Prelamanje svjetlosti i totalna refleksija
- Objasniti zašto se svjetlost lomi na granici dvije sredine i zašto mijenja brzinu.
- Primijeniti indeks loma i Snellov zakon n₁·sin α = n₂·sin β.
- Izračunati granični kut i prepoznati kada nastupa totalna refleksija.
- Objasniti kako optičko vlakno prenosi svjetlost i zašto kroz prizmu nastaje spektar.
1. Prelamanje na granici dvije sredine
Zrak i voda su dvije sredine kroz koje svjetlost putuje različitom brzinom. Kada zrak svjetlosti dođe do granice vode, dio se odbije, a dio uđe u vodu i promijeni pravac. Ta pojava se zove prelamanje svjetlosti (refrakcija).
Zamisli veslo zabodeno u vodu: na granici izgleda kao da je slomljeno. Nije se slomilo — svjetlost s vesla se na površini vode prelomila, pa oko vidi vrh vesla na pogrešnom mjestu. Isto se dešava s novčićem na dnu posude i sa slamkom u čaši soka.
Za zapisivanje prelamanja trebaš tri pojma:
- Upadna zraka — zraka koja dolazi do granice.
- Normala — pravac okomit na granicu u tački gdje zraka pada.
- Upadni kut α — ugao između upadne zrake i normale. Lomni kut β je ugao između prelomljene zrake i normale.
Uz prelamanje uvijek ide i odbijanje. Na mirnoj površini vode vidiš i svoj lik (odbijena svjetlost) i dno (prelomljena svjetlost). Oba procesa se dešavaju istovremeno.
2. Indeks loma
Koliko se svjetlost „uspori“ u nekoj sredini opisuje indeks loma n. To je broj bez jedinice: količnik brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u toj sredini.
Iz formule slijedi da veći indeks loma znači manju brzinu svjetlosti u sredini. U vakuumu je n = 1, a u zraku je n ≈ 1,00, pa zrak u zadacima tretiramo kao vakuum.
| Sredina | Indeks loma n | Brzina svjetlosti v = c/n |
|---|---|---|
| vakuum | 1 (tačno) | 3·10⁸ m/s |
| zrak | ≈ 1,00 | ≈ 3·10⁸ m/s |
| voda | 1,33 | ≈ 2,26·10⁸ m/s |
| staklo (krunska) | 1,50 | 2·10⁸ m/s |
| dijamant | 2,42 | ≈ 1,24·10⁸ m/s |
Sredina s većim indeksom loma zove se optički gušća sredina. To nema veze s gustinom u kg/m³: alkohol je lakši od vode, ali ima indeks loma oko 1,36.
3. Snellov zakon i prolaz kroz ploču i prizmu
Veza između upadnog i lomnog kuta je Snellov zakon (zakon prelamanja). Vrijedi za svaku granicu dvije sredina:
Indeks 1 pripada sredini iz koje svjetlost dolazi, indeks 2 sredini u koju ulazi. Ako je prva sredina zrak (n₁ ≈ 1), zakon se pojednostavi:
Kroz planparalelnu ploču (staklo u obliku ploče) zraka ulazi, lomi se prema normali, a na izlazu se lomi od normale za isti ugao. Izlazna zraka je paralelna s upadnom, samo malo pomaknuta u stranu. Zato kroz prozorsko staklo ne vidimo iskrivljenu sliku, a kroz debelu staklenu kocku vidimo pomak.
Kroz prizmu (stakleni trokut) zraka pada pod različitim uglovima na dvije površine, pa se dva puta lomi u istom smjeru. Izlazna zraka je skrenuta za ugao od nekoliko desetina stepeni. Ako je svjetlost bijela, svaka boja ima nešto drugačiji indeks loma, pa se boje razlože — to je disperzija, o kojoj govori lekcija o bojama.
4. Granični kut i totalna refleksija
Kad svjetlost ide iz optički gušće u optički rjeđu sredinu (npr. iz vode u zrak), lomi se od normale. Povećavaj upadni kut i lomni kut raste brže. Pri nekom kutu β postane 90° — prelomljena zraka samo klizi po površini.
Taj upadni kut se zove granični kut αg. Računamo ga iz Snellovog zakona tako što uvrstimo β = 90°, pa je sin β = 1:
Ako je upadni kut veći od graničnog, svjetlost više ne izlazi iz sredine: sva se odbija natrag. To je totalna refleksija. Odbijanje je tada potpuno, bez gubitka energije na prelamanje.
| Granica | Granični kut αg | Šta se dešava pri α > αg |
|---|---|---|
| voda (1,33) → zrak | ≈ 48,8° | sva svjetlost se odbija natrag u vodu |
| staklo (1,50) → zrak | ≈ 41,8° | sva svjetlost se odbija natrag u staklo |
| dijamant (2,42) → zrak | ≈ 24,4° | svjetlost „ostaje“ u kamenu i zato dijamant tako jako svjetluca |
Obrnut slučaj ne postoji: iz zraka u vodu nikad nema totalne refleksije, jer je αg tada nedostižan. Granični kut zavisi samo od dvije sredine, a ne od toga koliko jako svijetliš.
