ŚWIATŁO I JEGO ROLA W PRZYRODZIE

I. Optyka geotermalna

W tym rozdziale poznasz właściwości światła widzialnego, prawa

rządzące jego rozchodzeniem się w przestrzeni oraz sposoby

wykorzystania tych praw przez człowieka.

1. Własności światła

Za pomocą receptorów fal elektromagnetycznych, jakimi są nasze oczy,

możemy zaobserwować fale elektromagnetyczne, których długość

zawiera się w przedziale od 0,4µm do 0,8µm. Dolnej granicy długości

odpowiada fala, którą zarejestrujemy jako światło fioletowe, a górnej

- fala rejestrowana jako światło czerwone. Pomiędzy tymi skrajnymi

barwami światła widzialnego można zarejestrować światło o różnych

długościach fali, a tym samym o różnych barwach. Widmo ciągłe światła

widzialnego przedstawiono na rycinie 9.1. Prędkość, z jaką światło

rozchodzi się w próżni, jest stała, niezależna od barwy. Jej wartość jest

równa 299792458 m/s i oznaczamy ją symbolem c .

Ośrodki, które będą przepuszczały światło, nazywamy ośrodkami

przezroczystymi. Ośrodki, przez które światło nie przejdzie, nazywamy

ośrodkami nieprzezroczystymi. Na przykład szklana szyba jest ośrodkiem

przezroczystym dla światła, a nieprzezroczystym dla nadfioletu i

podczerwieni (ryc. 9.2).

W zależności od ośrodka, a więc od właściwości substancji, z której jest

wykonany, zmienia się prędkość światła.

Wielkością, która opisuje optyczne właściwości substancji jest

bezwzględny współczynnik załamania, określający stosunek prędkości

światła w próżni do prędkości światła w ośrodku:

n=c/v

gdzie:

c – prędkość światła w próżni,

v – prędkość światła w ośrodku.

Jeżeli światło napotka na swojej drodze przeszkodę wykonaną z

substancji dla niego nieprzezroczystej, to za tym ciałem powstanie

obszar nieoświetlony (ryz. 9.3). Obszar ten nazywamy zaćmieniem.

W rzeczywistości oprócz cienia można zaobserwować półcień. Jest to

obszar oświetlony przez część światła emitowanego ze źródła (ryz. 9.3).

Zasady optyki geometrycznej:

Światło rozchodzi się po liniach prostych, prostopadłych do czoła

fali (promienie światła).

Światło w ośrodku przeźroczystym rozchodzi się z mniejszą

prędkością niż w próżni, v=c/n , gdzie n jest współczynnikiem

załamania światła.

Współczynniki załamania

2. Prawa optyki geometrycznej.

a) Prawo odbicia

Jeżeli światło pada na powierzchnię

zwierciadła, to odbija się od niego

tak, że promień padający i odbity

leżą w jednej płaszczyźnie, oraz że

kąt padania równy jest kątowi odbicia.

b) Prawo odbicia (Snelliusa)

Opisuje zmianę kierunku biegu promienia światła przy przejściu

przez granicę między dwoma ośrodkami przezroczystymi o różnych współczynnikach

załamania.

Rycina 9.4 przedstawia powiększenie drogi, którą przebył promień 2. Jak

widać, kąt odbicia, zawarty między promieniem odbitym a prostą prostopadłą do powierzchni odbijającej, jest równy kątowi padania,

zawartemu między promieniem padającym a prostą prostopadłą do płaszczyzny odbijającej.

Tajemnicza powierzchnia odbijająca, o której już kilka razy była mowa to

wypolerowana powierzchnia, na przykład metalu, którą nazywamy

zwierciadłem.

Zwierciadło płaskie to takie, w którym powierzchnia odbijająca jest

płaszczyzną. W przypadku zwierciadeł sferycznych powierzchnia

odbijająca jest fragmentem sfery. Gdy promienie świetlne są odbijane

przez wewnętrzną część sfery, mówimy o zwierciadle wklęsłym (ryc.

9.5a), a gdy odbijane są przez część zewnętrzną, mówimy o zwierciadle

wypukłym (ryc. 9.5b).

Opis otrzymywania obrazków w zwierciadle sferycznym wymaga

wprowadzenia kilku nowych pojęć. Rycina 9.6a przedstawia wiązkę

promieni świetlnych, równoległych do osi symetrii zwierciadła (oś

optyczna zwierciadła wklęsłego), padających na zwierciadło wklęsłe.

Promienie po odbiciu przecinają się w jednym z punkcie. Punkt ten

nazywamy ogniskiem zwierciadła. W przypadku zwierciadła wklęsłego

ognisko jest nazwane rzeczywistym, tworzą je bowiem promienie odbite.

Odległość ogniska od zwierciadła jest równa połowie promienia

krzywizny zwierciadła – nazywamy ją ogniskową i oznaczamy f .

