Odraz a lom svetla Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Svetlo a svetelný lúč — Svetlo je druh žiarenia, ktoré sa v rovnorodom (homogénnom) prostredí šíri priamočiaro a veľkou rýchlosťou (vo vákuu približne 300 000 km/s). Smer šírenia znázorňujeme svetelným lúčom — myslenou čiarou so šípkou. Práve priamočiare šírenie je dôvodom, prečo predmety vrhajú ostré tiene a prečo vôbec môžeme presne opisovať odraz a lom.

2. Odraz svetla (reflexia) — Keď svetelný lúč dopadne na rozhranie dvoch prostredí (napríklad na zrkadlo), časť svetla sa vráti späť do pôvodného prostredia — hovoríme, že sa odrazí. Vďaka odrazu svetla vidíme predmety, ktoré samy nesvietia: odrážajú svetlo zo Slnka alebo lampy do nášho oka. Bez odrazu by bol svet okolo nás neviditeľný.

3. Kolmica dopadu, uhol dopadu a uhol odrazu — V bode, kde lúč dopadá na rozhranie, si predstavíme kolmicu (kolmú čiaru na povrch). Uhol dopadu α je uhol medzi dopadajúcim lúčom a kolmicou, uhol odrazu α' je uhol medzi odrazeným lúčom a kolmicou. Tieto uhly vždy meriame od kolmice, nikdy od samotného povrchu — to je častá chyba.

4. Zákon odrazu svetla — Uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu (α' = α) a odrazený lúč leží v rovine dopadu (v jednej rovine s dopadajúcim lúčom a kolmicou dopadu). Tento zákon platí pre každý odraz a dá sa overiť jednoduchým experimentom s laserovým ukazovadlom, zrkadielkom a uhlomerom. Je základom fungovania zrkadiel aj periskopu.

5. Experiment na dôkaz zákona odrazu — Na hladké zrkadlo postavené kolmo na papier nakreslíme kolmicu a posvietime úzkym lúčom (lasera) pod rôznymi uhlami. Uhlomerom odmeriame uhol dopadu a uhol odrazu — namerané dvojice uhlov sa zhodujú, čo potvrdzuje zákon odrazu. Opakovaním pri viacerých uhloch získame presvedčivý dôkaz platnosti zákona.

6. Odraz na drsnom povrchu (rozptyl) — Na dokonale hladkom povrchu (zrkadlo, pokojná hladina) sú odrazené lúče rovnobežné a vzniká zrkadlový obraz. Na drsnom povrchu (papier, stena, omietka) sa lúče odrazia do mnohých smerov — nastáva rozptyl svetla. Aj pri rozptyle však pre každý jednotlivý lúč stále platí zákon odrazu; len plôšky povrchu sú rôzne naklonené.

7. Lom svetla (refrakcia) — Keď svetlo prechádza z jedného priehľadného prostredia do druhého (napríklad zo vzduchu do vody alebo skla), na rozhraní mení smer — láme sa. Príčinou je zmena rýchlosti svetla v rôznych prostrediach. Uhol medzi lomeným lúčom a kolmicou nazývame uhol lomu β.

8. Lom ku kolmici a od kolmice — Pri prechode z opticky redšieho do hustejšieho prostredia (zo vzduchu do vody/skla) sa svetlo láme ku kolmici (uhol lomu je menší než uhol dopadu, β < α). Pri prechode z hustejšieho do redšieho prostredia (z vody do vzduchu) sa láme od kolmice (β > α). Práve preto vyzerá rovná palica ponorená do vody zalomená a dno bazéna sa zdá byť plytšie, než v skutočnosti je.

9. Experiment na overenie lomu svetla — Lúčom posvietime cez priehľadnú nádobu s vodou alebo cez sklenený hranol a sledujeme, ako lúč na rozhraní zmení smer. Pri vstupe do vody sa lúč viditeľne ohne ku kolmici; meraním uhlov potvrdíme, že uhol lomu sa líši od uhla dopadu. Klasickým pokusom je aj „zlomená ceruzka" v pohári s vodou alebo zdanlivo posunutá minca na dne nádoby.

10. Rozklad svetla (disperzia) a hranol — Biele svetlo je zmesou farieb. Keď prejde skleneným hranolom, každá farba sa láme trochu inak (najviac fialová, najmenej červená), takže sa biele svetlo rozloží na farebné spektrum: červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová. Tento jav prvýkrát dôkladne preskúmal Isaac Newton a nazýva sa rozklad (disperzia) svetla.

11. Vznik dúhy — Dúha vzniká, keď slnečné svetlo dopadá na drobné kvapôčky vody v ovzduší (po daždi). V každej kvapke sa svetlo najprv láme pri vstupe, potom sa odrazí na zadnej stene kvapky a pri výstupe sa znova láme — kvapka pôsobí ako malý hranol, ktorý svetlo rozloží na farby. Preto dúhu vidíme len vtedy, keď máme Slnko za chrbtom a dážď pred sebou.

