Každý školák ví, že světlo v homogenním průhledném médiu se pohybuje po přímé dráze. Tato skutečnost nám umožňuje uvažovat o mnoha optických jevech v rámci konceptu světelného paprsku. Tento článek pojednává o úhlu dopadu paprsku a proč je důležité tento úhel znát.
Paprsek světla je mikrometrová elektromagnetická vlna
Ve fyzice existují vlny různé povahy: zvukové, mořské, elektromagnetické a některé další. Pojem "paprsek" se však vztahuje pouze na elektromagnetické vlny, jejichž součástí je viditelné spektrum. Samotné slovo "paprsek" může být reprezentováno jako přímka spojující dva body v prostoru.
Světlo (jako vlnu) může být viděno jako přímka, protože každá vlna implikuje přítomnost vibrací. Odpověď na tuto otázku spočívá v hodnotě vlnové délky. Takže u námořních a zvukových se délka pohybuje od několika centimetrů až po desítky metrů. Samozřejmě, že takové oscilace lze jen stěží nazvat paprskem. Vlnová délka světla je menší než jeden mikrometr. Lidské oko takové vibrace nedokáže rozlišit, proto se nám zdá, že anože vidíme přímý paprsek.
Pro úplnost je třeba poznamenat, že paprsek světla je viditelný pouze tehdy, když se začne rozptylovat na malých částicích, například v prašné místnosti nebo kapkách mlhy.
Kde je důležité znát úhel, pod kterým paprsek dopadá na překážku?
Jevy odrazu a lomu jsou nejznámější optické efekty, se kterými se člověk setkává doslova každý den, když se na sebe dívá do zrcadla nebo pije sklenici čaje poté, co se podívá na lžičku v něm.
Matematický popis lomu a odrazu vyžaduje znalost úhlu dopadu paprsku. Například jev odrazu je charakterizován rovností úhlu odrazu a dopadu. Pokud je popsán ze strany procesu lomu, úhel dopadu a úhel lomu spolu souvisí prostřednictvím funkcí sinů a indexů lomu prostředí (Snellův zákon).
Úhel, pod kterým světelný paprsek dopadá na rozhraní mezi dvěma průhlednými médii, hraje důležitou roli při zvažování efektu vnitřního totálního odrazu v opticky hustším materiálu. Tento efekt je pozorován pouze v případě úhlů dopadu, které jsou větší než nějaká kritická hodnota.
Geometrická definice uvažovaného úhlu
Lze předpokládat, že existuje nějaký povrch, který tato dvě prostředí odděluje. Tento povrch může být plochý, jako v případě zrcadla, nebo může být složitější, jako je hřebenový povrch moře. Představte si, že na tento povrch padápaprsek světla. Jak určit úhel dopadu světla? To je docela jednoduché. Následuje sekvence akcí, které je třeba provést, abyste našli požadovaný úhel.
- Nejprve musíte určit průsečík paprsku s povrchem.
- Skrze O by se měla nakreslit kolmice k uvažovanému povrchu. Často se tomu říká normální.
- Úhel dopadu paprsku se rovná úhlu mezi paprskem a normálou. Lze jej změřit jednoduchým úhloměrem.
Jak vidíte, není těžké najít uvažovaný úhel. Studenti však často dělají chybu, když ji měří mezi rovinou a paprskem. Je třeba mít na paměti, že úhel dopadu se vždy měří od normály, bez ohledu na tvar povrchu a prostředí, ve kterém se šíří.
Sférická zrcadla, čočky a na ně dopadající paprsky
Znalost vlastností úhlů dopadu určitých paprsků se využívá při konstrukci obrazů ve sférických zrcadlech a tenkých čočkách. K sestavení takových obrazů stačí vědět, jak se chovají dva různé paprsky při interakci se jmenovanými optickými zařízeními. Průsečík těchto paprsků určuje polohu bodu obrazu. V obecném případě lze vždy najít tři různé paprsky, jejichž průběh je přesně znám (třetím paprskem lze zkontrolovat správnost sestrojeného obrázku). Tyto paprsky jsou pojmenovány níže.
- Probíhá paralelně s hlavní optickou osou zařízení. Po odrazu nebo lomu prochází ohniskem.
- Paprsek procházející ohniskem zařízení. Vždy se to odrážílomené rovnoběžně s hlavní osou.
- Prochází optickým středem (u sférického zrcadla se shoduje se středem koule, u čočky je uvnitř). Takový paprsek nemění svou trajektorii.
Obrázek výše ukazuje schémata pro konstrukci obrázků pro různé možnosti umístění objektu vzhledem k tenkým čočkám.