Gdy wiązka promieni równoległych do osi optycznej pada na

zwierciadło wypukłe (ryc. 9.6b), promienie odbite się nie przecinają, lecz

tworzą wiązkę promieni rozbieżnych. Przedłużenia promieni odbitych

przecinają się w punkcie za zwierciadłem. Punkt ten nazywamy

ogniskiem pozornym. Pozornym, ponieważ nie jest wynikiem przecięcia

się promieni odbitych. Odległość ogniska pozornego od zwierciadła jest

także równa połowie promienia krzywizny zwierciadła.

Zależność między odległościami przedmiotu od zwierciadła – x,

obrazu przedmiotu od zwierciadła – y a ogniskową zwierciadła

wklęsłego - f ma postać: 1

𝑥+

1

𝑦=

1

𝑓

Równanie to nazywamy równaniem zwierciadła wklęsłego.

3. Zjawisko załamania światła.

Załamanie polega na zakrzywieniu promieni świetlnych przy

przechodzeniu z jednego ośrodka do innego, przy czym:

kiedy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do

rzadszego, to załamuje się od normalnej (prostej prostopadłej do

powierzchni rozgraniczającej ośrodki wystawionej w miejscu

przechodzenia promienia świetlnego) – rycina

kiedy przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do optycznie

gęstszego załamuje się do normalnej – rycina

Promień padający na granicę dwóch ośrodków nosi nazwę promienia

padającego, a promień przechodzący do drugiego ośrodka nazywamy promieniem załamanym. Kąt, który tworzy promień padający z normalną nazywamy kątem padania i, a kąt między promieniem załamanym, a

normalną nazywamy kątem załamania r. Stwierdzono, że promień padający, załamany i normalna leżą w jednej płaszczyźnie. Jest

to pierwsze prawo załamania. Gdy kąt padania jest równy 00 (promień padający jest prostopadły do granicy dwóch ośrodków), to kąt załamania też wynosi 00 (promień nie zmienia kierunku przy przejściu do drugiego

ośrodka). Wykonajmy eksperyment. Weź jakieś naczynie (najlepiej duży garnek) i

połóż na środku dna monetę. Następnie powoli przesuwaj głowę w dół, aż moneta zniknie Ci z oczu. Teraz nie ruszając głowy, nalewaj do

garnka wodę, aż w pewnym momencie znów zobaczysz monetę! Ale moneta wydaje się być teraz większa i umieszczona bliżej niż w

Ryc. 9.7. Załamanie światła na granicy

ośrodków: powietrze - woda

Ryc. 9.8. Załamanie światła na granicy

ośrodków: szkło - woda

rzeczywistości. Zjawisko to nosi nazwę latającej monety. Zachodzi ono

na skutek załamywania przez wodę promieni odbitych od monety w wodzie, dzięki temu możemy ją zobaczyć.

Łatwo stwierdzić doświadczalnie, że, gdy rośnie kąt padania, wzrasta

również kąt załamania. Jednakże, jaki jest związek między tymi kątami,

nie udało się odkryć przez bardzo długi okres czasu. Już bowiem

Ptomeleusz, żyjący w drugim wieku naszej ery usiłował zbadać to

zjawisko. Między innymi zajmowali się załamaniem światła: polski filozof

Witellio, jak również słynny astronom Kepler. Lecz dopiero

holenderskiemu matematykowi Snelliussowi, żyjącemu w XVII wieku,

udało się odkryć drugie prawo załamania światła. Brzmi ono

następująco: stosunek sinusów kąta padania światła w pierwszym

ośrodku i załamania w drugim: sin(i) / sin(r) jest dla danych dwóch

ośrodków wielkością stałą i równą współczynnikowi załamania drugiego

ośrodka względem pierwszego.

Gdzie:

i – kąt padania,

r - kąt załamania,

n1 - współczynnik załamania materiału pierwszego

względem powietrza,

n2 - współczynnik załamania materiału drugiego względem powietrza,

n2,1 - współczynnik załamania materiału drugiego względem pierwszego.

Prawo to pozwala nam, przewidzieć zachowanie się promieni na granicy

dwóch określonych ośrodków, jest także używane do identyfikacji

substancji na podstawie ich współczynnika załamania.

W Tabeli przedstawiono niektóre współczynniki załamania różnych

ośrodków względem powietrza

Przejście światła przez pryzmat, rozszczepienie światła białego Światło po wyjściu z pryzmatu nie jest białe, ale zawiera wszystkie

barwy tęczy:

Zawsze, niezależnie od kąta padania światła, kolor czerwony odchyla

się najmniej od swojego pierwotnego kierunku, fioletowy najbardziej, a

pozostałe barwy zajmują miejsca pośrednie pomiędzy tymi skrajnymi

kolorami:

4. Soczewki

Soczewką nazywamy ciało przezroczyste dla światła, ograniczone z obu

stron powierzchniami kulistymi lub z jednej strony kulistą, a z drugiej

płaską. W zależności od tego, czy soczewka jest grubsza, czy cieńsza w

środku będzie skupiać, bądź rozpraszać światło. Zatem soczewki dzielimy

na: skupiające (dwuwypukłe, płaskowypukłe, wklęsłowypukłe) i

rozpraszające (dwuwklęsłe, płaskowklęsłe i wypukłowklęsłe):

Ryc. 9.9. Rozszczepienie światła białego przez

pryzmat

Ryc. 9.10. Rodzaje soczewek:

- soczewki skupiające (a - dwuwypukła, b - płaskowypukła, c - wklęsłowypukła)

- soczewki rozpraszające (d - dwuwklęsła, e - płaskowklęsła, f - wypukłowklęsła)

Środkiem krzywizny soczewki O, będziemy nazywać środek kuli, której

powierzchnia ogranicza soczewkę, a promieniem krzywizny r będzie

promień tej kuli. Główną osią optyczną będzie linia prosta przechodząca

przez środki krzywizny soczewki. Ogniskiem rzeczywistym soczewki

skupiającej F będziemy nazywać punkt, w którym przetną się promienie

równoległe do głównej osi optycznej po przejściu przez soczewkę.

Ogniskiem pozornym soczewki rozpraszającej będzie punkt przecięcia się

przedłużenia promieni równoległych po przejściu przez soczewkę

rozpraszającą:

Przyjmuje się, że każda soczewka cienka posiada dwa ogniska położone

po obu jej stronach w równych od niej odległościach. Odległość ogniska

od środka soczewki to ogniskowa f. Promień równoległy do głównej osi

optycznej soczewki po przejściu przez soczewkę skupiającą skupia się w

ognisku i odwrotnie, każdy promień przechodzący przez ognisko, po

przejściu przez soczewkę jest równoległy do jej głównej osi optycznej.

Ryc. 9.11. F - ognisko, f - ogniskowa, soczewek: skupiającej i rozpraszającej

Ryc. 9.12. Promienie wychodzące z ogniska, po przejściu przez

soczewkę, są równoległe do jej osi optycznej.

Obrazy tworzone przez soczewki.

Soczewki skupiające tworzą obrazy pozorne i rzeczywiste. Obrazy

rzeczywiste powstają wtedy, gdy przedmiot znajduje się w odległości

większej niż ogniskowa. Obrazy rzeczywiste można zobaczyć

umieszczając z drugiej strony soczewki ekran. Obrazy rzeczywiste są

zawsze odwrócone. Jeśli przedmiot jest umieszczony między ogniskiem,

a środkiem krzywizny, to utworzony obraz będzie powiększony, a jeśli

przedmiot umieścimy za środkiem krzywizny, to utworzony obraz będzie

zmniejszony:

5. Barwa światła

Ryc. 9.13. Na rysunku widać obraz rzeczywisty świeczki.

Jego rozmiar zależy od odległości soczewki od świecy.

W doświadczeniu można było zaobserwować, że biała kartka

widziana jest w takim samym kolorze, jak kolor światła, którym

jest oświetlona, natomiast kartki kolorowe odbijały światło tylko

we własnym kolorze, czyli czerwona – czerwone, niebieska –

niebieskie itd. Zjawisko to nazywamy odbiciem selektywnym.

Należy pamiętać, że światło jest falą elektromagnetyczną,

zatem padając na ośrodek, oddaje mu swą energię. Energia ta

przekazywana jest atomom tworzącym ośrodek. Jeśli

częstotliwość drgań fali pozwoli pobudzić do drgań elektrony w

ośrodku, to pochłonięta przez ośrodek energia spowoduje

zamianę na energię wewnętrzną. Mówimy wtedy o absorpcji

promieniowania. Jeżeli podczas oświetlenia atomy nie zostaną

pobudzone do drgań, to ośrodek zacznie emitować falę o

identycznej częstotliwości.

Doświadczenie 1

Przygotuj cztery kartki: białą, czerwoną i niebieską oraz zieloną oraz źródło

światła, które będzie mogło emitować światło w kolorach: czerwonym,

niebieskim, zielonym i białym. Gdy oświetlisz białą kartkę kolorem

czerwonym, to zobaczysz kartkę czerwoną, gdy niebieskim – niebieską, a

zielonym – zieloną. Co zaobserwujesz, gdy w ten sam sposób będziesz

oświetlać inne kartki? Jak wytłumaczysz to zjawisko?

Gdy tarcza spoczywała, było na niej widać wiele kolorów. Gdy

zaczęła się obracać, miała kolor biały. Zatem kolor biały jest

złożeniem wielu kolorów. To wyjaśnia, dlaczego kartka z

poprzedniego doświadczenia (Doświadczenie 1) była raz

zielona, raz niebieska, raz czerwona.

Doświadczenie 2

Przymocuj do wirownicy kolorową

tarczę. Następnie wpraw wirownicę

w ruch obrotowy. Jaki teraz jest

kolor tarczy?