Lom svetla a šošovky Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Lom svetla (refrakcia) — Lom svetla je zmena smeru svetelného lúča pri prechode z jedného priehľadného prostredia do druhého (napr. zo vzduchu do vody alebo skla). Nastáva preto, že svetlo sa v rôznych prostrediach šíri rôznou rýchlosťou. Vďaka lomu vidíme „zlomenú" slamku v pohári a funguje aj oko, okuliare či fotoaparát.

2. Rozhranie prostredí — Rozhranie je plocha, kde sa stretávajú dve rôzne priehľadné prostredia, napríklad hladina vody alebo povrch sklenenej šošovky. Práve na tomto rozhraní sa lúč svetla láme. Časť svetla sa pritom aj odráža späť, takže lom a odraz často prebiehajú súčasne.

3. Optická hustota prostredia — Prostredia delíme na opticky redšie (vzduch) a opticky hustejšie (voda, sklo) podľa toho, ako rýchlo sa v nich svetlo šíri. V opticky hustejšom prostredí sa svetlo šíri pomalšie. Práve rozdiel v optickej hustote rozhoduje o tom, ktorým smerom sa lúč zlomí.

4. Lom ku kolmici a od kolmice — Keď svetlo prechádza z redšieho do hustejšieho prostredia (zo vzduchu do skla), láme sa ku kolmici — uhol lomu je menší než uhol dopadu. Keď prechádza z hustejšieho do redšieho prostredia (zo skla do vzduchu), láme sa od kolmice. Kolmica je pomyselná čiara kolmá na rozhranie v mieste dopadu lúča.

5. Uhol dopadu a uhol lomu — Uhol dopadu je uhol medzi dopadajúcim lúčom a kolmicou, uhol lomu je uhol medzi zlomeným lúčom a kolmicou. Čím väčší je uhol dopadu, tým väčší je aj uhol lomu. Ak lúč dopadá kolmo na rozhranie (uhol dopadu 0°), nezlomí sa a pokračuje rovno.

6. Šošovka — Šošovka je priehľadné teleso (najčastejšie zo skla alebo plastu) ohraničené dvoma plochami, z ktorých aspoň jedna je vypuklá alebo dutá guľová plocha. Pri prechode svetla cez šošovku sa lúče lámu na oboch jej plochách. Šošovky sa používajú v okuliaroch, lupách, mikroskopoch, ďalekohľadoch aj v ľudskom oku.

7. Spojná (spojka) šošovka — Spojná šošovka je v strede hrubšia než na okrajoch a rovnobežné lúče po prechode ňou zbieha (sústreďuje) do jedného bodu. Preto sa nazýva aj spojka alebo konvexná šošovka. Používa sa ako lupa a na okuliare pre ďalekozrakých ľudí.

8. Rozptylná (rozptylka) šošovka — Rozptylná šošovka je v strede tenšia než na okrajoch a rovnobežné lúče po prechode ňou rozbieha (rozptyľuje) do strán. Nazýva sa aj rozptylka alebo konkávna šošovka. Lúče sa potom javia, akoby vychádzali z jedného bodu pred šošovkou, a používa sa na okuliare pre krátkozrakých ľudí.

9. Optická os a ohnisko (F) — Optická os je priamka prechádzajúca stredom šošovky kolmo na ňu. Ohnisko F je bod na optickej osi, v ktorom sa po prechode spojnou šošovkou stretnú lúče pôvodne rovnobežné s osou. Každá šošovka má dve ohniská — po jednom na každej strane.

10. Ohnisková vzdialenosť (f) — Ohnisková vzdialenosť f je vzdialenosť ohniska od stredu šošovky a meria sa v metroch (m) alebo centimetroch (cm). Čím je šošovka „silnejšia" (viac zakrivená), tým je ohnisková vzdialenosť kratšia. Táto veličina určuje, ako veľmi šošovka láme svetlo.

11. Vznik obrazu pri spojnej šošovke — Spojná šošovka vytvára obraz tým, že zbieha lúče odrazené od predmetu. Ak je predmet ďaleko (za dvojnásobkom ohniskovej vzdialenosti), vznikne obraz skutočný, prevrátený a zmenšený — tak vzniká obraz v oku a fotoaparáte. Ak je predmet bližšie než ohnisko, vznikne obraz neskutočný, vzpriamený a zväčšený, čo využívame pri lupe.

12. Vznik obrazu pri rozptylnej šošovke — Rozptylná šošovka vždy vytvára obraz neskutočný (zdanlivý), vzpriamený a zmenšený, bez ohľadu na to, kde je predmet. Takýto obraz nemožno zachytiť na tienidlo, vidíme ho len pri pohľade cez šošovku. Preto sa rozptylky používajú napríklad na korekciu krátkozrakosti.

13. Skutočný a neskutočný obraz — Skutočný obraz vzniká skutočným pretnutím lúčov, dá sa zachytiť na tienidlo alebo film a býva prevrátený. Neskutočný (zdanlivý) obraz vzniká len zdanlivým pretnutím predĺžených lúčov, nedá sa premietnuť na tienidlo a býva vzpriamený. Rozlišovanie týchto dvoch typov obrazu je kľúčové pri opise šošoviek.