12. Praktické využitie odrazu a lomu — Na zákone odrazu sú založené rovinné aj guľové zrkadlá, periskop či spätné zrkadlá v aute; na lome svetla fungujú šošovky, okuliare, lupa, fotoaparát, ďalekohľad aj ľudské oko. Pochopenie odrazu a lomu teda nie je len teória — vysvetľuje, ako vidíme a ako fungujú prakticky všetky optické prístroje okolo nás.

1. Poučka

Zákon odrazu svetla: Lúč svetla sa od hladkého povrchu (zrkadla) odráža tak, že uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu (β = α). Dopadajúci lúč, odrazený lúč a kolmica dopadu ležia v jednej rovine.

Lom svetla: Keď svetlo prechádza z jedného prostredia do druhého (napr. zo vzduchu do vody), na rozhraní mení smer — láme sa. Pri prechode do hustejšieho prostredia (voda, sklo) sa láme ku kolmici, pri prechode do redšieho prostredia od kolmice.

Uhly meriame vždy od kolmice dopadu, nie od povrchu.

2. Vysvetlenie

1. Na miesto, kam svetlo dopadne, si predstav kolmicu — zvislú čiaru kolmú na povrch.
2. Uhol medzi dopadajúcim lúčom a kolmicou je uhol dopadu α.
3. Pri odraze sa lúč vráti naspäť do toho istého prostredia a uhol odrazu β je rovnako veľký ako uhol dopadu: α = β.
4. Pri lome lúč prejde do druhého prostredia a zmení smer, lebo svetlo sa v rôznych látkach šíri rôzne rýchlo. V hustejšom prostredí (voda, sklo) je svetlo pomalšie, preto sa láme ku kolmici.
5. Dúha vzniká tak, že slnečné svetlo vojde do dažďovej kvapky, tam sa láme, vnútri sa odrazí a pri výstupe sa znova láme. Biele svetlo sa pritom rozloží na farby (každá farba sa láme trochu inak) — vznikne farebný pás.

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — uhol odrazu: Lúč dopadá na rovinné zrkadlo pod uhlom dopadu α = 35°. Aký je uhol odrazu?
Podľa zákona odrazu β = α.
β = 35°

Príklad 2 — uhol meraný od povrchu: Lúč zviera s povrchom zrkadla uhol 60°. Aký je uhol dopadu, uhol odrazu a uhol medzi dopadajúcim a odrazeným lúčom?
Uhly meriame od kolmice: α = 90° − 60° = 30°
β = α = 30°
uhol medzi lúčmi = α + β = 30° + 30° = 60°

Príklad 3 — smer lomu: Lúč prechádza šikmo z vody do vzduchu. Ku ktorej strane sa láme?
Vzduch je opticky redšie prostredie ako voda.
Pri prechode do redšieho prostredia sa lúč láme od kolmice, uhol lomu je väčší ako uhol dopadu.
→ lúč sa láme od kolmice

Príklad 4 — dúha po krokoch: Ako vzniká dúha v dažďovej kvapke?
Slnko svieti spoza nás na kvapky pred nami.
Pri vstupe do kvapky sa svetlo láme a každá farba trochu inak.
Na zadnej stene kvapky sa svetlo odrazí.
Pri výstupe z kvapky sa znova láme a farby sa ešte viac oddelia.
→ dúha vzniká lomom, odrazom a opäť lomom svetla v kvapkách

Príklad 5 — pokus so zákonom odrazu: Ako overíš zákon odrazu?
Na papier polož zrkadlo a v bode dopadu nakresli kolmicu.
Baterkou so štrbinou pusti lúč pod uhlom dopadu 20°, potom 40° a 60°.
Uhlomerom zmeraj uhol odrazu pri každom pokuse.
→ namerané uhly odrazu sa rovnajú uhlom dopadu

Príklad 6 — periskop (prax): V periskope dopadá vodorovný lúč na zrkadlo sklonené o 45°. O koľko sa lúč po odraze otočí?
α = 45°, β = α = 45°
uhol medzi lúčmi = 45° + 45° = 90°
→ lúč sa otočí o 90°, druhé zrkadlo ho otočí späť, takže vidíme ponad prekážku

Prečo je to dôležité: Odraz a lom svetla sú základom všetkého, čím vidíme a pozorujeme svet — od okuliarov, fotoaparátov a mikroskopov až po optické vlákna, ktorými ide internet. Pochopenie týchto zákonov ti pomôže vysvetliť bežné javy okolo seba a je to základ celej optiky.

Precvič si

1. Uhol dopadu je 50°. Aký je uhol odrazu?
2. Uhol medzi dopadajúcim a odrazeným lúčom je 80°. Aký je uhol dopadu?
3. Lúč zviera s povrchom zrkadla uhol 25°. Aký je uhol dopadu a uhol odrazu?
4. Lúč dopadá na zrkadlo kolmo. Aký je uhol dopadu a kam sa lúč odrazí?
5. Lúč prechádza šikmo zo vzduchu do vody. Je uhol lomu väčší, alebo menší ako uhol dopadu?
6. Prečo dúhu vidíme len vtedy, keď máme Slnko za chrbtom?