Odbicie światła

Myślę, że każdy z Was przynajmniej raz w życiu widział siebie w lustrze. Ale czy kiedykolwiek zastanawiał się jak ono działa? Postarajmy się wyjaśnić na czym polega zjawisko zwane odbiciem światła.
Oglądane przez nas przedmioty są widoczne dzięki temu, że odbijają światło, które na nie pada. Zwierciadło o gładkiej, płaskiej powierzchni zwane jest zwierciadłem płaskim (np. lusterko, wypolerowane metale, powierzchnie cieczy).
Zobaczmy jak zwierciadło płaskie odbija światło: Ustawmy kartkę białego papieru prostopadle do powierzchni odbijającej zwierciadła i wyślijmy cienką wiązkę światła na powierzchnię lustra, tak aby "muskała" kartkę. Wiązka wysłana przez nas na lustro nosi nazwę wiązki padającej, a po odbiciu się od lustra wiązki odbitej. Wynik eksperymentu pokazany jest na Rysunku 1.


Rys. 1 Odbicie {promienia}wiązki światła od zwierciadła płaskiego.

Okazuje się, że promień padający, normalna (prosta prostopadła do powierzchni lustra wystawiona w miejscu zetknięcia się z promieniem padającym) i promień odbity leżą w tej samej płaszczyźnie. Zjawisko to nazwano pierwszym prawem odbicia.
Kątem padania nazywamy kąt zawarty pomiędzy promieniem padającym, a normalną wystawioną w punkcie padania światła. Kątem odbicia nazywamy kąt pomiędzy promieniem odbitym, a normalną wystawioną w punkcie padania światła. Zmierzmy teraz kąt odbicia i kąt padania poprzez wstawienie kątomierza zamiast kartki. Możemy powtarzać pomiary dla różnych kątów padania, ale wynik będzie zawsze taki sam: światło odbija się w takim kierunku, że kąt odbicia (o) jest zawsze równy kątowi padania (p). Jest to drugie prawo odbicia.
Rozpraszanie światła
Wszystkie ciała odbijają światło, ale w różnym stopniu w zależnośći od stopnia wygładzenia swojej powierzchni. Jeżeli powierzchnia nie jest idealnie gładka, to mówimy o rozpraszaniu światła. Nawet twoja ręka rozprasza dużą część światła. Jej powierzchnia jest szorstka, więc każdy promień padającej na nią równoległej wiązki światła ma inny kąt padania, a co za tym idzie, także inny kąt odbicia. Zostało to pokazane na rysunku 2.


Rys. 2 {a}Rozproszenie światła

Konstrukcja obrazów przedmiotów powstających w zwierciadłach płaskich

Obejrzyj swoje odbicie w lustrze. Czy wydaje Ci się, że stoi przed Tobą Twój sobowtór? Pomachaj do niego lewą ręką. Którą ręką macha Twój sobowtór? O Twoim obrazie powiemy, że jest pozorny i symetryczny względem przedmiotu.
Zobacz, w jaki sposób się go konstruuje, gdy światło jest wysyłane przez źródło punktowe S:

Rys. 3 S1 to pozorny obraz ciała S w zwierciadle płaskim.

Punkt S wysyła promienie świetlne we wszystkich kierunkach. Oznaczmy część z tych, które padają na powierzchnię zwierciadła (O) jako SA1, SA2, SA3, normalne jako p1, p2, p3 i promienie odbite jako A1B1, A2B2, A3B3. Promienie odbite od zwierciadła są rozbieżne, ale ich przedłużenia przecinają się w jednym punkcie (S1), który nazywamy obrazem pozornym punktu S.
Obraz ciała składa się z obrazów wszystkich swoich punktów, zatem konstrukcja dowolnego przedmiotu (np, strzałki) będzie przebiegać zgodnie z rysunkiem 4.


Rys. 4 Promienie odbite od powierzchni zwierciadła płaskiego docierają do naszych oczu tak, jakby były wysłane ze strzałki A1B1

Zwierciadła płaskie dają obrazy pozorne, o tej samej wielkości co przedmiot i symetryczne względem niego.

