Spis treści. Od Autorów... 7

Transkrypt

1

2

3 Spis treści Od Autorów... 7 Drgania i fale Ruch zmienny Drgania Fale mechaniczne Dźwięk Przegląd fal elektromagnetycznych Podsumowanie Optyka Odbicie światła Zwierciadła kuliste Załamanie światła Soczewki Przyrządy optyczne Podsumowanie Szarym paskiem zaznaczono treści wykraczające poza Podstawę programową. Nauczyciel może je pominąć lub realizować, o ile pozwoli mu na to czas.

4

5 Załamanie światła Postaw filiżankę na stole, a następnie do jej dna (od środka) przyklej plasteliną monetę. Patrząc z góry na monetę, powoli odsuwaj od siebie filiżankę, aż znajdzie się ona w takim położeniu, że przestaniesz widzieć monetę. Wtedy napełnij filiżankę wodą (staraj się przy tym nie poruszyć głową). Zapisz wynik obserwacji. Zjawisko załamania światła. Ołówek widoczny na zdjęciu obok wygląda tak, jakby był złamany na granicy powietrza i wody. Jest to złudzenie. Aby wyjaśnić jego przyczyny, zbadamy, co się dzieje z kierunkiem biegu promieni, gdy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, na przykład z powietrza do szkła. Ołówek zanurzony w wodzie wygląda tak, jakby był złamany. Skieruj światło wskaźnika laserowego na przezroczystą bryłę w kształcie połowy walca tak, aby promień padał pod kątem 0 czyli prostopadle na płaską powierzchnię bryły. Stopniowo zwiększaj kąt padania i obserwuj, jak się zmienia kąt załamania. Zanotuj swoje obserwacje. Uwaga. Do doświadczenia idealnie nadają się tanie wskaźniki laserowe stosowane na przykład w budownictwie. Po włączeniu wskaźnika widać czerwoną linię można też zauważyć wszelkie zmiany jej kierunku, gdy trafia ona w szkło. Jak widać na zdjęciu, część światła padającego na szkło odbija się od niego (promień odbity), a część przechodzi do szkła (to tzw. promień załamany). 66

6 Kierunek rozchodzenia się światła w szkle jest inny niż kierunek światła padającego na szkło. Zmiana kierunku rozchodzenia się światła przy jego przejściu z jednego ośrodka do drugiego jest nazywana załamaniem światła. Kąt między promieniem załamanym a prostą prostopadłą do powierzchni rozdzielającej ośrodki jest nazywany kątem załamania światła i najczęściej oznaczany grecką literą β. Odbicie i załamanie światła. Jeżeli zwiększymy kąt, pod którym rozchodzące się w powietrzu światło lasera pada na powierzchnię szkła, to kąt załamania światła też wzrośnie (ale nadal będzie mniejszy od kąta padania). Jeżeli kąt padania światła, na przykład na szkło, wynosi 0 (tzn. promień jest prostopadły do powierzchni szkła), to zjawisko załamania nie zachodzi: światło przechodzi z powietrza do szkła bez zmiany kierunku rozchodzenia się. Jeżeli światło przechodzi ze szkła do powietrza (i kąt padania światła jest różny od 0 ), to kąt padania jest mniejszy od kąta załamania. Im większy kąt, pod którym pada światło, tym większy kąt załamania światła. W tej sytuacji kąt padania jest mniejszy od kąta załamania. Gdyby w naczyniu nie było wody, nie widzielibyśmy monety. Załamanie światła przechodzącego z wody do powietrza powoduje wrażenie, że zanurzone w niej przedmioty są wyżej niż w rzeczywistości. Dlatego w doświadczeniu domowym po nalaniu wody do filiżanki można było zobaczyć monetę, choć wcześniej brzeg filiżanki ją zasłaniał. To, co widzieliśmy po nalaniu wody, było obrazem pozornym monety (zob. rysunek zamieszczony obok). Wrażenie, że ołówek zanurzony w wodzie jest złamany, również jest konsekwencją zjawiska załamania światła. Od czego zależy załamanie światła? Za pomocą wskaźnika laserowego można sprawdzić, jak załamuje się światło przy przejściu z ośrodka, w którym porusza się ono wolniej (czasami mówimy wówczas o ośrodku optycznie gęstszym), do ośrodka, w którym porusza się szybciej (wtedy mówimy o ośrodku optycznie rzadszym), i na odwrót. 67

