VI.5. Reflexia luminii și refracția luminii.
- VI.5.1. Reflexia luminii. Legile reflexiei.
- VI.5.2. Oglinzile – aplicații ale reflexiei luminii
- VI.5.3. Refracția luminii.
- VI.5.4. Reflexia totală.
- VI.5.5. Lentile
VI.5.1. Reflexia luminii. Legile reflexiei.
Reflexia luminii este fenomenul în care lumina se întoarce în primul mediu, cu schimbarea direcţiei de propagare, atunci când ea întâlneşte un alt mediu (suprafaţa de separare dintre două medii optice diferite).
Legea I a reflexiei:
Raza incidentă, normala și raza reflectată sunt coplanare (aparțin aceluiași plan).
Legea a II-a a reflexiei :
Unghiul de incidență(i) este egal cu unghiul de reflexie(r).
î = ȓ
🔦 Observație
Când raza de lumină cade perpendicular pe suprafața de separare, raza reflectată se întoarce în primul mediu pe același drum, adică este singurul caz când nu își schimbă direcția de propagare.
👀 Experiment: Legile reflexiei luminii
🔥Atenție! Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
Materiale necesare:
Oglindă plană, raportor, laser.
Modul de lucru:
- Aşază oglinda pe verticală.
- La baza oglinzii poziţionează pe orizontală (pe podea) raportorul, având punctul 0 la mijlocul oglinzii.
- Trimite fasciculul laser sub un anumit unghi pe oglindă, în punctul zero (laserul se aşază şi el tot pe podea, înclinându-i puţin vârful pentru a vizualiza raza reflectată).
- Aşază rigla pe direcţia razei reflectate de oglindă şi citeşte unghiul de reflexie.
Unghiul sub care se trimite spre oglindă fasciculul iniţial (unghi de incidență) este egal cu unghiul sub care se întoarce lumina (unghi de reflexie), faţă de normală.
Concluzia experimentului:
Lumina se reflectă cu acelaşi unghi (unghi de reflexie) cu care raza iniţială a ajuns la oglindă (unghi de incidenţă). Pe o suprafaţă şlefuită (cum este oglinda), lumina se reflectă în mod ordonat, respectând această lege.
🔐 Aplicarea legilor reflexiei
Pentru a desena raza care suferă fenomenul de reflexie (raza reflectată) trebuie să parcurgem următoarele etape:
-
Desenăm suprafața de separare dintre cele două medii diferite pe orizontală și notăm mediile. Primul mediu (I) se consideră mediul unde se află sursa de lumină.
-
Cu o linie punctată se desenează perpendiculara pe această suprafață de separare, numită normala la suprafața de separare și notată cu NI (I este punctul de incidență).
-
Se măsoară cu raportorul unghiul dintre normală și raza incidentă (raza provenită de la sursa S, notată cu SI). Acest unghi se numește unghi de incidență, notat cu i.
-
Se măsoară un unghi egal cu unghiul de incidență în partea cealaltă a normalei, se conturează raza reflectată (RI) și se notează unghiul de reflexie, r.
Notații (legenda) pentru desenul de la reflexia luminii:
SI = raza incidentă
RI = raza reflectată
NI = normala la suprafața de separare
i = unghi de incidență
r = unghi de reflexie
VI.5.2. Oglinzile – aplicații ale reflexiei luminii
Oglinzile sunt corpuri netede și lucioase, în care lumina se reflectă.
🔦 Observație
Imaginea obiectului (im ob) se formează în oglindă prin fenomenul de reflexie, respectând legile acesteia.
Dacă oglinda nu este netedă (nu este bine șlefuită) are loc o reflexie difuză a luminii (reflexie dezordonată) și nu se formează imaginea obiectului.
Oglinzile se obțin prin depunerea unui strat subțire de metal (argint sau aluminiu) pe o suprafață de sticlă (obișnuită sau de cristal).
🔥 Atenție!
Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
Clasificarea oglinzilor
- Oglinzile plane au suprafața plană (dreaptă) și sunt cele pe care le avem cu toții acasă și în care ne uităm zilnic.
