Lom světla

1. Lom světla (Učebnice strana 104 – 108) Sluneční světlo se od vodní hladiny částečně odráží a částečně proniká do vody. V čisté vodě jezera můžeme pozorovat rostliny, živočichy, nerosty či jiné předměty. Na obrázku vidíme odraz pádla na hladině. Část pádla pod hladinou vypadá, jakoby pádlo bylo zlomené. Světlo se šíří ve vakuu rychlostí c = 300 000 km/s, ve vzduchu je rychlost šíření světla téměř stejně velká jako ve vakuu. V ostatních látkových prostředích je rychlost světla menší než ve vakuu. Led 229 000 km/s Voda 225 000 km/s Sklo 200 000 km/s Diamant 124 000 km/s Prochází-li světlo z jednoho prostředí do druhého, pak se na rozhraní obou prostředí mění jeho rychlost. Změna rychlosti má za následek změnu směru světelného paprsku. Říkáme, že se světlo láme.

2. Lom světla je optický jev, ke kterému dochází na rozhraní dvou prostředí, kterými světlo prochází. Je důsledkem různých rychlostí šíření světla v různých prostředích Ze dvou prostředí se to, ve kterém se světlo šíří větší rychlostí, nazývá opticky řidší prostředí, a to, ve kterém se světlo šíří menší rychlostí, se nazývá opticky hustší prostředí. V látkových prostředí se světlo šíří rychlostí v, která je vždy nižší než rychlost světla ve vakuu c. Podíl těchto rychlostí je roven indexu lomu daného prostředí n, tj. n = c/v. V důsledku toho dochází na rozhraní látek s různými hodnotami n k lomu světla. Tabulka indexu lomu látky, který udává, kolikrát je rychlost světla v látce menší, než rychlost světla ve vakuu:

3. kolmice na optické rozhraní Dopadá-li světelný paprsek kolmo na optické rozhraní, projde beze změny směru. vzduch zdroj světelného paprsku Úhel dopadu značíme α, úhel lomu značíme β. Úhel lomu β měříme od kolmice na optické rozhraní. Dopadá-li světelný paprsek kolmo na optické rozhraní, je úhel dopadu α roven 0, i úhel lomu β je roven 0. optické rozhraní sklo α = 0, β = 0

4. Ve vzduchu se šíří světlo větší rychlostí než ve skle. kolmice na optické rozhraní Světelný paprsek ze vzduchu, kde se šíří větší rychlostí, dopadá na optické rozhraní pod úhlem α. vzduch zdroj světelného paprsku Ve skle je rychlost šíření světelného paprsku menší, láme se pod úhlem β, který je menší než úhel dopadu α. α Paprsek se přiblíží ke kolmici, říkáme, že dochází k lomu ke kolmice. Paprsek zůstává v rovině dopadu. Platí α > β. β optické rozhraní sklo Při průchodu paprsku ze skla zpět do vzduchu dopadá světelný paprsek kolmo na rozhraní, proto projde beze změny směru.

5. Ve skle se šíří světlo menší rychlostí než ve vzduchu. kolmice na optické rozhraní Na skleněnou hranu dopadá světelný paprsek kolmo, proto projde beze změny směru. sklo zdroj světelného paprsku Světelný paprsek ze skla, kde se šíří menší rychlostí, dopadá na optické rozhraní pod úhlem α. α Ve vzduchu je rychlost šíření světelného paprsku větší, láme se pod úhlem β, který je větší než úhel dopadu α. β optické rozhraní Paprsek se vzdálí od kolmice, říkáme, že dochází k lomu od kolmice. Paprsek zůstává v rovině dopadu. Platí α < β. vzduch

6. Na rovinném rozhraní dvou optických prostředí nastává lom světla. vzduch Prostupuje-li paprsek do prostředí, ve kterém se světlo šíří menší rychlostí, např. ze vzduchu do skla nebo do vody, nastane lom paprsku ke kolmici, α > β. α sklo β optické rozhraní Prostupuje-li paprsek do prostředí, ve kterém se světlo šíří větší rychlostí, např. ze skla nebo z vody do vzduchu, nastane lom paprsku od kolmice, α < β. sklo α β Lomený paprsek zůstává vždy v rovině dopadu. optické rozhraní vzduch

