5.4 Lom svjetlosti

Optička sredstva i njihova svojstva

Knjiga, drveni stol i zid od cigle neprozirni su, svjetlost kroz njih ne prolazi, s druge strane voda i ulje ili npr. staklo su prozirni. Svjetlost prolazi kroz njih. Međutim, brzina svjetlosti u tim je sredstvima različita.

Optičko sredstvo je prozirna tvar, ili vakuum, kojim se može širiti vidljiva svjetlost.

Optičko sredstvo može biti optički gušće ili optički rjeđe, kažemo da optička sredstva razlikujemo prema njihovoj optičkoj gustoći. Što fotoni svjetlosti i molekule optičkog sredstva više međudjeluju, propusnost optičkog sredstva je manja te kažemo da je njegova optička gustoća veća.

Kao što ste dosad naučili, brzina svjetlosti u vakuumu je najveća, iznosi približno $300000\mathrm{km/s}$ u svakom je drugom optičkom sredstvu brzina svjetlosti manja. Vakuum je optički najrjeđi.

U zraku je brzina svjetlosti u odnosu prema brzini svjetlosti u vakuumu neznatno manja, dok je npr. u dijamantu oko $40\mathrm{\%}$ brzine svjetlosti u vakumu.

Brzina svjetlosti u nekom sredstvu manja je od brzine svjetlosti u vakuumu.

Zašto je brzina svjetlosti u tim različitim optičkim sredstvima različita?

Odgovor na to pitanje je složen, ali možemo reći da brzina svjetlosti u optički prozirnom sredstvu, kraće optičkom sredstvu, ovisi o njegovoj strukturi, načinu kako su u tom sredstvu raspoređeni molekule i atomi. Ovisi i o magnetskim svojstvima materijala, ali i o nekim posebnostima poput jesu li molekule sredstva dipoli i slično.

U prethodnom smo području, proučavajući valove, vidjeli kako se val na vodi lomi pri prelasku iz područja u kojemu je njegova brzina veća u područje u kojemu je njegova brzina manja.

Istu pojavu zamjećujemo pri prelasku svjetlosti iz jednog sredstva u drugo sredstvo.

Je li štap stvarno slomljen ili ne?

Pokus

Pribor: bilo kakva staklena posuda ispunjena vodom, štap

U staklenu posudu ispunjenu vodom uronite štap.

Kako izgleda štap?

Na kojem se mjestu čini slomljenim?

Rješenje

---

Pri prelasku iz vode u zrak ili obrnuto svjetlost mijenja smjer.

Pokus

Pribor: staklena posuda, voda, ulje, štap

U pola staklene posude ulijte vodu, a onda u ostatak posude ulijte ulje. U posudu uronite štap.

Kako izgleda štap?

Na kojima se mjestima čini slomljenim?

Rješenje

---

Proučavajući lom valova na vodi koristili smo se upadnim kutom i kutom loma. Provedimo isti postupak i sa zrakom svjetlosti.

Promotrimo lom svjetlosti na granici zrak – voda.

Obilježimo upadni kut zrake svjetlosti u odnosu prema okomici sredstava s alfa $\alpha ,$ a s ​ $\beta$ beta kut loma. Kako znamo, brzina svjetlosti u zraku veća je od brzine svjetlosti u vodi, zato će se zraka svjetlosti lomiti prema okomici.

Promotrimo lom svjetlosti na granici staklo – voda.

Obilježimo ponovno upadni kut zrake svjetlosti u odnosu prema okomici sredstava s alfa $\alpha ,$ a s ​ $\beta$ beta kut loma.

Kako znamo, brzina svjetlosti u staklu manja je od brzine svjetlosti u vodi, zato će se zraka svjetlosti lomiti od okomice.

Uzrok loma svjetlosti promjena je njezine brzine pri prelasku iz jednog optičkog sredstva u drugo optičko sredstvo.

Ako svjetlost prelazi iz optički rjeđeg u optički gušće sredstvo, lomi se prema okomici.

Tu je upadni kut $\alpha$ veći od kuta loma $\beta .$ $\alpha >\beta$

Ako svjetlost prelazi iz optički gušćeg u optički rjeđe sredstvo, lomi se od okomice. Tu je upadni kut $\alpha$ manji od kuta loma $\beta .$ $\alpha <\beta$

Kutak za znatiželjne

Apsolutni indeks loma nekoga optičkog sredstva je omjer brzine svjetlosti u vakuumu i u nekom sredstvu.

$n=\frac{c}{v}$

Relativni indeks loma dvaju optičkih sredstava je omjer brzine svjetlosti u tim sredstvima.

$n_{\mathrm{1,2}}=\frac{v_1}{v_2}$

vrijedi:

$\frac{v_1}{v_2}=\frac{n_2}{n_1},$

gdje su ​ $v_1$ i ​ $v_2$ brzine u tim sredstvima, a ​ $n_1$ i  $n_2$ apsolutni indeksi loma u tim sredstvima.

Kutak za znatiželjne

Fatamorgana

Već danima lutate užarenom pustinjom, iscrpljeni ste, gladni i žedni. A onda napokon u daljini vidite oazu. Usred oaze vidite jezero, mami vas njegova hladna voda i koristite preostalu snagu za stići tamo. Međutim, ono što vas ondje čeka ponovno je vrući pustinjski pijesak. Oaza i hladna jezerska voda nestale su.

Sigurno ste već negdje pročitali nešto slično, fatamorgane ljudi vide i u pustinjama i na morima. Rezultat je uvijek isti – razočarani putnik. Ono što nas zanima je uzrok te pojave.