Iată simbolul ei (partea din spate care nu reflectă lumina se hașurează)
Aplicații ale oglinzilor plane
În oglinda plană îţi vezi “dublura” (imaginea) care te priveşte din spatele oglinzii, imitându-ţi mişcările și sunt cele pe care le avem cu toții acasă și în care ne uităm zilnic.
Clasificarea oglinzilor
- Oglinzi sferice care la rândul lor sunt de două feluri:
- a) Oglinzile concave reflectă cu partea interioară, scobită a suprafeței sferice ( adică au partea lucioasă pe partea interioară a sferei). Ele transformă un fascicul de lumină paralel într-unul convergent.
Aplicații ale oglinzilor concave
- în cosmetică (la machiat, la pensat);
- la construcţia reflectoarelor (lanterne);
- la construcţia reflectoarelor (faruri);
- oglinzi stomatologice.
Clasificarea oglinzilor
- b) Oglinzile convexe reflectă cu partea exterioară, bombată a suprafeței sferice ( adică au partea lucioasă pe partea exterioară a sferei). Ele transformă un fascicul de lumină paralel într-unul divergent.
Aplicații ale oglinzilor convexe
Ele sunt folosite ca oglinzi retrovizoare deoarece dau o vedere amplă a zonei din spatele lor.
🔥 Atenție!
Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
**Aplicație a fenomenului de reflexie **
Formarea imaginii unui obiect într-o oglindă plană:
-
Se desenează oglinda plană pe verticală.
-
Se trasează prin mijlocul oglinzii axa optică principală, perpendiculară pe oglindă (pe orizontală).
-
Se desenează obiectul AB sub forma unui segment cu săgeată, în fața oglinzii.
-
Se duce prima rază din vârful obiectului (B) perpendiculară pe oglindă și se prelungește punctată în spatele oglinzii (fiind perpendiculară pe suprafața oglinzii nu își schimbă direcția de propagare când se reflectă).
-
Se duce a doua rază din vârful obiectului (B) oblică pe oglindă se trasează raza reflectată a acesteia, respectând legile reflexiei ( unghiul i = unghiul r )
-
Se prelungește punctată în spatele oglinzii raza reflectată, până se întâlnește cu prelungirea primei raze. Punctul de intersecție al lor se notează cu B', care reprezintă vârful imaginii obiectului în oglindă.
-
Din punctul B' se duce perpendiculară pe axa optică principală, iar piciorul perpendicularei se notează cu A' și reprezintă baza imaginii obiectului în oglindă. Se pune vârful săgeții în B'.
Caracterizarea imaginii (A'B') obiectului în oglinda plană:
-
Im. A'B' este la fel de mare ca ob. AB.
-
Im. A'B' este dreaptă.
-
Imaginea este virtuală, deoarece se formează la intersecția razelor reflectate (ea nu poate fi prinsă pe ecran sau film foto).
-
Ob. AB și im. A'B' sunt simetrice față de oglindă (imaginea se formează în spatele oglinzii, la aceeaşi distanţă faţă de oglindă ca şi obiectul ).
👀 Experiment: Cum construim un periscop
🔥Atenție la manipularea cuțitului, foarfecelor și a celor două oglinzi de sticlă!
Materiale necesare:
2 oglinzi plane, carton, echer dreptunghic isoscel, cuțit, foarfece, scotch
Modul de lucru:
- Decupează dintr-un carton un dreptunghi.
- Marchează cu ajutorul echerului pozițiile celor două oglinzi, astfel încât să aibă o înclinare de 45° față de marginile de jos, respectiv de sus a cartonului.
- Decupează cu ajutorul cuțitului și cu foarfecei locul unde vei plasa oglinzile, respectiv două dreptunghiuri (prin cel de jos vei privi, iar prin cel de sus intră lumina).
- Aşază oglinzile în lăcașele decupate și prinde cu scotch periscopul.
- Privește prin fereastra de jos a periscopului.
- Ce observi ?
Privind prin fanta de jos, văd obiectele aflate la nivelul fantei de sus.
Concluzia experimentului:
Periscopul este un instrument optic alcătuit din lentile, oglinzi, și/sau prisme cu ajutorul căruia se pot efectua observații între două niveluri diferite ca înălțime (tranșee, dintr-un submarin etc).