7. Pokus: Do prázdné nádoby vložíme minci nebo kamínek tak, abychom ho ze šikmého pohledu shora přes hranu nádoby neviděli. Do nádoby nalijeme vodu. Kamínek uvidíme, aniž bychom pohnuli hlavou. Zdá se, jakoby byl v nádobě s vodou výš než v prázdné nádobě. Je to proto, že světelný paprsek se dostává z kamínku (nebo mince) k nám do oka po průchodu vodou a vzduchem. Na rozhraní vody a vzduchu se láme od kolmice. Proto pozorujeme předmět na jiném místě než ve skutečnosti je. β β α α Lomu světla se využívá v optických čočkách, které jsou základem mnoha optických přístrojů, brýlí, lupy, fotografických přístrojů, mikroskopů i dalekohledů.

8. kolmice na optické rozhraní Bude-li se úhel dopadu  při lomu od kolmice zvětšovat, bude se zvětšovat i úhel lomu . Při určité velikosti úhlu dopadu  (pro optické rozhraní sklo – vzduch je  přibližně 42°) je úhel lomu  roven 90°, se paprsek láme do rozhraní. sklo zdroj světelného paprsku α α Tento úhel nazýváme mezní úhel m. Pro optické rozhraní voda – vzduch je mezní úhel m přibližně 49°. β optické rozhraní Při dalším zvětšování úhlu dopadu  se žádné světlo už do vzduchu neláme, všechno světlo se odráží. vzduch Při úhlu dopadu  větším než je mezní úhel m, nastává úplný odraz.

9. Úplného odrazu světla se používá u skleněných optických vláken, která vedou světelné paprsky nesoucí informace (je to energeticky levnější způsob přenosu informací než klasický měděný vodič a elektrický proud). Světelný paprsek nemůže opustit skleněné vlákno, protože úhel dopadu na okraj vlákna je větší než mezní úhel. Optické vlákno je válečkový dielektrický vlnovod, který přenáší světlo podél svojí osy procesem úplné vnitřní reflexe (odrazu). Vlákno je složeno z jádra obklopeného tenkou vrstvou. K vazbě optického signálu na jádro musí být lomivý index jádra vyšší, než má obal.

10. Optická vlákna se používají pro stavbu telekomunikačních sítí, protože jsou ohebná a mohou být svázána do svazků jako kabely. Jsou výhodná zejména na dlouhé vzdálenosti, protože světlo prochází přes vlákno s malým útlumem ve srovnání s elektrickými kabely s kovovými vodiči. Kromě toho můžeme dosahovat rychlosti přenosu až 111 Gb/s. Každé vlákno může přenášet mnoho nezávislých signálů, každý s použitím jiné vlnové délky světla. Vytváření sítí na krátké vzdálenosti pomocí optických kabelů, jako například v budově, šetří prostor v kabelovém vedení, protože jediné vlákno může přenášet mnohem více dat než jeden elektrický kabel. Optické kabely umožňují přenos obrovského množství informací (tvoří např. základ celosvětové sítě internetu). Signály přenášené optickými kabely mají digitální podobu a do optického kabelu jsou vyzařovány optoelektronickým zařízením, které převádí elektrický signál na optický. Optické kabely nejsou elektricky vodivé.

11. Optická vlákna se používají také v endoskopu (v lékařství na prohlížení vnitřností). Světlo, které vchází do konce jednoho svazku, je podrobeno mnohonásobnému úplnému odrazu uvnitř vláken. Ačkoli je svazek vláken různě prohnutý, světlo osvítí vnitřek žaludku. Část světla odraženého vnikne do druhého svazku vláken a vyjde ven, kde vytvoří obraz na monitoru, který lékař pozoruje. Senzory s optickými vlákny umožňují měřit řadu fyzikálních veličin obvykle s vyšší přesností a citlivostí, než to dovolovala stávající čila. Příkladem může být vláknové čidlo na měření tlaku, teploty, vzdálenosti, indexu lomu, chemické koncentrace některých látek v ovzduší apod.