Optičko vlakno radi upravo na totalnoj refleksiji. Ima jezgro s indeksom loma oko 1,62 i omotač oko 1,52. Zraka koja u jezgru udara u granicu prema omotaču pod uglom prema normali većim od graničnog (oko 70°), pa se stalno odbija i putuje kroz vlakno, čak i kada je vlakno savijeno. Tako rade internet-kablovi i endoskopi.
5. Isprobaj: zrak na granici zrak–voda i voda–zrak
Pomjeraj klizač i gledaj kako se mijenja lomni kut. Prebaci smjer na „iz sredine u zrak“, pa povećaj upadni kut preko graničnog: prelomljena zraka nestaje, a ostaje samo odbijena.
α = 40° · β ≈ 28,9° · n = 1,33
Svjetlost prelazi iz zraka u vodu i lomi se prema normali.
Crtež je šematski: uglovi su nacrtani u razmjeru, ali debljina zraka i veličina oznaka nisu. Plava površina je sredina s indeksom loma n.
6. Korak po korak: od podataka do lomnog kuta
Zadatak: „Zraka svjetlosti pada iz zraka na površinu vode pod uglom 50° prema normali. Odredi lomni kut.“ Radi ovako, korak po korak.
7. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: računanje lomnog kuta po Snellovom zakonu i rad s graničnim kutom i totalnom refleksijom. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: lomni kut iz upadnog kuta
Primjer 1: iz zraka u vodu
Zraka pada iz zraka na vodu pod uglom 30° prema normali. Voda ima n = 1,33. Odredi lomni kut.
Primjer 2: iz zraka u staklo
Zraka pada na staklo (n = 1,50) pod uglom 45°. Koliki je lomni kut?
Primjer 3: iz vode u zrak
Zraka dolazi iz vode u zrak pod uglom 30° prema normali. Odredi lomni kut i uporedi ga s upadnim.
Tip 2: granični kut i totalna refleksija
Primjer 1: granični kut za vodu
Odredi granični kut za granicu voda–zrak. Voda ima n = 1,33.
Primjer 2: da li nastupa totalna refleksija?
Zraka u staklu (n = 1,50) pada na granicu sa zrakom pod uglom 55°. Hoće li izaći u zrak?
Primjer 3: granični kut u optičkom vlaknu
Jezgro optičkog vlakna ima n₁ = 1,62, a omotač n₂ = 1,52. Odredi granični kut na granici jezgro–omotač i objasni zašto svjetlost ostaje u vlaknu.
- Mjerenje ugla od površine umjesto od normale. Snellov zakon vrijedi samo za uglove prema normali. Ako u zadatku piše „pod uglom 30° prema površini“, upadni kut je 60°.
- Zamjena sredina u zakonu. n₁ je sredina iz koje svjetlost dolazi, n₂ sredina u koju ulazi. Zamjena obrne cijeli račun i lomni kut ispadne veći nego što treba.
- „Totalna refleksija je moguća i iz zraka u vodu.“ Nije: potrebno je da svjetlost ide iz optički gušće u optički rjeđu sredinu.
- „Granični kut zavisi od upadnog kuta.“ Ne zavisi. Granični kut je svojstvo dvije sredine i računa se iz njihovih indeksa loma.
- Miješanje indeksa loma i gustine. n nema jedinicu i nije isto što i gustina u kg/m³. Ulje pliva na vodi, a ima veći indeks loma od vode.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. Svjetlost prelazi iz zraka u vodu. Šta se dešava?
2. Kolika je brzina svjetlosti u staklu s indeksom loma 1,50?
3. Granični kut za granicu voda–zrak je oko 49°. Zraka u vodi pada na površinu pod uglom 60°. Šta se dešava?
4. Zašto svjetlost ostaje u optičkom vlaknu čak i kada je vlakno savijeno?
8. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
sin β = n₁·sin α / n₂ = 1,33·sin 40° / 1,00 ≈ 1,33·0,643 ≈ 0,855, pa je β ≈ 58,8°. Kut je veći od upadnog, jer svjetlost prelazi u rjeđu sredinu i lomi se od normale. Za α = 60° bilo bi sin β = 1,33·0,866 ≈ 1,15, a sinus ne može biti veći od 1. Granični kut je αg ≈ 48,8°, pa je 60° iznad njega: prelomljene zrake nema, sva svjetlost se totalno odbija natrag u vodu.
Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, vrati se na simulaciju, postavi vodu i smjer „iz sredine u zrak“, pa polako povećavaj upadni kut preko 48°.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: zakon prelamanja svjetlosti, indeks loma, granični kut, totalna refleksija i primjena u optičkom vlaknu.
Oblast E — Optika i moderna fizika, svjetlost. Oznake ishoda u izvoru: E.9.1, E.9.2. Predmetni kurikulum KS, 9. razred, štampana str. 29. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.