Załamanie światła

Wstęp — magiczna słomka

Włóż słomkę do szklanki z wodą i spójrz z boku. Słomka wygląda, jakby była złamana na powierzchni wody! Ale gdy ją wyjmiesz — jest cała. To nie magia, tylko fizyka: zjawisko załamania światła.

W poprzednich lekcjach światło biegło u nas po liniach prostych i odbijało się od powierzchni. Teraz zobaczymy, co się dzieje, gdy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego — na przykład z powietrza do wody.

W tej lekcji dowiesz się:

• na czym polega załamanie światła,
• w którą stronę załamuje się promień przy zmianie ośrodka,
• dlaczego słomka wygląda na złamaną, a woda wydaje się płytsza,
• czym są soczewki i do czego służą.

Czym jest załamanie światła?

Gdy światło przechodzi z jednego przezroczystego ośrodka do drugiego (np. z powietrza do wody albo do szkła), na granicy tych ośrodków zmienia kierunek. To właśnie załamanie światła.

Załamanie światła to zmiana kierunku biegu promienia światła przy przejściu z jednego ośrodka przezroczystego do drugiego.

Dlaczego tak się dzieje? Bo światło porusza się w różnych ośrodkach z różną prędkością. W powietrzu biegnie najszybciej, w wodzie wolniej, a w szkle jeszcze wolniej. Ta zmiana prędkości na granicy powoduje „skręt" promienia.

Jak przy odbiciu, pomaga nam normalna — prosta prostopadła do granicy ośrodków w punkcie załamania.

• Kąt padania ($\alpha$) — kąt między promieniem padającym a normalną.
• Kąt załamania ($\beta$) — kąt między promieniem załamanym a normalną.

W którą stronę załamuje się światło?

Zapamiętaj prostą zasadę:

• Gdy światło wchodzi do ośrodka gęstszego optycznie (np. z powietrza do wody), zwalnia i zbliża się do normalnej — kąt załamania jest mniejszy od kąta padania ($\beta < \alpha$).
• Gdy światło wchodzi do ośrodka rzadszego optycznie (np. z wody do powietrza), przyspiesza i oddala się od normalnej — kąt załamania jest większy ($\beta > \alpha$).

Rys. 1. Wchodząc do wody (ośrodka gęstszego), światło zbliża się do normalnej.

Poeksperymentuj — zmieniaj kąt padania i obserwuj, jak załamuje się promień:

Wskazówka pamięciowa: gęstszy ośrodek → bliżej normalnej. Woda i szkło „przyciągają" promień do normalnej.

Dlaczego słomka wygląda na złamaną?

Teraz rozumiemy już magiczną słomkę. Światło biegnące od zanurzonej części słomki załamuje się, gdy wychodzi z wody do powietrza. Do naszego oka trafia więc pod innym kątem niż światło od części nad wodą.

Nasz mózg zakłada, że światło biegło prosto — dlatego widzi zanurzoną część słomki „przesuniętą". Efekt: słomka wygląda na złamaną dokładnie na powierzchni wody.

Rys. 2. Słomka wygląda na złamaną, bo światło z jej zanurzonej części załamuje się na powierzchni wody.

Pozorna głębokość — uwaga na wodę!

Z tego samego powodu woda wydaje się płytsza, niż jest naprawdę. Światło od ryby (albo od dna) załamuje się przy wyjściu z wody i trafia do naszego oka tak, jakby przychodziło z wyżej położonego punktu.

Rys. 3. Załamanie światła sprawia, że ryba (i dno) wydają się bliżej powierzchni.

Dlatego rzeka albo basen zawsze są głębsze, niż wyglądają z brzegu. To ważna wiedza dla bezpieczeństwa: nigdy nie skacz do wody, której głębokości nie znasz!

Soczewki — załamanie w praktyce

Skoro światło można załamywać, to można je też celowo skupiać albo rozpraszać. Służą do tego soczewki — przezroczyste kawałki szkła lub plastiku o zaokrąglonych powierzchniach.

• Soczewka skupiająca (grubsza w środku) załamuje równoległe promienie tak, że schodzą się w jednym punkcie — ognisku. Używamy jej w lupie, aparacie, okularach dla dalekowidzów.
• Soczewka rozpraszająca (cieńsza w środku) rozprasza promienie na boki. Stosuje się ją w okularach dla krótkowidzów.

Soczewka skupiająca potrafi zebrać promienie Słońca w jednym punkcie — dlatego przez lupę można podpalić kartkę papieru. To dowód, że światło niesie energię.

Zadanie krok po kroku

Nurek świeci latarką z wody w stronę powierzchni. Czy przy wyjściu do powietrza promień zbliży się do normalnej, czy się od niej oddali?

Krok 1. Ustalamy kierunek: światło biegnie z wody (ośrodek gęstszy) do powietrza (ośrodek rzadszy).

Krok 2. Przypominamy zasadę: wchodząc do ośrodka rzadszego, światło oddala się od normalnej.

Odpowiedź: Promień oddali się od normalnej, czyli kąt załamania będzie większy od kąta padania.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Załamanie to to samo co odbicie." Nie. Przy odbiciu światło wraca do tego samego ośrodka. Przy załamaniu światło przechodzi do drugiego ośrodka i zmienia kierunek.
2. „Światło zawsze zbliża się do normalnej." Tylko gdy wchodzi do ośrodka gęstszego. W drugą stronę (do rzadszego) — oddala się.
3. „Basen jest tak głęboki, jak wygląda." Woda zawsze jest głębsza, niż się wydaje — to skutek załamania światła.
4. „Słomka naprawdę się gnie w wodzie." To tylko złudzenie optyczne. Słomka jest prosta — załamuje się światło, nie słomka.

Podsumowanie

• Załamanie światła to zmiana kierunku promienia przy przejściu do innego ośrodka; przyczyną jest zmiana prędkości światła.
• Do ośrodka gęstszego (woda, szkło) światło wchodzi, zbliżając się do normalnej ($\beta < \alpha$); do rzadszego — oddalając się ($\beta > \alpha$).
• Załamanie tłumaczy złudzenia: złamaną słomkę i pozorną (mniejszą) głębokość wody.
• Soczewka skupiająca zbiera promienie w ognisku, rozpraszająca je rozprasza.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — zadania o kierunku załamania (do/od normalnej), obliczenia odchylenia promienia, złamana słomka i soczewki: Załamanie światła — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Odbicie światła — jak światło odbija się od lustra?
• Pryzmat i rozszczepienie światła — dlaczego pryzmat robi tęczę?
• Światło i źródła światła — jak rozchodzi się światło?