12. Optický hranol je další optická součástka, která může využívat úplný odraz světla. Optický hranol je zpravidla skleněný kolmý trojboký hranol, jehož podstavou je rovnoramenný trojúhelník. Optický hranol má dvojí použití: • odrazný hranol • rozkladný hranol Odrazný hranol je vybroušen do takového tvaru, aby světlo dopadalo na vnější povrch hranolu kolmo, ale na vnitřní stěnu pod úhlem 45°, kdy nastává úplný odraz světla. Použití odrazných hranolů má řadu výhod. Energetické ztráty úplným odrazem jsou daleko menší, než při odrazu na zrcadle; odrazivost se u odrazných hranolů během času téměř vůbec nezhoršuje; nevznikají dvojité obrazy; odrazné plochy jsou pevné, svírají neproměnné úhly apod. Odrazné hranoly jsou součástí řady optických přístrojů, např. triedru, některých typů mikroskopů, hledáčků kamer apod.

13. Paprsek dopadající na stěnu hranolu kolmo, touto stěnou projde beze změny. Na další stěnu dopadá pod úhlem 45°, tedy větším než je mezní úhel pro rozhraní sklo – vzduch a dochází tedy k úplnému odrazu. Při tomto odrazu dochází k převrácení obrazu předmětu jako v rovinném zrcadle. ② ② ①  ③  ①    ③ ③   ① ②  ① ② ③ 1 3 ② 1 ③ 3 ① 1 ① 1 3 ③ 3 2 ② 1 2 2 3 1 3

14. Při určité velikosti úhlu dopadu  (pro optické rozhraní sklo – vzduch je  ≐ 42°, pro optické rozhraní voda – vzduch je  ≐ 49°) je úhel lomu  roven 90°, se paprsek láme do rozhraní. Tento úhel nazýváme mezní úhel m. Při úhlu dopadu  větším než je mezní úhel m, nastává úplný odraz. Principu úplného odrazu světla se využívá u skleněných optických vláken, u endoskopu (v lékařství na prohlížení vnitřností), u odrazného optického hranolu (v triedru, mikroskopu a pod.) V roce 1672 dokázal Isaac Newton, že se bílé světlo skládá z barevných světel. Dopadá-li na hranu skla svazek paprsků bílého světla, zobrazí se v určitém místě řada na sebe navazujících barevných proužků. Po jednom lomu není rozklad světla příliš patrný, protože paprsky barevného světla svírají velmi malý úhel (řádově desetiny stupně). Proto se pro rozklad bílého světla používá vícenásobný lom na několika optických rozhraních. Nejčastěji se používá rozkladný optický hranol vyrobený ze skla.

15. Na lámavých plochách optického hranolu se světlo láme dvakrát, a proto je odchylka barevných složek bílého světla od původního směru větší než při lomu na jednom rozhraní. Paprsek stejnobarevného světla, např. červeného, dopadá na rozhraní vzduchu a skla a láme se ke kolmici. β2 α1 α2 β1 Po průchodu skleněným hranolem dopadá paprsek na rozhraní skla a vzduchu a láme se od kolmice. Na hranol dopadá paprsek bílého (slunečního ) světla. Bílé světlo je složeno ze všech barev světla, každá barva se šíří jinou rychlostí. Díky tomu se při lomu bílé světlo rozloží na jednotlivé barevné složky – hranolové světelné spektrum.

16. Bílé denní světlo se hranolem rozloží na spektrum, v němž jsou zastoupeny všechny barvy odpovídající složkám světla v posloupnosti: červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová. Pořadí barev je vždy stejné. Nejméně se láme červené světlo, nejvíce světlo fialové. Sluneční světlo je složeno ze všech spektrálních barev. Při průchodu skleněným hranolem se rozkládá na jednotlivé barevné složky, vzniká spojité hranolové spektrum. Rozklad slunečního světla můžeme pozorovat při dopadu světla na hranu skla nebo na vrstvu vody („vodní hranol“).

