Ανάκλαση - Διάθλαση (video)

Όταν το φως που διαδίδεται σ' ένα μέσο συναντήσει τη διαχωριστική επιφάνεια ανάμε­σα σ' αυτό το μέσο διάδοσης και σ' ένα άλλο, τότε ένα μέρος του αλλάζει διεύθυνση και επιστρέφει στο αρχικό μέσο διάδοσης. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάκλαση και διακρίνεται σε

Κατοπτρική ανάκλαση,

Διάχυση.

Η κανονική ( ή κατοπτρική ) ανάκλαση έχουμε όταν παράλληλες ακτίνες προσπίπτουν σε λεία επιφάνεια και ανακλώνται επίσης παράλληλα. Όταν οι ακτίνες μιας φωτεινής παράλληλης δέσμης πέ­σουν πάνω σε μια λεία και στιλπνή επιφάνεια (κάτο­πτρο), ανακλώνται. Οι ανακλώμενες ακτίνες εξακολου­θούν να είναι παράλληλες μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο σχήμα. Η ανάκλαση αυτή ονομάζεται κατοπτρική α­νάκλαση.

Η διάχυση έχουμε όταν παράλληλες ακτίνες προσπίπτουν σε τραχιά επιφάνεια και ανακλώνται προς τυχαίες κατευθύνσεις. Στην περίπτωση όπου οι ακτίνες της φωτεινής παράλ­ληλης δέσμης πέσουν πάνω σε μια επιφάνεια η οποία έ­χει ανωμαλίες, οι ακτίνες που την αποτελούν ανακλώνται σε διάφορες κατευθύνσεις. Έτσι οι ανακλώμενες α­κτίνες δεν είναι πια παράλληλες μεταξύ τους. Η ανά­κλαση αυτή ονομάζεται διάχυση.

Νόμοι της ανάκλασης

α) Η προσπίπτουσα ακτίνα, η ανακλώμενη ακτίνα και η κά­θετος στην επιφάνεια στο σημείο πρόσπτωσης βρίσκονται πάντα στο ίδιο επίπεδο.

β) Η γωνία ανάκλασης (θ_α) είναι ίση με τη γωνία πρόσπτωσης (θ_π), δηλαδή: θ_π= θ_α

Δείτε το παρακάτω σχήμα:

Ανάκλαση από επίπεδο κάτοπτρο:
Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με την γωνία ανάκλασης (θ = θ΄)

Τώρα παρακολουθήστε το παρακάτω video

Διάθλαση :
Θεωρούμε δύο οπτικά μέσα στα οποία το φως διαδίδεται με διαφορετική ταχύτητα. Αν το φως περάσει από το ένα μέσο στο άλλο, ένα μέρος του ανακλάται και το υπόλοιπο διαθλάται, δηλαδή διαδίδεται στο δεύτερο μέσο με δια­φορετική διεύθυνση από την αρχική. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διάθλαση. Η γωνία που σχηματίζει η διαθλώμενη ακτίνα με την κάθετο στη διαχωριστική επιφάνεια των δύο μέσων ονομάζεται γωνία διάθλασης (θ_δ).
Η σχέση που συνδέει τη γωνία πρόσπτωσης με τη γωνία διάθλασης, ως προς την κάθετο, στη διαχωριστική επιφάνεια είναι γνωστή ως "νόμος του Snell".

Ορισμοί

• Γωνία πρόσπτωσης χαρακτηρίζεται η σχηματιζόμενη γωνία από την διεύθυνση της ακτίνας με την κάθετο του σημείου πρόσπτωσής της.
• Γωνία διάθλασης χαρακτηρίζεται η σχηματιζόμενη γωνία από την διαθλώμενη ακτίνα με την ίδια κάθετο του σημείου εισόδου στο διαπερατό μέσο. Όταν ακτίνες φωτός κινούνται από αραιότερο μέσον σε πυκνότερο η γωνία διάθλασης είναι πάντα μικρότερη της προσπίπτουσας. Το αντίθετο συμβαίνει από πυκνότερο σε αραιότερο μέσο.
• Επίπεδο διάθλασης χαρακτηρίζεται το επίπεδο που ορίζεται από τη προσπίπτουσα και ανακλώμενη ακτίνα.
• Κανονική διάθλαση ονομάζεται η εκτροπή μιας ακτίνας όταν περνάει από ένα μέσο σε άλλο που χωρίζονται μεταξύ τους από μια λεία επιφάνεια.
• Δείκτης διάθλασης (index of refraction) χαρακτηρίζεται το μέτρο της εκτροπής (ή κάμψης) που υφίσταται μια ακτίνα διερχόμενη από ένα διαπερατό μέσον σε άλλο. Ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας διάδοσης του φωτός "κενό" προς την ταχύτητα διάδοσης στο υπό εξέταση διαπερατό μεσο . Iσχύει δηλαδή

