Zjawisko odbicia zachodzi, gdy wiązka światła pada na powierzchnię odbijającą. Odbicie (regularne, czyli zwierciadlane) polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali świetlnej na granicy środowisk bez jej przejścia do drugiego środowiska.
Kolorem czerwonym oznaczono promień padający, kolorem zielonym promień odbity, linią przerywaną — normalną powierzchni odbijającej.
powierzchnia odbijająca
Prawo odbicia mówi, że kąt odbicia równy jest kątowi padania i oba te kąty leżą w jednej płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni odbijającej w miejscu padania fali.
Fala odbita niesie zazwyczaj tylko część energii fali padającej. Stosunek energii fali odbitej do padającej nazywamy współczynnikiem odbicia fali świetlnej r:
gdzie I0 oznacza natężenie fali padającej, a Ir — natężenie fali odbitej.
Współczynnik ten może być wyrażany również w procentach.
Jeżeli I0 jest równe Ir, zachodzi tak zwane całkowite odbicie. Powierzchnię odbijającą w ten sposób nazywamy doskonałym zwierciadłem.
Załamanie promienia świetlnego zachodzi, gdy światło pada na granicę dwóch przezroczystych ośrodków, z których każdy ma inną przepuszczalność (tzn. fale świetlne mają w nim inną prędkość).
β
α
Promień padający pod kątem α do tzw. normalnej padania (umowna linia prostopadła do powierzchni, na którą pada światło) po przejściu granicy ośrodków zmienia kierunek i biegnie pod kątem β.
Kąt β wzrasta ze wzrostem kąta α, kąty te jednak nie są do siebie proporcjonalne. Wprost proporcjonalne są do siebie sinusy kątów α i β.
Iloraz sinusów tych dwóch kątów jest stały dla każdego układu dwóch środowisk. Jest on nazywany względnym współczynnikiem załamania światła n środowiska drugiego względem pierwszego (n1→2).
Wykazane zostało, że wartość współczynnika n jest zarazem ilorazem prędkości światła w ośrodku pierwszym do prędkości światła w ośrodku drugim. Jest to prawo załamania światła:
Z powyższego zapisu wynika, że:
Jeżeli środowiskiem pierwszym jest próżnia, a drugim dowolna inna substancja, na której granicę pada światło, współczynnik załamania wynosi:
Dla dowolnej substancji współczynnik n jest w takim przypadku większy od zera, ponieważ w żadnym środowisku światło nie ma prędkości większej niż w próżni. Współczynnik ten nazywamy bezwzględnym współczynnikiem załamania światła.
Na podstawie wartości tego współczynnika możemy przewidzieć zachowanie się promienia na granicy dowolnych dwóch środowisk. Im większy n, tym większa optyczna gęstość środowiska, a zatem przechodząc ze ośrodka o mniejszym n do ośrodka o n większym światło będzie załamywało się do normalnej padania — i odwrotnie.
Względny współczynnik załamania światła n1→2 na granicy między tymi środowiskami obliczamy ze wzoru:
gdzie n2 i n1 są bezwzględnymi współczynnikami załamania światła obu ośrodków.
UKŁADY I PRZYRZĄDY OPTYCZNE
SOCZEWKI CIENKIE
Soczewkami nazywamy ciała przezroczyste ograniczone dwoma wycinkami powierzchni zakrzywionych. Najczęściej są to powierzchnie kuliste. Środki tych powierzchni kulistych (O1 i O2) nazywamy środkami krzywizn soczewki, a promienie (r1 i r2) — promieniami krzywizny. Uważamy je za dodatnie, jeżeli rozpatrywana powierzchnia jest wypukła, a za ujemne w przypadku powierzchni wklęsłej. Jedna z powierzchni soczewki może też być płaska — wówczas odpowiedni promień uważamy za nieskończenie wielki. Prosta przechodząca przez punkty O1 i O2 jest nazywana główną osią optyczną soczewki.
Jeżeli na dwuwypukłą soczewkę, np. szklaną, ustawioną w powietrzu rzucimy wiązkę światła równoległą do osi optycznej, to po załamaniu stanie się ona wiązką zbieżną i wszystkie załamane promienie przetną oś optyczną w ognisku F. Taką soczewkę nazywamy skupiającą — ma ona dwa ogniska, znajdujące się na osi optycznej symetrycznie po obu jej stronach.