7 Przeprowadźcie kolejne doświadczenie z bryłą w kształcie połowy walca. Ma ona tę zaletę, że jeśli tylko promień światła trafi w nią w sposób pokazany na zdjęciu, to załamie się on przy przejściu przez bryłę tylko raz na płaskiej powierzchni. Przez zakrzywioną powierzchnię przejdzie bez załamania, ponieważ pada na nią prostopadle. Dzięki temu można łatwo badać zależności między kątami padania i załamania promienia świetlnego. Skierujcie światło wskaźnika tak, aby jego promień przechodził przez środek półkola, przy czym raz powinien padać na powierzchnię zakrzywioną, a raz na płaską. Zbadajcie, kiedy kąt padania promienia jest większy od kąta załamania, a kiedy mniejszy. Zapiszcie wnioski. Okazuje się, że jeżeli prędkość światła przy przekraczaniu granicy dwóch ośrodków maleje, to kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania. Jeśli prędkość światła rośnie jest na odwrót. Na przykład: prędkość rozchodzenia się światła w wodzie jest większa niż w szkle, dlatego gdy światło przechodzi ze szkła do wody, kąt załamania jest większy od kąta padania (zob. rysunek). W tej sytuacji kąt załamania światła jest większy od kąta padania. Jeśli światło rozchodzące się na przykład w powietrzu pada na powierzchnię dwóch różnych ośrodków pod takim samym kątem, to kąt załamania światła będzie większy w tym ośrodku, w którym prędkość światła jest większa. Na przykład, gdy światło pada na powierzchnię wody pod kątem 30, kąt załamania wynosi około 22, a gdy pada pod kątem 30 na powierzchnię szkła kąt załamania wynosi około 20. ZESZYT ĆWICZEŃ str. 36 ĆWICZENIE 1. Prędkość światła w diamencie wynosi około 125 tys. km s, w szkle 200 tys. km s. a) Czy kąt załamania światła przechodzącego z diamentu do szkła będzie większy czy mniejszy od kąta padania? b) Światło biegnące w powietrzu pada na powierzchnię diamentu i powierzchnię szkła pod jednakowymi kątami. W którym z tych ośrodków w diamencie czy w szkle kąt załamania światła będzie większy? 68

8 Całkowite wewnętrzne odbicie. Jeśli światło rozchodzące się w powietrzu pada na powierzchnię wody, to zawsze jego część ulega załamaniu, a część odbiciu. Jeśli natomiast światło rozchodzące się w wodzie dotrze do granicy między wodą a powietrzem, to może się zdarzyć, że nie przejdzie ono do powietrza, lecz w całości ulegnie odbiciu. Na poniższym rysunku pokazano kilka promieni świetlnych wysyłanych przez lampę umieszczoną pod wodą. Promień 1 częściowo odbija się od powierzchni granicznej woda powietrze, a częściowo przechodzi do powietrza. Wraz ze zwiększaniem się kąta padania światła rośnie kąt załamania. Promień 2 załamuje się pod kątem 90. Kąt padania światła, przy którym kąt załamania wynosi 90, nazywamy kątem granicznym. Jeżeli kąt padania światła jest większy od kąta granicznego, to światło nie wydostaje się nad powierzchnię wody. Kąt padania promienia 3 jest większy od kąta granicznego i promień ten odbija się w całości. Zjawisko takie nosi nazwę całkowitego wewnętrznego odbicia. Może ono zachodzić tylko wówczas, gdy światło trafia na granicę z ośrodkiem, w którym rozchodzi się szybciej niż w ośrodku danym, a kąt padania jest większy od kąta granicznego. Na tylnej ściance szklanego graniastosłupa zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie. ĆWICZENIE 2. Prędkość światła w wodzie wynosi około 225 tys. km s, a w szkle 200 tys. km s. W której sytuacji może zajść całkowite wewnętrzne odbicie: gdy światło dociera do granicy między szkłem i wodą od strony wody czy od strony szkła? Współczynnik załamania światła. Współczynnik załamania światła dla danego ośrodka to liczba, która mówi, ile razy prędkość światła w danym ośrodku jest mniejsza od prędkości światła w próżni. Po oznaczeniu tego współczynnika literą n możemy zapisać n = c v. Na przykład prędkość światła w wodzie wynosi około 225 tys. km s, a w próżni około 300 tys. km s. Zatem współczynnik załamania światła dla wody (w skrócie: współczynnik załamania wody) wynosi n = c v = 300 tys. km s : 225 tys. km s = 1,33. Współczynnik załamania powietrza wynosi około 1,0003, dlatego najczęściej przyjmuje się, że jest on równy jedności. 69

