzi tylko część promieni wysłanych w kierunku planety, obszar częściowo tylko oświetlony. Nazywamy go półcieniem. Takiego półcienia brakuje na rysunku A. Zatem poprawną sytuację przedstawia rysunek C.

Zapamiętaj!
To dzięki prostoliniowemu rozchodzeniu się światła do naszych oczu dociera wierny (w miarę) obraz rzeczywistości.

Na czym polega zjawisko odbicia światła?

Wszyscy widzieliście swój obraz w lustrze. O czym świadczy istnienie takiego obrazu? By oko zobaczyło jakiś przedmiot, promienie świetlne wysłane przez ten przedmiot muszą wpaść do oka. Skoro w lustrze widzimy siebie, do oka wpadają promienie wysłane przez nas samych. By to jednak było możliwe, muszą one zawrócić – odbić się od zwierciadła.
Okazuje się, że światło od takich wypolerowanych przedmiotów jak lustro nie odbija się byle jak, lecz w sposób uporządkowany. Spełnione jest przy tym pewne prawo. Zapamiętaj jego nazwę – to prawo odbicia!

Prawo odbicia
Spójrz na rysunek przedstawiający zjawisko odbicia promieni świetlnych.

Zwróć uwagę na dwie sprawy!

  • Po pierwsze:
    Kąt zawarty pomiędzy promieniem padającym i prostą prostopadłą do odbijającej powierzchni (oznaczony α) jest równy kątowi zawartemu między promieniem odbitym i tą samą prostą prostopadłą (oznaczonemu β). Krótko mówimy, że kąt padania jest równy kątowi odbicia.
  • Po drugie:
    Obydwa promienie i wspomniana prosta leżą w jednej płaszczyźnie.

Powyższe dwa stwierdzenia noszą nazwę prawa odbicia.
Nie zawsze odbicie jest tak regularne jak ma to miejsce w przypadku lustra (które odbija w ten sposób, że wiązka równoległych promieni jest równoległa również po odbiciu). Większość otaczających nas ciał ma chropowatą powierzchnię i promienie, które padają równolegle, przestają być równoległe po odbiciu.
„Mieszają się” i dlatego obraz niesiony przez te promienie zaciera się – nie możemy się przejrzeć w chropowatej powierzchni. Wygląda to mniej więcej tak, jak na poniższym rysunku. Taki rodzaj odbicia nazywamy rozproszeniem światła.

Spójrzcie na jeszcze jedno zadanie.
Dwa płaskie lusterka mają wspólną krawędź i są do siebie prostopadłe (patrz rysunek). Michał ma silny laser, który kieruje w stronę lusterek tak, że promień laserowy leży w płaszczyźnie prostopadłej do wspólnej krawędzi lusterek. Co grozi Michałowi? Wskazówka: spróbuj przewidzieć, co stanie się z promieniem po odbiciu od obydwu luster.


Jak rozwiązać to zadanie?
Popatrz z góry na układ lusterek i promień laserowy. Narysuj promienie odbite od obu luster.

Z prawa odbicia wynika, że kąt przy wierzchołku A wynosi 2α. Kąt przy wierzchołku B wynosi 2β. Trójkąt ABC jest prostokątny. Jest to spowodowane tym, że lustra są do siebie prostopadłe. Zatem:

α + β = 90°

To oznacza, że:

2α + 2β = 180°

Przyjrzyj się dobrze rysunkowi powyżej i odpowiedz, w jakiej figurze suma sąsiednich kątów jest równa 180°? Tak, masz rację, w równoległoboku! Oznacza to, że promień padający i promień odbity od drugiego lusterka są do siebie równoległe. To już wiesz, co grozi Michałowi! Promień laserowy po odbiciu od dwóch luster poruszał się będzie po prawie takiej samej drodze, po której przyszedł. Najprawdopodobniej trafi w Michała. A ponieważ był to silny laser, Michałowi może stać się krzywda.

PODYSKUTUJ: