Ha a fény két átlátszó közeg határán halad át (pl. levegőből üvegbe, vízből levegőbe halad), akkor a fénysugár
- egy része az új közeg határán visszaverődik,
- másik része behatol a második közegbe, és megváltoztatja az irányát. Ezt a jelenséget nevezzük fénytörésnek.
1. kísérlet
Az üvegkád vizébe kevert nyomjelző vegyülettel és a víz fölé juttatott füsttel tehetjük láthatóvá
- a beeső,
- a vízfelületről visszavert és
- a vízbe belépő fény útját.
2. kísérlet
Az 1. kísérlet eszközét felhasználva a vízzel telt üvegkádból bocsássunk fénysugarat felfelé. Most is észleljük a fénytörést, és azt is láthatjuk, hogy a vízfelülethez érkező fénysugár egy része visszaverődik, a másik része a haladási irányát megváltoztatva kijut a levegőbe.
Biztosan vannak hétköznapi tapasztalataink a fénytörésről, de a természetben is sokszor találkozunk vele.
Elnevezések
A beesési pontban a felületre állított merőleges a beesési merőleges.
A beesési merőlegesnek a beeső fénysugárral bezárt szöge a beesési szög: α.
A beesési merőlegesnek a megtört fénysugárral bezárt szöge a törési szög: β.
A beesési merőlegesnek a visszavert fénysugárral bezárt szöge a visszaverődési szög: α’.
A beesési szög egyenlő a visszaverődési szöggel: α = α’.
A törési szög a beesési szögnél lehet kisebb vagy nagyobb, a közegektől függően. Az ábrán látható esetben a törési szög a kisebb.
A határfelületre merőlegesen érkező fénysugár irányváltozás nélkül halad tovább.
Fénytörés-kvíz
A beesési szög és a törési szög kapcsolatának vizsgálata
3. kísérlet
Az ábrán látható esetben a beesési szög és visszaverődési szög egyenlő: α = 30°, a törési szög kisebb: β = 20°.
A fényforrás mozgatásával változtathatjuk a beesési szöget.
Érdekesség
Az az élőlény, amelyik ismeri a gravitációt és a fénytörést is, jutalmat érdemel; ez a jávai lövőhal. A jávai lövőhal víz felett élő rovarokkal táplálkozik. Vadászati módszere: szájába vizet szív fel, és spriccel a célpont felé. Az eltalált rovar beleesik a vízbe, és táplálékká válik. A rovar eltalálásához a lövőhalnak ismernie kell a fizika legalább két jelenségét:
- a fénytörést, mert a rovar nem ott látszódik a víz alól nézve, ahol valójában van;
- a gravitációt, mivel a „lövedék” nyomvonala lefelé görbül.
Fénytörés-szimuláció
Érdekesség
A leggyorsabb internetkapcsolatot fénykábelekkel valósítják meg. Ezek működése a teljes fényvisszaverődésen alapul. A fénykábel nagy előnye, hogy nagyon jó a hatásfoka, akár 500 km-re is lehet összeköttetést létesíteni közbenső erősítés nélkül. Amerika és Európa között 1988-ban fektették le az Atlanti-óceánban az első, 6700 km hosszú fénykábelt. A száloptikát a világításban is használjuk, elsősorban díszítés céljából.
Teljes fényvisszaverődés
A vízből levegőbe haladó fénysugár törési szöge mindig nagyobb, mint a beesési szög. Ha a beesési szöget növeljük, egyszer csak a törési szög már eléri a 90°-ot. Ilyenkor már a két közeg határán haladna a fény, helyette viszont a fénynek ez a része is visszaverődik. Ezért a neve teljes visszaverődés. Ezt az ismeretet használják ki a búvárok, hogy megvilágítsák a tengerek, folyók élőlényeit.
Összefoglalás
Ha a fény két átlátszó közeget elválasztó felülethez érkezik, akkor a fény
- egy része az új közeg határán visszaverődik;
- másik része, irányát megváltoztatva, behatol a második közegbe, és megtörik.
A beesési szög egyenlő a visszaverődési szöggel: α = α’.
A β törési szög kisebb, ha a fény levegőből vízbe vagy üvegbe halad, és nagyobb, ha vízből vagy üvegből levegőbe lép át.
Növekvő beesési szöghöz növekvő törési szög tartozik.
Fénytörés és fényvisszaverődés
Kérdések, feladatok
- Hogyan halad tovább a felületre merőlegesen érkező fénysugár?
- A lövőhalnak a látott rovar alá vagy fölé kell céloznia, hogy az táplálékká váljék?
- A gólyának a patakban látott béka helyzetéhez képest hová kell a csőrével céloznia, hogy a béka az ő ebédje legyen?