9 Wiemy już, że o tym, jak załamuje się światło na granicy dwóch ośrodków, decydują prędkości światła w obu tych ośrodkach. Na podstawie znajomości współczynników załamania poszczególnych ośrodków można określić, w którym ośrodku prędkość światła jest większa. Na przykład współczynnik załamania szkła (1,5) jest większy od współczynnika załamania wody (1,33), co oznacza, że prędkość światła w szkle jest mniejsza niż w wodzie. ĆWICZENIE 3. Współczynnik załamania oleju parafinowego wynosi 1,44, a wody 1,33. Czy kąt załamania światła przechodzącego z oleju do wody będzie większy czy mniejszy od kąta padania? Rozszczepienie światła. Z poprzedniego rozdziału wiemy, że fale elektromagnetyczne o różnych częstotliwościach rozchodzą się w danym ośrodku z różnymi prędkościami. Z tego powodu współczynnik załamania danego ośrodka jest różny dla światła o różnych barwach. Na przykład współczynnik załamania wody dla światła czerwonego wynosi około 1,329, a dla światła fioletowego około 1,343. Jeżeli zatem światło padające na powierzchnię wody nie jest jednobarwne, to ponieważ kąty załamania światła o różnych barwach będą się nieco różniły dojdzie do tzw. rozszczepienia światła (zob. rysunki). Mówimy, że światło białe jest mieszaniną barw. W rzeczywistości rozszczepienie światła w wodzie nie jest aż tak wyraźne, jak to pokazano na powyższym rysunku. Do rozszczepienia światła używa się często szklanego graniastosłupa o podstawie trójkątnej, zwanego pryzmatem (zob. zdjęcie obok). Korzystając z pryzmatu, możemy się przekonać, że światło wysyłane przez laser jest światłem jednobarwnym, ponieważ w czasie przechodzenia przez pryzmat nie ulega ono rozszczepieniu. ĆWICZENIE 4. Światło o jakiej barwie: czerwonej czy fioletowej, w wodzie rozchodzi się szybciej? Rozszczepienie światła przechodzącego przez pryzmat. ZESZYT ĆWICZEŃ Zrób to sam, str. 38, 39 Uwaga. W sytuacjach, w których rozszczepienie światła nie będzie miało większego znaczenia dla opisu zjawiska, będziemy podawać jedną wartość współczynnika załamania (na ogół dla światła żółtego). 70