În domeniul naval, periscopul este folosit de submarine pentru a da posibilitatea acestora să supravegheze situația de la suprafața apei fără a fi văzute.
VI.5.3. Refracția luminii.
Refracția luminii este fenomenul în care lumina își schimbă direcția de propagare atunci când traversează suprafața de separație dintre două medii transparente diferite.
🔥 Atenție!
Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
🔦 Observație
Când raza de lumină cade perpendicular pe suprafața de separare, raza refractată trece în al II-lea mediu pe același drum, adică este singurul caz când nu își schimbă direcția de propagare.
Aplicații
Pentru a desena raza care suferă fenomenul de refracție (raza refractată) trebuie să parcurgem aceleași etape ca la reflexie, numai că prelungim normala și în al II-lea mediu și apoi prelungim tot punctat și raza incidentă în al II-lea mediu, ca în desenele de mai jos.
Pentru a vedea cum trece lumina în cel de-al II-lea mediu, adică cum se refractă, avem două cazuri:
**Cazul I: Când n1 < n2 **
Adică indicele de refracție al primului mediu este mai mic decât indicele de refracție al mediului II (exemplu : aer-apă, apă-sticlă, aer-sticlă, aer-diamant, apă-diamant etc.), raza refractată se apropie de normală și unghiul de refracție(r') este mai mic decât unghiul de incidență(i).
**Cazul II: Când n1 > n2 **
Adică indicele de refracție al primului mediu este mai mare decât indicele de refracție al mediului II (exemplu: apă-aer, sticlă-apă, sticlă-aer, diamant-aer, diamant-apă etc.), raza refractată se depărtează de normală și unghiul de refracție(r') este mai mare decât unghiul de incidență(i).
Aplicații
Lentilele (lupa, ochelarii) sunt aplicații ale fenomenului de refracție.
👀 Experiment: Refracția luminii
🔥 Atenție! Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
Materiale necesare:
Semicilindru din plexiglas ( sticlă), disc Hartl, laser.
Modul de lucru:
- Așază piesa semicilindrică pe discul Hartl astfel încât centrul ei să fie în centrul discului.
- Urmărește mersul razei incidente și a celei de refracție, pentru diferite unghiuri de incidență. Măsoară de fiecare dată unghiul de refracție.
- Schimbă poziția piesei semicilindrice astfel încât raza incidentă să treacă din plexiglas în aer.
- Măsoară unghiurile de incidență și de refracție.
- Ce observi ?
Când indicele de refracție a primului mediu este mai mic decât a celui de-al doilea mediu (aer-plexiglas), unghiul de incidență este mai mic decât unghiul de refracție.
Când indicele de refracție a primului mediu este mai mare decât a celui de-al doilea mediu (plexiglas-aer), unghiul de incidență este mai mare decât unghiul de refracție.
Consecințele refracției luminii au loc datorită schimbării direcţiei razei refractate faţă de direcţia razei incidente, modificând imaginea obiectelor aflate în apă:
- Un corp aflat în apă pare rupt la suprafața apei, ca și cum partea din apă a corpului nu este în continuarea celei din aer.
- Un corp aflat în apă este perceput de ochiul nostru mai la suprafaţă decât este el în realitate. Astfel apele limpezi sunt mult mai adânci decât par.
- Obiectele aflate în apă par mai mari decât în realitate, apa comportându-se ca o lupă. O picătură de apă pusă pe o literă („u”) măreşte imaginea acesteia.
- Licărirea stelelor
Înainte de a ajunge la ochiul nostru, lumina care pornește de la o stea îndepărtată, străbate atmosfera, care nu este niciodată complet liniștită. Datorită refracției diferite a luminii, care trece prin straturi de aer mai rece sau mai cald, nouă ni se pare ca strălucirea stelelor și culoarea lor se schimbă mereu, adică stelele clipesc. Dar privite din spațiul cosmic, ele nu clipesc, având o lumină continuă.
🔥 Atenție!
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
VI.5.4. Reflexia totală.
👀 Experiment: Reflexia totală a luminii
🔥Atenție! Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
Materiale necesare:
Semicilindru din plexiglas (sticlă), disc Hartl, laser.