17. Na principu lomu světla je založen i vznik duhy. Duhu pozorujeme nejlépe, když máme Slunce za zády, nízko nad obzorem a v prostoru před námi prší. zvětšená dešťová kapka Sluneční světlo se láme na kapkách vody. Paprsky, které přicházejí do našeho oka z rozličných kapek a jsou stejně odchýleny od směru paprsků dopadajících na kapky, vytvářejí oblouk téže barvy. Proto vidíme duhu jako barevný oblouk s vnitřním okrajem fialovým a vnějším okrajem červeným.

18. Vložíme-li mezi hranol a stínítko desku z čirého skla, stopa na stínítku se nezmění. Mezi hranol a stínítko vkládáme postupně různá barevná skla. Barevná skla propouštějí jen některé barvy, červené sklo jen červenou část spektra, zelené zelenou část spektra a při vložení modrého skla pozorujeme jen modrou část spektra. Ostatní části spektra jsou tmavé. Čiré prostředí, jakým je čiré sklo, propouští všechna barevná světla. Barevné průhledné prostředí, jakým jsou barevná skla, propouští jen některé barvy.

19. Rajče má v denním světle červenou barvu, citron žlutou barvu. Rajče pohltí všechny složky dopadajícího bílého slunečního světla a odráží nebo rozptyluje jen červenou složku, kterou vnímá naše oko. Citron odráží jen žlutou složku a ostatní pohlcuje. Osvětlíme-li rajče zeleným světlem, vidíme, že je rajče téměř černé. Ani citron osvětlený modrou barvou není žlutý. Barva těles závisí také na tom, jakým světlem jsou osvětlena.

20. Podél spektra na stínítku posouváme proužek bílého papíru. Bílý proužek papíru má vždy barvu světla, které na něj právě dopadá. Podél spektra na stínítku posouváme proužek matného černého papíru. Černý proužek papíru při dopadu kterékoliv barvy zůstává černý. Červený proužek papíru má červenou barvu jen v červené části spektra. Žlutý proužek papíru má žlutou barvu jen ve žluté části spektra, v modré části spektra se zdá téměř černý. Barva neprůhledných těles závisí na barvě dopadajícího světla. Barva neprůhledného tělesa je dána tím, jakou barvu těleso odráží nebo rozptyluje a jakou pohlcuje. Barva těles také závisí na tom, přes jaké prostředí je pozorujeme. Použijeme-li různobarevná sklíčka (filtry), přes červené sklo projdou jen odstíny červené barvy, zelené listy odrážejí a rozptylují jen zelené světlo.

21. V přírodopise jste se dozvěděli, že barvy rozlišujeme díky třem druhům světločivných buněk čípků, které jsou na povrchu sítnice. Na jedny z nich působí nejvíce červené světlo, na druhé zelené a na třetí modré. Jsou-li podrážděny všechny druhy stejně, vnímáme bílé světlo. Ostatní barvy vnímáme při různém podráždění jednotlivých druhů čípků. Jednoduchým pokusem se můžeme přesvědčit, že bílé světlo vnímáme jak při složení všech spektrálních barev tak při složení tří základních barev – červené, zelené a modré. Roztočíme-li kotouč, jehož jednotlivé výseče jsou vybarveny spektrálními barvami, vnímá naše oko díky setrvačnosti všechny výseče najednou, barvy se skládají a výsledný vjem je bílá barva. Stejný výsledek dostaneme, když roztočíme kotouč rozdělený na tři výseče – červenou, zelenou a modrou.

22. Složením světel základních barev – červené, zelené a modré – vznikne bílá barva. Stejně tak se v našem oku skládají základní barvy. Tyto tři barvy jsou také základem obrazovek televizorů a monitorů počítačů. Vhodným smícháním a uspořádáním těchto tří barev lze získat jakoukoliv barvu, laděním barev lze změnit vzhled obrázku. Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 108 – 109.