10 ZADANIA Pytania kontrolne (str. 86) Światło lasera pada na powierzchnię cieczy pod kątem 60. Gdy cieczą tą jest olej, kąt załamania wynosi 36, gdy alkohol 40, a gdy woda 41. W którym z wymienionych niżej ośrodków prędkość światła jest najmniejsza? A. w alkoholu C. w oleju B. w wodzie D. w powietrzu 2. Współczynnik załamania diamentu wynosi 2,4. W diamencie prędkość światła (wyrażona w tys. km s ) wynosi: A. 125 B. 225 C. 240 D Przyczyną rozszczepienia światła białego przy przejściu z próżni do szkła jest: A. różna prędkość w próżni fal świetlnych o różnej barwie B. różna prędkość w szkle fal świetlnych o różnej barwie C. większa prędkość światła w szkle niż w próżni D. większa częstotliwość światła w szkle niż w próżni 4. Na zdjęciach przedstawiono bieg promienia światła padającego na ściany dwóch różnych pryzmatów. a) Sporządź w zeszycie rysunki odpowiadające sytuacjom pokazanym na zdjęciach. b) W punktach 2 i 3 narysuj kąty padania i odbicia światła. Podpisz je odpowiednio ff i ff 0. c) W punktach 5 i 6 narysuj kąty padania i załamania światła. Podpisz je odpowiednio ff i fi. d) W których punktach zachodzi zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia? e) Podaj miary kątów padania światła w punktach 1 i Jeżeli światło przechodzi na przykład z wody do powietrza, to współczynnik załamania światła zmienia się skokowo na granicy między dwoma ośrodkami. Możemy wówczas zaobserwować gwałtowną zmianę kierunku rozchodzenia się światła. Jeżeli natomiast współczynnik załamania światła zmienia się stopniowo, to kierunek rozchodzenia się światła zmienia się płynnie, w sposób pokazany na rysunkach. Takie sytuacje występują na przykład w powietrzu nad powierzchnią Ziemi, jeżeli powietrze ma różną gęstość tuż przy powierzchni i w wyższych warstwach. Im większa gęstość powietrza, tym wolniej porusza się w nim światło. Podane poniżej opisy przypisz do odpowiedniego rysunku. a) Gdy świeci Słońce, silnie rozgrzewa się asfalt, a od niego dolne warstwy powietrza. Ogrzane powietrze rozszerza się i dlatego współczynnik załamania światła w tej warstwie się zmniejsza. b) Im bliżej powierzchni Ziemi, tym większa jest prędkość rozchodzenia się światła. c) Im wyżej nad Ziemią, tym współczynnik załamania światła jest mniejszy. d) Zazwyczaj przy powierzchni Ziemi powietrze ma większą gęstość. 6. Znajdź informacje na temat tego, czym są światłowody i jakie mają zastosowania. 71

11 Często gdy w oddali pada jeszcze deszcz, a jednocześnie świeci już Słońce, można zobaczyć na niebie tęczę. Zdarza się też, że mała tęcza powstaje w pobliżu zraszacza trawnika lub przy fontannie. Jak powstaje tęcza? Gdzie i kiedy można ją zaobserwować? Czy zwróciliście uwagę także na drugi łuk tęczy? Aby zaobserwować tęczę, przede wszystkim trzeba stanąć tyłem do Słońca. Im jest ono niżej nad horyzontem, tym większy łuk tęczy można zobaczyć (warto zauważyć, że środek łuku znajdzie się na przedłużeniu prostej łączącej Słońce z nami). Zatem gdybyśmy mieli możliwość dowolnego przemieszczania się, tak aby horyzont nie przysłaniał nam widoku tęczy, to w którymś momencie powinniśmy zobaczyć cały wielobarwny okrąg. Ciekawostką jest, że tak właśnie mogłaby wyglądać tęcza widziana z okien lecącego samolotu (przy odpowiednim jego położeniu). Jak powstaje tęcza? Białe światło słoneczne wpada do kropli wody, załamuje się i jednocześnie ulega rozszczepieniu. Promienie świetlne, które trafiają do naszego oka po jednokrotnym odbiciu wewnątrz kropli deszczu, dają obraz tęczy głównej, natomiast te, które odbiją się dwukrotnie tworzą tęczę wtórną. Rysunek obrazuje bieg promieni tworzących tęczę pierwotną. Rysunek pokazuje powstanie tęczy wtórnej. 1. Jaką częścią okręgu jest tęcza widziana w czasie wschodu lub zachodu Słońca? 72

12