Zjawisko załamania światła

około 15 minut

W tej lekcji1/12

Włóż łyżeczkę do szklanki z wodą i spójrz z boku — wygląda, jakby ktoś ją złamał na powierzchni. Patyk wbity w dno jeziora robi dokładnie to samo. A przecież ani łyżeczka, ani patyk nie pękają. Więc co się właściwie łamie?

Co to jest załamanie światła

Łamie się droga światła, a nie przedmiot.

Promień przechodzi z powietrza do wody

Oba kąty mierzymy od normalnej

Kąty mierzymy tak samo jak przy odbiciu — od normalnej, czyli od prostej prostopadłej do powierzchni granicznej:

- Kąt padania — między promieniem padającym a normalną.
- Kąt załamania — między promieniem załamanym a normalną, już w drugim ośrodku.

Ten sam pomiar przy małym kącie padania — kąty liczymy od normalnej, nie od powierzchni

Reguła kierunku — w którą stronę odchyli się promień

Cała sztuka sprowadza się do jednego pytania: czy światło zwalnia, czy przyspiesza?

Droga w drugą stronę: z wody do powietrza promień ucieka od normalnej

Skąd bierze się ta reguła

Skąd taka reguła? Rząd uczniów idących pod rękę wchodzi ukośnie z asfaltu na piach: ten z brzegu zwalnia pierwszy, pozostali jeszcze pędzą — i cały rząd się obraca. Wiązka światła skręca z tego samego powodu, bo jej brzegi zwalniają w różnych chwilach.

Na przykład promień padający z powietrza na wodę pod kątem $50°$ załamie się pod kątem około $35°$ — wyraźnie bliżej normalnej.

Zapamiętaj to jednym zdaniem: zwalnia — przytula się do normalnej, przyspiesza — ucieka od niej.

Krok po kroku: promień biegnie z powietrza do wody pod kątem 50°

1
Rysujemy normalną — prostą prostopadłą do powierzchni wody w punkcie, w którym promień na nią pada. Wszystkie kąty odczytujemy właśnie od niej.
$\alpha = 50°$
2
Sprawdzamy, w którą stronę biegnie światło. Startuje w powietrzu, a kończy w wodzie, czyli przechodzi z ośrodka rzadszego do gęstszego.
3
Skoro w wodzie światło porusza się wolniej niż w powietrzu, promień musi odchylić się BLIŻEJ normalnej. Kąt załamania będzie więc mniejszy od kąta padania.
$\beta < \alpha$
4
Dla granicy powietrze — woda promień padający pod kątem 50° biegnie dalej pod kątem około 35°. Sam kierunek zmiany potrafisz przewidzieć zawsze, bez żadnych obliczeń.
$\beta \approx 35°$
Wskazówka
Na sprawdzianie najczęściej pytają właśnie o kierunek: bliżej czy dalej od normalnej. Dokładnej wartości w klasie 8 liczyć nie musisz.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Promień światła biegnie w powietrzu i wpada ukośnie do grubej szyby ze szkła. Jak pobiegnie dalej?

Pułapka! Załamanie to nie odbicie

Po pierwsze — mylenie zjawisk. Przy odbiciu promień wraca do tego samego ośrodka, z którego przyszedł. Przy załamaniu wchodzi do drugiego ośrodka i biegnie w nim dalej. To dwa różne promienie i dwa różne zjawiska — na granicy wody zachodzą zresztą oba naraz.

Przy załamaniu kąty NIE są równe

Po drugie — przenoszenie prawa odbicia na załamanie. Uczeń pamięta, że kąt odbicia równa się kątowi padania, i automatycznie pisze to samo o kącie załamania.

Błąd. Przy załamaniu kąty są różne — właśnie dlatego promień zmienia kierunek. Kąt załamania równa się kątowi padania tylko w jednym jedynym przypadku: gdy promień pada prostopadle do powierzchni, czyli wzdłuż normalnej. Wtedy oba kąty wynoszą $0°$ i promień w ogóle nie zmienia kierunku — przechodzi prosto, choć nadal zmienia prędkość.

Dlaczego basen wydaje się płytszy, niż jest naprawdę

1
Stoisz nad basenem i patrzysz na monetę leżącą na dnie. Dno wydaje się być znacznie bliżej powierzchni, niż wynika to z tabliczki z głębokością. Winne jest załamanie.
2
Żeby zobaczyć monetę, światło musi od niej dotrzeć do twojego oka. Biegnie więc od dna w górę i na powierzchni wody przekracza granicę woda — powietrze.
3
To przejście z ośrodka gęstszego do rzadszego, czyli światło przyspiesza. Promień odchyla się DALEJ od normalnej i wychodzi z wody bardziej płasko, niż w niej biegł.
4
Twój mózg tego nie uwzględnia. Zakłada uparcie, że światło zawsze biegnie po linii prostej, więc przedłuża wpadające do oka promienie prosto w dół. Przecinają się one wyżej niż rzeczywista moneta — i tam właśnie widzisz dno.
5
Efekt: basen o głębokości 2 m wygląda na około 1,5 m głęboki. Dokładnie to samo dzieje się z łyżeczką w szklance — jej zanurzona część wydaje się uniesiona i przesunięta, więc widzimy załamanie w miejscu, gdzie łyżeczka przecina powierzchnię wody.
Wskazówka
To dlatego woda w basenie potrafi być zdradliwie głębsza, niż wygląda. Fizyka, nie złudzenie wzroku.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Nurek świeci latarką od dna jeziora ukośnie w górę. Promień wychodzi z wody do powietrza. Jak pobiegnie dalej?

Ściąga do zapamiętania

Czym jest załamanie światła i jak przewidzieć kierunek promienia?

Załamanie to zmiana kierunku promienia na granicy dwóch ośrodków, spowodowana zmianą prędkości światła. Kąty mierzymy od normalnej. Z ośrodka rzadszego do gęstszego (powietrze do wody) światło zwalnia i załamuje się BLIŻEJ normalnej. Z gęstszego do rzadszego (woda do powietrza) przyspiesza i odchyla się DALEJ od normalnej. Kąt załamania nie jest równy kątowi padania — wyjątkiem jest padanie prostopadłe, gdy oba kąty wynoszą 0 stopni i promień biegnie prosto. Przez załamanie basen wydaje się płytszy, a łyżeczka w wodzie złamana.

Sprawdź się!

Co jest bezpośrednią przyczyną załamania światła na granicy dwóch ośrodków?

Promień światła przechodzi z powietrza do wody, padając ukośnie na jej powierzchnię. Jak zachowa się promień załamany?

Promień pada prostopadle na powierzchnię wody. Ile wynosi kąt załamania?

Czym różni się załamanie od odbicia?

Dlaczego basen oglądany z góry wydaje się płytszy, niż jest w rzeczywistości?

Następny temat

Soczewki skupiające