Από τον παραπάνω ορισμό φαίνεται πως ο δείκτης διάθλασης του κενού ισούται με τη μονάδα. Έτσι, στην περίπτωση όπου έχουμε μετάδοση ακτινοβλίας από το κενό σε ένα οπτικό μέσο με δείκτη διάθλασης , ο τελευταίος μπορεί να οριστεί συναρτήσει των γωνιών πρόσπτωσης και διάθλασης, και αντίστοιχα:

Κάθε διαπερατό σώμα (μέσον) έχει ιδιαίτερο δείκτη διάθλασης, που εξαρτάται από τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Στην ιδιότητα αυτή στηρίζονται πολλοί έλεγχοι τροφίμων π.χ. του βουτύρου, καθώς το αγνό βούτυρο έχει άλλο δείκτη από εκείνο του νοθευμένου, όπως συμβαίνει και με διάφορα λάδια κ.α. υγρά.

Δείτε την εικόνα:

n1. Η ταχύτητα είναι μικρότερη στο δεύτερο μέσο (u2 <>

Διάθλαση του φωτός στην επιφάνεια μεταξύ δύο μέσων διαφορετικών δεικτών διάθλασης, με n₂ > n₁. Η ταχύτητα είναι μικρότερη στο δεύτερο μέσο (u₂ < u₁), οπότε και η γωνία διάθλασης θ₂ είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης θ₁ Σημείωση στο διάγραμμα η διακεκομμένη ευθεία, είναι η κάθετος, στην επιφάνεια πρόσπτωσης.

Δείτε ένα video:

Στο προηγούμενο video προσπαθεί και βρίσκει την ορική ή κρίσιμη γωνία.

Κρίσιμη γωνία ή οριακή

Όταν το φως διέρχεται από ένα πυκνότερο σε ένα αραιότερο μέσο τότε η γωνία πρόσπτωσης μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο. Όταν η γωνία πρόσπτωσης ξεπεράσει μια κρίσιμη τιμή (η οποία εξαρτάται από τα μέσα από τα οποία διέρχεται το φως) τότε δεν υπάρχει εξερχόμενη από το μέσο ακτίνα φωτός. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ολική ανάκλαση του φωτός. Στην εικόνα που ακολουθεί μπορούμε να παρατηρήσουμε αυτό ακριβώς το φαινόμενο. Ακτίνες φωτός ξεκινάνε μέσα από το νερό και κατευθύνονται προς τον αέρα. Όταν οι ακτίνες φωτός έχουν γωνία πρόσπτωσης που δεν ξεπερνάει αυτήν την κρίσιμη τιμή, τότε βλέπουμε και την εξερχόμενη ακτίνα. Όταν όμως φτάσουμε ή ξεπεράσουμε αυτήν την τιμή, δεν υπάρχει εξερχόμενη ακτίνα.

Κρίσιμη ή οριακή γωνία ονομάζουμε την τιμή της γωνίας πρόσπτωσης για την οποία η διαθλώμενη κινείται παράλληλα στη διαχωριστική επιφάνεια

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ

Όταν η φωτεινή ακτίνα μεταβαίνει από οπτικά πυκνότερο σώμα σε αραιότερο, αλλά η γωνία προσπτώσεως είναι μεγαλύτερη μιας τιμής, εξαρτώμενης από τη φύση των δύο μέσων (ορική γωνία), τότε ανακλάται ολικώς.

Πηγές:
1. http://www.clab.edc.uoc.gr/seminar/heraklio/optic/index.htm
2. Παναγιωτακόπουλος,Γ. ,Μαθιουδάκης Γ., (2009),Φυσική Γ΄Λυκείου,Εκδ. Σαββάλας
3. wikipedia
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Refraction