W analogicznej sytuacji soczewka dwuwklęsła przekształci wiązkę równoległą w rozbieżną. Promienie załamane nie przetną się po wyjściu z soczewki. Przecinają się jednak ich przedłużenia, tworząc na osi optycznej po przeciwnej stronie tzw. ognisko pozorne F’. Taką soczewkę nazywamy rozpraszającą. Podobnie jak poprzednia, ma ona dwa symetrycznie rozmieszczone ogniska pozorne.
Warto dodać, że po umieszczeniu soczewki w środowisku o współczynniku załamania większym od materiału, z którego ją wykonano, jej właściwości optyczne ulegają zmianie — soczewka dwuwklęsła skupia promienie świetlne, soczewka dwuwypukła zaś rozprasza je.
Każda soczewka posiada ponadto pewien szczególny punkt, leżący na osi optycznej i mający taką właściwość, że biegnący przezeń promień świetlny nie zmienia swojego kierunku. Nazywamy go optycznym środkiem soczewki (O). Nie musi on znajdować się wewnątrz soczewki (jest tak np. w soczewkach wypukło-wklęsłych i wklęsło-wypukłych).
Odległość OF lub OF’ nazywamy ogniskową soczewki f. Ogniskowa jest wielkością charakteryzującą każdą soczewkę. Zależy od niej wzajemny stosunek odległości przedmiotu (x) i jego obrazu (y) od soczewki. Ogniskowa soczewki skupiającej jest dodatnia, rozpraszającej — ujemna.
F’
F
Ze względu na grubość soczewki dzielimy na cienkie i grube. Soczewkami cienkimi nazywamy takie, których grubość jest mała w porównaniu z czynną średnicą i z ogniskową soczewki. Wzajemne zależności wartości x, y i ogniskowej f dla tych soczewek charakteryzuje następujący wzór, nazywany wzorem soczewkowym:
gdzie f jest ogniskową soczewki,
x — odległością przedmiotu od środka optycznego soczewki;
y — odległością obrazu od środka optycznego soczewki;
n — względnym współczynnikiem załamania światła soczewki względem ośrodka otaczającego;
a r1 i r2 są promieniami krzywizny soczewki.
KONSTRUKCJA OBRAZÓW W SOCZEWKACH CIENKICH
Na wszystkich poniższych rysunkach kolorem ciemnoniebieskim oznaczony został przedmiot, a kolorem czerwonym — jego obraz. Ogniska soczewki zaznaczone są kropkami na osi optycznej.
Soczewki skupiające:
1. Przedmiot znajduje się w odległości x > 2f od optycznego środka soczewki:
Uzyskany obraz jest: rzeczywisty (znajduje się po przeciwnej stronie soczewki niż przedmiot), pomniejszony i odwrócony.
2. Przedmiot znajduje się w odległości x = 2f od optycznego środka soczewki:
Uzyskany obraz jest: rzeczywisty, naturalnej wielkości i odwrócony.
3. Przedmiot znajduje się w odległości 2f > x > f od optycznego środka soczewki:
Uzyskany obraz jest: rzeczywisty, powiększony i odwrócony.
4. Przedmiot znajduje się w odległości x = f od optycznego środka soczewki:
Obraz nie powstaje. Przedmiot znajduje się w jednym z ognisk soczewki. Po przejściu przez soczewkę promienie biegną równolegle do siebie i nigdzie się nie przecinają.
5. Przedmiot znajduje się w odległości x < f od optycznego środka soczewki:
Uzyskany obraz jest: pozorny (znajduje się po tej samej stronie soczewki, co przedmiot), powiększony i prosty.
Soczewki rozpraszające:
Uzyskany obraz jest: pozorny, pomniejszony i prosty.
ZDOLNOŚĆ SKUPIAJĄCA SOCZEWKI I UKŁADU SOCZEWEK
Zdolnością skupiającą (zbierającą) lub rozpraszającą soczewki nazywamy następującą wielkość D:
Zdolność skupiająca soczewki może być dodatnia (soczewki skupiające) lub ujemna (soczewki rozpraszające). Jej wartość wyrażamy w dioptriach (D). Liczba dioptrii jest równa odwrotności ogniskowej (wyrażonej w metrach).
Zdolność skupiająca układu wielu soczewek cienkich, umieszczonych tuż obok siebie, jedna za drugą, na wspólnej osi optycznej, jest sumą zdolności zbierających poszczególnych soczewek (które mogą przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne):
Jeżeli natomiast układ stanowią dwie soczewki cienkie ustawione w odległości d od siebie, to je...
dave22