Modul de lucru:
- Așază piesa semicilindrică pe discul Hartl astfel încât centrul ei să fie în centrul discului și raza incidentă să treacă din plexiglas în aer.
- Urmărește mersul razei incidente și a celei de reflexie și refracție, pentru diferite unghiuri de incidență.
Când indicele de refracție a primului mediu este mai mare decât a celui de-al doilea mediu (plexiglas-aer) și unghiul de incidență este mai mare decât unghiul limită, lumina se reflectă total.
Reflexia totală este fenomenul în care are loc numai fenomenul de reflexie, fără formarea razei refractate (unghiul de refracție este de 90°).
Pentru a avea loc fenomenul de reflexie totală trebuie îndeplinite două condiții:
-
Indicele de refracție al primului mediu să fie mai mare decât al celui de-al doilea mediu, adică n1 > n2 .
-
Unghiul de incidență să fie mai mare decât unghiul limită (notat cu l), unghi specific fiecărei perechi de medii care îndeplinește condiția n1 > n2
🔥 Atenție!
Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
🔥 Atenție!
Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
VI.5.5. Lentile
VI.5.5.1. Lentile. Tipuri de lentile.
Lentilele sunt corpuri transparente și care au o suprafață sferică.
Clasificarea lentilelor:
- Lentile convergente (convexe) sunt lentilele care transformă un fascicul de lumină paralel într-un fascicul convergent. Ele refractă lumina prin focarul pozitiv și de aceea se mai numesc și lentile pozitive. Ele măresc scrisul. Sunt mai groase la mijloc și mai subțiri la capete.
🔥 Atenție! Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
- Lentile divergente (concave) sunt lentilele care transformă un fascicul de lumină paralel într-un fascicul divergent. Ele refractă lumina prin focarul negativ și de aceea se mai numesc și lentile negative. Ele micșorează scrisul. Sunt mai groase la capete și mai subțiri la mijloc.
🔥 Atenție! Nu îndrepta lumina laserului spre ochi!
👀 Experiment: Formarea imaginilor în lentila convergentă
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
Materiale necesare:
Lentilă convergentă (lupă), lumânare, chibrit.
Modul de lucru:
- Așază lumânarea aprinsă la o distanță de 40-60 cm față de un perete.
- Mută, încetul cu încetul, lupa dinspre lumânare spre perete, astfel încât vârful lumânării, mijlocul lentilei să fie pe aceeaşi dreaptă.
- Când lupa este aproape de flacăra lumânării, se formează o imagine virtuală, mai mare decât flacăra și dreaptă pe care o poți vedea prin lupă.
- Depărtează lupa de flacără până când pe perete se formează imaginea clară a lumânării mai mare, reală și răsturnată.
- Depărtează și mai mult lupa de flacără până când pe perete se formează o imaginea clară a lumânării mai mică, reală și răsturnată.
În lentila convergentă se formează trei tipuri de imagini ale obiectelor.
👀 Experiment: Formarea imaginilor în lentila divergentă
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
Materiale necesare:
Lentilă divergentă (ochelari pentru miopie cu dioptrii negative), lumânare, chibrit.
Modul de lucru:
- Așază lumânarea aprinsă la o distanță de 40-60 cm față de un perete.
- Mută, încetul cu încetul, lentila divergentă dinspre lumânare spre perete, astfel încât vârful lumânării, mijlocul lentilei să fie pe aceeaşi dreaptă.
- Când lentila este aproape de flacăra lumânării, se formează o imagine virtuală, mai mică decât flacăra și dreaptă pe care o poți vedea prin lentilă.
- Depărtează lentila de flacără și vei vedea, tot privind prin lentilă, imaginea clară a lumânării mai mică, virtuală și dreaptă.
- Depărtează și mai mult lentila de flacără și vei vedea aceeași imagine din ce în ce mai mică decât flacăra, dar cu aceleași caracteristici.
În lentila divergentă se formează un singur tip de imagine ale obiectelor, indiferent de distanța dintre obiect și lentilă. Această imagine este mai mică decât obiectul, virtuală și dreaptă.