14. Ľudské oko ako šošovka — V oku funguje ako spojná šošovka pružná očná šošovka, ktorá premieta skutočný, prevrátený a zmenšený obraz na sietnicu. Mozog tento prevrátený obraz „otočí" späť, takže svet vidíme správne. Pri chybách (krátkozrakosť, ďalekozrakosť) sa obraz netvorí presne na sietnici a pomáhajú okuliare so spojnou alebo rozptylnou šošovkou.

1. Poučka

Lom svetla je zmena smeru svetelného lúča pri prechode z jedného priehľadného prostredia do druhého (napr. zo vzduchu do vody alebo skla). Pri prechode do opticky hustejšieho prostredia (vzduch → voda) sa lúč láme ku kolmici, pri prechode do redšieho prostredia (voda → vzduch) sa láme od kolmice. Šošovka je priehľadné teleso s vybrúsenými plochami: spojná (spojka) lúče zbieha do ohniska, rozptylná (rozptylka) lúče rozbieha.

2. Vysvetlenie

1. Svetlo sa v rôznych prostrediach šíri rôznou rýchlosťou. Vo vzduchu je rýchlejšie ako vo vode či skle.
2. Keď lúč dopadne na rozhranie dvoch prostredí šikmo, zmení smer — to je lom. Ak dopadne kolmo (priamo), nezlomí sa, ide ďalej rovno.
3. Uhol, pod ktorým lúč dopadá, voláme uhol dopadu; uhol po zlomení je uhol lomu. Obidva meriame od kolmice vztýčenej v mieste dopadu.
4. Spojná šošovka je v strede hrubšia ako na okrajoch. Rovnobežné lúče zbehne do jedného bodu — ohniska (F). Vzdialenosť ohniska od stredu šošovky je ohnisková vzdialenosť f.
5. Rozptylná šošovka je v strede tenšia ako na okrajoch. Rovnobežné lúče rozptýli tak, že sa zdá, akoby vychádzali z jedného bodu pred šošovkou (neskutočné ohnisko).
6. Spojka vytvára podľa vzdialenosti predmetu skutočný alebo neskutočný obraz; rozptylka vytvára vždy zmenšený, vzpriamený a neskutočný obraz.

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — optická mohutnosť spojky: Spojka má ohniskovú vzdialenosť f = 50 cm. Aká je jej optická mohutnosť?
f = 50 cm = 0,5 m
φ = 1 / f
φ = 1 / 0,5 m = 2 D

Príklad 2 — optická mohutnosť rozptylky (prax): Okuliare krátkozrakého majú rozptylky s ohniskovou vzdialenosťou 40 cm. Pri rozptylke píšeme f so znamienkom mínus. Aká je ich optická mohutnosť?
f = −40 cm = −0,4 m
φ = 1 / f = 1 / (−0,4) = −2,5 D

Príklad 3 — zostrojenie lomeného lúča: Lúč prechádza šikmo zo vzduchu do vody. Ako ho nakreslíš?
Nakresli rozhranie vzduch–voda a v bode dopadu kolmicu.
Uhol dopadu meraj od kolmice k dopadajúcemu lúču.
Voda je opticky hustejšia, preto sa lúč láme ku kolmici a uhol lomu je menší ako uhol dopadu.
→ lomený lúč nakreslíš bližšie ku kolmici ako dopadajúci

Príklad 4 — kolmý dopad: Lúč dopadá na sklenenú doštičku kolmo (po kolmici). Čo sa s ním stane?
Uhol dopadu je 0°, lúč nemá kam „odbočiť“.
→ lúč sa nezlomí a ide ďalej rovno

Príklad 5 — spojka a rozptylka: Ako rozoznáš šošovky hmatom a komu ktorá pomôže?
V strede hrubšia šošovka zbieha lúče: spojka, pomáha ďalekozrakým, je v lupe.
V strede tenšia šošovka rozbieha lúče: rozptylka, pomáha krátkozrakým.
→ hrubšia v strede je spojka, tenšia v strede je rozptylka

Príklad 6 — plytký bazén (prax): Prečo bazén vyzerá plytší, než v skutočnosti je?
Svetlo od dna ide z vody do vzduchu a na hladine sa láme od kolmice.
Oko predĺži lúče priamo späť a dno „vidí“ vyššie.
→ bazén sa zdá plytší, než je, preto neskáčeme do neznámej vody

Prečo je to dôležité: Bez pochopenia lomu svetla by neexistovali okuliare, mikroskopy, ďalekohľady, fotoaparáty ani lekárske prístroje. Vďaka šošovkám vidia ostro milióny ľudí a veda dokáže skúmať od baktérií až po vzdialené hviezdy.

Precvič si

1. Šošovka má ohniskovú vzdialenosť 1 m. Aká je jej optická mohutnosť?
2. Spojka má ohniskovú vzdialenosť 20 cm. Vypočítaj jej optickú mohutnosť.
3. Spojka má optickú mohutnosť 5 D. Aká je jej ohnisková vzdialenosť v centimetroch?
4. Lúč prechádza zo skla do vzduchu. Láme sa ku kolmici, alebo od kolmice?
5. Ktorá šošovka pomôže krátkozrakému a aké znamienko má jej optická mohutnosť?
6. Dve spojky majú ohniskové vzdialenosti 10 cm a 40 cm. Ktorá láme svetlo silnejšie a koľkokrát?