Odraz a lom
Optika – Základní pojmy – Odraz a lom světla
Při šíření světla z jednoho prostředí do jiného, dochází k dopadu světla na
rozhraní těchto dvou prostředí. Světlo se na rozhraní odráží, ale může také
proniknout z prvního prostředí do druhého. Říkáme, že na rozhraní dvou prostředí
dochází k odrazu a lomu světla.
Odraz světla (reflexe)
V místě dopadu světla na rozhraní vztyčíme kolmici dopadu k k tomuto rozhraní,
kterou nazýváme kolmice dopadu. Úhel α, který svírá paprsek dopadajícího
světla s kolmicí dopadu, nazýváme úhel dopadu.
Úhel α´, který svírá paprsek odraženého světla s kolmicí dopadu, je úhel
odrazu. Rovina dopadu je určena paprskem dopadajícího světla a kolmicí dopadu.
Pro odraz světla platí zákon odrazu: Velikost úhlu odrazu α´ se rovná velikosti
úhlu dopadu α, paprsek dopadajícího i odraženého světla leží v rovině dopadu.
Při odrazu se nemění rychlost světla, nebot' celý děj probíhá
v jednom prostředí.
Lom světla (refrakce)
K lomu světla dochází na rozhraní dvou prostředí, proniká-li světlo z jednoho
prostředí do prostředí druhého. Úhel dopadu označíme α. Úhel
β, který svírá lomený paprsek s kolmicí dopadu, nazýváme úhel lomu.
Lomený paprsek zůstává v rovině dopadu.
Pro lom světla platí Snellův zákon lomu: Poměr sinu
úhlu dopadu a sinu úhlu lomu je pro danou dvojici prostředí stálá veličina,
která je určena podílem rychlostí světla v obou prostředích (ve stejném pořadí).
Snellův zákon můžeme napsat ve tvaru:
,
kde v1 je rychlost světla v prvním prostředí a v2
je rychlost světla v druhém prostředí.
Jestliže dosadíme do Snellova zákona vztah pro index lomu,
pak dostaneme Snellův zákon ve tvaru:
.
Je-li n1 < n2 (v1 > v2),
pak jde o lom světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího. Ze Snellova
zákona vyplývá α > β. Úhel lomu β je menší
než úhel dopadu α, říkáme,
že nastal lom ke kolmici.
Je-li n1 > n2 (v1 < v2),
pak jde o lom světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího. Ze Snellova
zákona vyplývá α < β. Úhel lomu β je větší než úhel
dopadu α, říkáme,
že nastal lom od kolmice.
Úplný odraz světla
Jestliže světlo proniká z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky řidšího,
nastává lom od kolmice a s rostoucím úhlem dopadu α se zvětšuje i úhel lomu
β. Při určitém, tzv. mezním úhlu dopadu αm,
dosáhne úhel lomu
největší možné hodnoty β = 90°. Úhel αm je největší úhel,
při kterém ještě nastává lom světla a lomený paprsek splývá s rozhraním.
Při větších úhlech dopadu než je αm již světlo do druhého prostředí
nepronikne. A takovému ději říkáme úplný odraz světla. Při úplném odrazu se odráží
všechno dopadající světlo.
Hodnotu αm určíme ze vztahu:
tedy 
.
Šíření vlnění v izotropním prostředí – Huygensův princip
V izotropní prostředí je rychlost vlnění ve všech směrech stejná.
Z bodového zdroje se vlnění za dobu t dostane na myšlenou kulovou plochu o
poloměru r =vt, kde v je rychlost vlnění v daném
prostředí. Tuto kulovou plochu nazýváme vlnoplocha. Je to množina bodů, v nichž
má vlnění v daném časovém okamžiku stejnou fázi.
Rovinná vlnoplocha vzniká, je.li zdroj vlnění rovinný nebo bodový, ale
ve velké vzdálenosti.
Paprsek je myšlená přímka, která je kolmá k vlnoploše a určuje směr
šíření vlnění.
Huygensův princip umožňuje určit tvar vlnoplochy v libovolném okamžiku,
jestliže známe tvar vlnoplochy v okamžiku předcházejícím – „Každý bod vlnoplochy,
do kterého dospělo vlnění v určitém časovém okamžiku můžeme pokládat za zdroj
elementárního vlnění, které se z něj šíří v elementárních vlnoplochách, vlnoplocha
v dalším časovém okamžiku je vnější obalová plocha všech elementárních vlnoploch.“
Uvedená teorie popisuje nejen chování světla na rozhraní dvou prostředí,
ale platí obecně pro vlnění.
Jak použít aplet?
Aplet aktivujete kliknutím levého tlačítka myši do okna apletu.
Jak nastavit hodnotu úhlu dopadu:
Klikněte tlačítkem myši na černou tečku, která je umístěna nahoře v apletu a táhněte.
Hondota úhlu dopadu, odrazu a lomu se zobrazí v animaci.
Z nabídky si můžete vybrat vlnění a prostředí, kterými se bude vlnění šířit.
V rámečku n2/n1 se pak
zobrazí hodnota poměru indexů lomu v daných prostředích.
Při lomu z hustšího do řidšího prostředí nastává lom od kolmice,
může nastat totální odraz.
Z řidšího do hustšího nastává vždy odraz i lom.
Z nabídky si také můžete vybrat zvuk, který se šíří ze vzduchu do vody.
Protože se zvuk pohybuje ve vodě rychleji než ve vzduchu, nastává lom od kolmice.
Pokud si zvolíte prostředí se stejnými indexy lomu, nedochází k lomu ani
odrazu, vlnění se šíří beze změny směru.
V nabídce si můžete sami zadat, jakými prostředími se bude vlnění šířit,
do boxíku n2/n1 napište hodnotu
poměru indexů lomu. Desetiny nutno oddělit desetinnou tečkou.
Příklady indexů lomu některých optických prostředí, ve ktrerých se šíří světlo:
led 1,31, voda 1,33, diamant 2,42, běžné sklo 1,50, vakuum 1 a tuto hodnotu má
přibližně i vzduch, ethylalkohol 1,36.
Speciálně na rozhraní dvou prostředí můžeme pozorovat animaci Huygensova principu.
Pro zpomalení animace klikejte na tlačítko Zpomalit.
Pro zrychlení animace klikejte na tlačítko Zrychlit.
Zkuste kliknout na pravé tlačítko myši a pak klikat na levé, tak můžete
sledovat jednotlivé kroky animace.
Jak animaci pozastavit?
Kliknutím na pravé tlačítko myši se animace pozastaví, budete muset kliknout
ještě jednou, aby pokračovala.
Kliknutím na levé tlačítko myši se animace pozastaví, když je uvolníte,
bude znovu pokračovat.
Prosím ignorujte první boxík vlevo nahoře. (Volbou parametrů v boxíku
dochází k lomu a odrazu vlny, která je polarizovaná, v animaci se bohužel
vypisuje hodnota, která je špatně nastavena.)
Odkazy k teorii:
http://www.sweb.cz/radek.jandora/f18.htm
- zákon odrazu a lomu
http://optika.kuratkoo.net/odraz.htm
- zákon odrazu a lomu
Odkazy na jiné aplety:
http://www.walter-fendt.de/ph14cz/refraction_cz.htm
- aplet na téma odraz a lom světla
http://www.walter-fendt.de/ph14cz/huygenspr_cz.htm
- aplet na téma odraz a lom vlnění, Huygensův princip
http://kdf.mff.cuni.cz/~jitka/map/
- na této adrese se nachází množství fyzikálních apletů,
v kapitole vlny a vlnění najdet aplet na téma odraz a lom vlnění