Objekte vidimo zato što se od njih odbija svjetlost – u uobičajenim uvjetima pravocrtno. Svjetlost se od objekta odbija u svim smjerovima, okomito odbijena svjetlost završava u oblacima ili svemiru. Jedan od načina za nastanak fatamorgane je ako ta odbijena svjetlost na svojemu putu nailazi na hladni sloj zraka – odbija se i vraća na zemlju.

Nažalost, promatrač na Zemlji u toj će situaciji vidjeti oazu, vodu ili jezero, ali objekt koji vidi nije njemu nadohvat ruke nego udaljen i njemu nedostižan.

Iznad vrućega pustinjskog pijeska postoje i hladni slojevi atmosferskog zraka, koji se ponašaju kao zrcalo. O visini toga hladnog sloja ovisi stvarna udaljenost objekta čiju sliku promatrač vidi.

Drugi uzrok za nastanak fatamorgane može biti topli zrak uz samu površinu, koji je različite gustoće u usporedbi sa slojevima zraka iznad njega.

Potpuna refleksija (odbijanje) svjetlosti

Pri prelasku svjetlosti iz optički gušćeg u optički rjeđe sredstvo imamo zanimljivu situaciju. Naime, tom prilikom se svjetlost dolaskom na granicu odbija, a dijelom lomi. Kako se povećava kut upadne zrake svjetlosti, povećava se i kut loma svjetlosti. 

Kut loma ne može biti veći od $90°,$ tada lomljena zraka i ne bi mogla prijeći u drugo sredstvo. Dakle, postoji granični upadni kut. Ako dalje povećavamo vrijednost upadnog kuta, svjetlost bi se odbijala na granici sredstava te ne bi prešla jednoga optičkog sredstva u drugo optičko sredstvo.

Taj posebni upadni kut nazivamo granični kut potpune refleksije, a pojavu potpuna ili totalna refleksija svjetlosti.

Primjena potpune refleksije svjetlosti

Na simulaciji je prikazan način rada svjetlovoda.

Zraka svjetlosti ulazi na jednom kraju svjetlovoda te se potpuno reflektira o njegove stjenke i na taj način izlazi na drugome kraju svjetlovoda. Grubo možemo reći da se slika prenosi s jednog na drugi kraj svjetlovoda.

Svjetlovodi mogu biti izrađeni od različitih materijala, npr. obična vezica od prozirne plastike ponaša se kao svjetlovod. Materijali od kojih izrađujemo svjetlovode trebaju biti elastični, i što je moguće trajniji.

Svjetlovodi imaju široku primjenu, njima se u medicini promatraju unutarnji organi, može ih se koristiti za prirodno osvjetljavanje prostora – jedan kraj svjetlovoda je npr. na krovu zgrade, a drugi na nekoj razini duboko u tlu.

Njima se koriste i spasilačke službe pri pronalasku unesrećenih u srušenim zgradama (potresi) te policija tijekom akcija nadzora.

Optička vlakna rade na isti način, primjenjujemo ih u komunikaciji i njima prenosimo informacije u obliku svjetlosti na velike udaljenosti, brzo i učinkovito. Optička vlakna imaju sve veću primjenu, a njoj pridonosi njihova velika propusnost.

Projekt

Izradite svoje optičko vlakno.

Istražite različite internetske izvore, optičko vlakno možete izraditi od prozirnoga ribarskog najlona, od tankih plastičnih savitljivih cijevi, tankih staklenih cijevi (oprezno sa staklom; ako radite sa staklom, radite uz nadzor odrasle osobe radi svoje sigurnosti) ili od različitih plastičnih prozirnih materijala.

Kao izvor svjetlosti poslužit će npr, laserski pokazivač, LED dioda i slično.

Projekt

Na internetu istražite rekordne količine podataka i udaljenosti na koje su preneseni u posljednje tri godine. Usporedite podatke koji se odnose na svijet, Europu i na Hrvatsku. Podatke prikažite na satu Fizike i Tehničke kulture.

Projekt

Istražite lom svjetlosti radom u skupinama.

Pribor: ​

• prozirna posuda,
  
• izvor svjetlosti (uskog snopa svjetlosti),
  
• destilirana i obična voda,
  
• šećer,
  
• sol,
  
• sok od višnje,
  
• kutomjer,
  
• olovka,
  
• bilježnica i
  
• povećalo.

Članovi skupine su: voditelj, koji je ujedno odgovoran za postavke pokusa i aparature, učenik promatrač, učenik koji zapisuje rezultate mjerenja, učenik koji provodi matematičke izračune.

Istražite kako se mijenja indeks loma svjetlosti na prelasku voda – zrak. Ispitajte mijenja li se indeks loma ako je voda destilirana, obična, slana ili slatka.

Utječe li koncentracija soli/šećera na indeks loma? Utječe li obojenost vode na indeks loma?

Vaše zaključke neka voditelj skupine iznese razredu. Možete slikati dijelove svojega rada te ih složiti u prezentaciju.

Panparalelna ploča

Kutak za znatiželjne

Katkad je površinu pametnog telefona ili pak tableta pametno zaštiti specijalnom zaštitnom folijom ili nekom vrstom zaštitnog stakla. Nezgode se tako često događaju, zar ne? Zaštitna folija ili zaštitno staklo su učinkovita primjena panparalelne ploče?

Panparalelna ploča je homogeno prozirno optičko sredstvo, omeđeno dvjema ravnim usporednim plohama.

Pogledajmo što se dogodi kada zraka svjetlosti pod nekim kutom (većim od $0°,$ a manjim od $90°$) pada na panparalelnu ploču.

Dakle, nakon prelamanja na graničnim površinama ploče, zrak izlazi bez promjene smjera pomaknut paralelno samom sebi. Paralelno pomicanje zraka na izlazu iz ploče je veće ako je ploča deblja.