Zwierciadła kuliste
Zwierciadło kuliste, jest to zwierciadło, którego powierzchnią odbijającą jest wycinek sfery (np. lusterko boczne samochodu, reflektor w latarce, bombka choinkowa). Środkiem krzywizny takiego zwierciadła nazywamy środek sfery, z której wycięto zwierciadło - O, a promieniem krzywizny - promień tej sfery - r. Linia łącząca środek krzywizny ze środkiem powierzchni odbijającej zwierciadła nosi nazwę głównej osi optycznej zwierciadła.
Wyróżniamy zwierciadła wypukłe i wklęsłe w zależności od tego, która strona zwierciadła jest dla promieni powierzchnią odbijającą.
Promienie równoległe do głównej osi optycznej zwierciadła i biegnące w niewielkiej od niej odległości, po odbiciu od powierzchni zwierciadła wklęsłego skupiają się w jednym punkcie - zwanym ogniskiem zwierciadła, co ilustruje rysunek 5.


Rys. 5. F - ognisko zwierciadła kulistego wklęsłego, O - środek krzywizny zwierciadła, r - promień zwierciadła

Tę własność ogniska wykorzystano w budowie latarki do otrzymania równoległej wiązki światła. W ognisku zwierciadła wklęsłego umieszcza się źródło światła, którego promienie po odbiciu od zwierciadła dają wiązkę równoległą do głównej osi optycznej - rysunek 6.


Rys. 6 Działanie latarki. Żarówka umieszczona w ogniskowej zwierciadła (F) staje się źródłem promieni równoległych.


Obrazy tworzone przez zwierciadła kuliste

Zwierciadła kuliste wklęsłe mogą tworzyć dwa rodzaje obrazów przedmiotów: rzeczywiste lub pozorne. Jeśli przedmiot umieścimy na głównej osi optycznej w odległości większej niż ogniskowa (ogniskowa - f, to odległość ogniska od zwierciadła) to jego obraz będzie rzeczywisty. Możemy go zobaczyć, gdy na głównej osi optycznej zwierciadła umieścimy w odpowiedniej odległości ekran. Obrazy rzeczywiste są zawsze odwrócone, a ich wielkość zależy od odległosći - x przedmiotu od zwierciadła:
  • dla x>2f obraz zmniejszony - rysunek 7
  • dla x>f, ale mniejsze od 2f obraz powiększony - rysunek 9
Obraz dowolnego punktu otrzymujemy przez wykreślenie biegu dwóch spośród trzech promieni padających na zwierciadło:
  1. promienia przechodzacego przez środek krzywizny, który po odbiciu od zwierciadła wraca tą samą drogą
  2. promienia równoległego do głównej osi optycznej, który po odbiciu od zwierciadła przechodzi przez ognisko
  3. promienia przechodzącego przez ognisko, który po odbiciu biegnie równolegle do głównej osi optycznej



Rys. 7 Obraz rzeczywisty, odwrócony, pomniejszony.



Rys. 8 Obraz rzeczywisty, odwrócony, o normalnym rozmiarze.



Rys. 9 Obraz rzeczywisty, odwrócony, powiększony.

Jeżeli skierujemy promienie równoległe do głównej osi optycznej zwierciadła kulistego wypukłego, to po odbiciu od powierzchni zwierciadła utworzą one wiązkę rozbieżną, ale przedłużenia tych promieni przetną się również w jednym punkcie F - zwanym ogniskiem pozornym zwierciadła wypukłego.
Jeśli przedmiot umieścimy na głównej osi optycznej między zwierciadłem wypukłym, a jego ogniskiem (mówimy w odległości mniejszej niż ogniskowa) to jego obraz będzie zawsze pozorny, powiększony i prosty - rysunek 10. Można go zobaczyć patrząc w zwierciadło. Jeśli ciało umieścimy w ognisku, nie zostanie utworzony żaden obraz (wiązka równoległa do głównej osi optycznej).


Rys. 10 Obraz pozorny, prosty, powiększony.


Zwierciadła wypukłe dają zawsze obrazy pozorne, proste i zmniejszone, bez względu na to, w którym miejscu umieścimy przedmiot - rysunek 11.


Rys. 11 Obraz pozorny, prosty, zmniejszony.