Chování světla
Geometrická optika pokládá světlo vyzařované ze světelného zdroje za svazek paprsků šířících se prostorem. Světelné paprsky jsou znázorněny jako přímky a na ně lze aplikovat geometrické zákony. Užitím geometrické optiky jako modelu můžeme popsat chování světla při odrazu a lomu.
Index lomu n
Jak bylo zmíněno již v předchozí kapitole, index lomu je poměr rychlosti světla ve vakuu k rychlosti světla v daném materiálu. Index lomu je vždy větší než 1. Opticky hustší prostředí má větší index lomu n, než prostředí řidší. Index lomu vakua je roven 1, to znamená, že světlo se v něm šíří rychlostí světla. V ostatních prostředích se světlo šíří pomaleji. Tuto závislost lze popsat vztahem:
v = c/n [ m/s ]
v rychlost šíření v daném prostředí [ m/s ]
c rychlost světla ve vakuu [2,997925·108 m/s ], často také
3·108/1,5 [ m/s ]
n index lomu prostředí [ - ]
Odraz světla
Uvažujme jednoduchý paprsek, který se šíří přímočaře, dokud se nepotká s jiným optickým prostředím. Bude-li tímto prostředím odrazná plocha, dojde k odrazu paprsku. Úhel, pod kterým dopadá paprsek na plochu, se nazývá úhel dopadu a měříme jej od kolmice spuštěné na odraznou plochu v bodě dopadu světla. Stejně se měří i úhel odrazu. Odraz světla je vyobrazen na obrázku.
Obr. 1: Odraz světla
Pravidla odrazu:
-
úhel odrazu xr se rovná úhlu dopadu xi
-
dopadající paprsek, kolmice i odražený paprsek leží v jedné rovině
Dopadne-li světelný paprsek na jiné prostředí, může dojít ke třem jevům:
-
část světla může být odražena
-
část světla může být pohlcena (přeměněna na teplo)
-
část světla může novým prostředím projít
V případě dopadu světla na dokonalé zrcadlo je veškeré dopadající světlo odraženo. Takové zrcadlo ale neexistuje, proto dochází vždy ke ztrátám části světelné energie.
Lom světla
Přechází-li světelný paprsek z jednoho prostředí do druhého s rozdílnou hustotou (například ze vzduchu do skla), část světla může vstoupit do druhého prostředí a změnit směr. Toto světlo prochází z prostředí řidšího do prostředí hustšího – láme se ke kolmici, to znamená, že úhel xr je menší než úhel xi. Lom světla je znázorněný na obrázku.
Obr. 2: Lom světla
Paprsek dopadá na skleněnou plochu pod úhlem xi, lomící se paprsek se šíří sklem pod úhlem xr. Část dopadajícího světla se odráží zpět do původního prostředí – tento částečný odraz se nazývá Fresnelův odraz. Bude-li světlo procházet opačným směrem z prostředí hustšího do prostředí řidšího, budou se paprsky lámat od kolmice a úhel xr bude větší než xi .
Snellův zákon
Definuje vztah mezi úhly dopadu a odrazu:
ni · sin xi = nr · sin xr
ni, nr indexy lomu prostředí [ - ]
Zdroje
Obrázky:
- Obr. 1: Archiv autora
- Obr. 2: Archiv autora
- Obr. 3: Autor neznámý. www.google.cz [online].[cit. 31.10.2014]. Dostupný na WWW https://www.google.cz/search?q=rozklad+sv%C4%9Btla&rlz=1C1KMZB_enCZ520CZ563&espv=2&biw=1014&bih=608&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=hkK2VOOQKsHxaseqgjg&ved=0CAYQ_AUoAQ#imgdii=_&imgrc=TSxYU93LWmCT1M%253A%3BKaMaQWE3Op5pSM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.3dsoftware.cz%252Fupload%252Fimages_forum%252Fhranol.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.3dsoftware.cz%252F3dportal%252Fforum-detail.aspx%253Fv%253D16935%3B277%3B174
Příklad
Zadání:
Za jak dlouho oběhne zeměkouli informace poslaná optickou linkou?
Řešení:
Obvod zeměkoule je: 6378 km . 2 . 3,14 = 40053,8 km (to je asi 40000km)
Rychlost šíření je: 200000 km/s
Čas oběhu zeměkoule: t = s/v = 40000/200000 = 0,2 s
Informace vyslaná optickou linkou oběhne zeměkouli za 0,2 sekundy.
Obrázek
Obr. 3: Rozklad světla optickým hranolem
Řešený příklad
Příklad:
Vypočítejte rychlost šíření světla v optickém prostředí z křemičitého skla s indexem lomu n = 1,5.
Řešení:
v = c/n [ m/s ]
v = 3·108/1,5
v = 2·108
v = 200 000 [km/s ]
Rychlost šíření světla v daném prostředí je 200 000 kilometrů za sekundu.
