Łyżka w szklance wygląda na złamaną.
Teraz zróbmy eksperyment. Weź jakieś naczynie (najlepiej duży garnek) i połóż na środku dna monetę. Teraz powoli przesuwaj głowę, aż moneta zniknie ci z oczu. Teraz nie ruszając głowy, nalewaj do garnka wodę. Kiedy w garnku będzie wystarczająco dużo wody, znowu będziesz mógł zobaczyć monetę! Ale moneta wydaje się być większa i umieszczona bliżej niż jest w rzeczywistości. Jest to tzw. efekt latającej monety. Dzieje się tak ponieważ promienie odbite od monety są załamywane, kiedy opuszczają wodę i dzięki temu możemy je zobaczyć.
Efekt latającej monety.
Wielu ludzi chciało znaleźć geometryczną zależność między kątem padania i kątem załamania. Pierwszy był Ptomeleusz, ale jego prawo załamania było prawdziwe jedynie dla niektórych kątów padania. Najlepsze i używane dzisiaj jest prawo Willebrord Snelliussa (stworzone w 1615). Mówi ono, że stosunek sinusów kąta padania i załamania sin(i) / sin(r) jest stały dla określonych materiałów.
gdzie:
i to kąt padania
r to kąt załamania
n1 to współczynnik załamania materiału 1
n2 to współczynnik załamania materiału 2
n12 to współczynnik załamania materiału 1 względem 2
To prawo pozwala nam, przewidzieć zachowanie promieni na granicy dwóch określonych ośrodków, jest także używane do identyfikacji substancji na podstawie współczynnika ich załamania.
Załamanie przez pryzmaty - rozszczepienie
Co się stanie, jeśli światło przejdzie z powietrza do szkła, a następnie do powietrza? Rys. 8 pokazuje promień przechodzący przez szklany prostopadłościan.
Rys. 8 Wiązka światła po przejściu przez szkło biegnie w kierunku równoległym do swojego pierwotnego kierunku.
Możemy zmienić kierunek promienia wychodzącego ze szklą poprzez zmianę kąta nachylenia ścianek względem siebie. Kiedy ścianki przestaną być równoległe, promień wychodzący będzie biegł w innym kierunku. Kawałek szkła bądź plastiku o nierównoległych ściankach nazywamy pryzmatem.
Rys. 9 Światło załamane po przejściu przez pryzmat.
Teoretycznie pryzmat powinien działać tak, jak jest to pokazane na Rys. 9, w rzeczywistości tak nie jest. Dokładniejsze badania pokażą, że nawet, jeśli wiązka padająca składała się z promieni równoległych, to wiązka wychodząca z pryzmatu nie jest już wiązką promieni równoległych (pokazano to na Rys. 10). Aby zrozumieć to zjawisko, które zdaje się być w sprzeczności z prawem załamania, musimy zbadać wiązkę wychodzącą w odpowiednio dużej odległości od pryzmatu. Prosty zestaw do przeprowadzenia tego eksperymentu pokazano na Rys. 11. Bardzo wąska wiązka światła białego pada na pryzmat i okazuje się, że wiązka padająca na ekran nie jest już biała ani wąska, lecz szeroka i niejednolita (w każdym miejscu ma inny kolor). Kolory są podobne do tych, które widzimy w tęczy (czerwony na jednym końcu, fioletowy na drugim). Czerwony odchyla się najmniej od swojego pierwotnego kierunku, fioletowy najwięcej. Rozłożenie światła na jego barwy składowe nazywamy rozszczepieniem, a obraz utworzony na ekranie widmem.
Rys. 10 Promień świetlny zakrzywia się przy przejściu przez pryzmat.
Rys. 11 Rozszczepienie światła białego przez pryzmat.
Rys. 12 Widmo światła białego.
Zakrzywienie światła przy przejściu przez pryzmat zależy od kąta między ściankami pryzmatu, od kąta padania na ściankę pryzmatu, i od współczynnika załamania materiału z którego wykonano pryzmat. Jedyną wielkością, która może się w tym przypadku różnić jest współczynnik załamania. Ale materiał jest przecież w każdym miejscu taki sam, czyli dochodzimy do wniosku, że współczynnik załamania musi zależeć od koloru światła! Sprawdźmy to przy pomocy prostego eksperymentu. Rys. 13 pokazuje prosty zestaw do przeprowadzenia tego badania. Dwie, równoległe wiązki światła są "kolorowane" przez dwa filtry: czerwony i niebieski. Później wiązki są zakrzywiane przez pryzmat i padają na ekran. Okazuje się, że zakrzywione wiązki nie już równoległe, są szersze niż padające, jednak nie są rozszczepione na inne barwy. Z tego płynie także inny wniosek: światło monochromatyczne (jednokolorowe) nie jest rozszczepiane, jest jedynie zakrzywiane.
Jeśli to prawda, to powinniśmy zauważyć rozszczepienie światła przy okazji innych eksperymentów z załamaniem światła. Rzeczywiście, przy dokładnej analizie promienia załamanego możemy dostrzec lekkie rozszczepienie na barwy składowe. Ale ten efekt jest widoczny dopiero przy dużej odległości od miejsca załamania. Pryzmat ma odpowiedni kształt, żeby uwidocznić to zjawisko w większej skali.
Czy można rozszczepione światło przywrócić do poprzedniej postaci. Sprawdźmy to. W wiązkę światła powstałego po rozszczepieniu wąskiej, białej wiązki wkładamy pryzmat o większym kącie między ściankami niż pierwszy pryzmat (jak na Rys. 14). Po przejściu przez drugi pryzmat światło znów staje się białe.
Rys. 13 Światło najpierw jest rozszczepione, później ponownie połączone.
Soczewki
Zjawisko załamania światła znalazło zastosowanie w wielu urządzeniach. Soczewki to niewątpliwie najpopularniejsze z nich. Szczególnie soczewki cylindryczne. Soczewka cylindryczna to kawałek przezroczystego materiału, którego ścianki są częściami koła lub jedna jest częścią koła a druga jest płaska. Linia łącząca środki tych kół lub środek koła i środek soczewki to oś optyczna soczewki. Punkt na osi optycznej soczewki w którym zbiegają się promienie padające równolegle do niej nazywamy ogniskiem soczewki (F). Odległość od środka soczewki do ogniska to ogniskowa (f).
Figure 15 F - ognisko
f - ogniskowa
Promień równoległy do osi optycznej soczewki po przejściu przez soczewkę przechodzi przez ognisko. I odwrotnie, każdy promień przechodzący przez ognisko, po przejściu przez soczewkę jest równoległy do jej osi optycznej.
Rys. 16 Promienie wychodzące z ogniska, po przejściu przez soczewkę, są równoległe do jej osi optycznej.
Obrazy tworzone przez soczewki
Soczewki tworzą obrazy pozorne i rzeczywiste. Obrazy rzeczywiste są tworzone, gdy ciało znajduje się dalej od soczewki niż ognisko. Obrazy rzeczywiste można zobaczyć umieszczając z jednej strony soczewki ekran, a a drugiej przedmiot. Obrazy rzeczywiste są zawsze odwrócone. Jeśli przedmiot jest umieszczony daleko od soczewki, obraz utworzony jest blisko soczewki i jest pomniejszony, zaś jeśli przedmiot umieścimy blisko soczewki, utworzony zostanie obraz powiększony, daleko od soczewki.