Natura și proprietățile luminii, reflexie, refracție, dispersie și polarizare.
Lumina este o undă electromagnetică transversală, formată dintr-un câmp electric și unul magnetic care oscilează perpendicular unul pe altul și perpendicular pe direcția de propagare. Spre deosebire de sunet, lumina nu are nevoie de mediu — se propagă și prin vid.
În vid, viteza luminii este o constantă universală:
c = 3·10⁸ m/s (mai exact 299 792 458 m/s)
Într-un mediu transparent, lumina se propagă mai încet, cu viteza v < c. Raportul dintre cele două definește indicele de refracție absolut:
n = c/v
De aici rezultă direct că n este întotdeauna supraunitar (n ≥ 1), iar pentru vid n = 1. Valori de reper: aer n ≈ 1, apă n ≈ 1,33, sticlă n ≈ 1,5, diamant n ≈ 2,42. Un mediu cu n mai mare se numește mediu mai refringent.
Când lumina trece dintr-un mediu în altul, frecvența rămâne neschimbată (ea este dată de sursă), în schimb viteza și lungimea de undă se modifică: λ = λ0/n, unde λ0 este lungimea de undă în vid. Această propoziție decide corect sau greșit multe subpuncte de la BAC, pentru că elevii au reflexul de a schimba frecvența.
Examenul cere și dublul caracter, ondulatoriu și corpuscular, al luminii. Fenomenele de interferență, difracție și polarizare dovedesc natura ondulatorie, în timp ce efectul fotoelectric și efectul Compton dovedesc natura corpusculară, de fascicul de fotoni cu energia E = h·ν. Ambele fețe sunt reale; modelul folosit depinde de fenomenul studiat.
La suprafața de separare a două medii transparente, lumina se împarte: o parte se întoarce în primul mediu (reflexie), o parte trece în al doilea, schimbându-și direcția (refracție).
Legile reflexiei:
Legile refracției:
n₁·sin i = n₂·sin r
Atenție, toate unghiurile se măsoară față de normală, niciodată față de suprafață. Este eroarea numerică numărul unu la problemele de optică: dacă enunțul dă unghiul cu suprafața, trebuie să lucrezi cu complementul lui.
Sensul devierii se reține logic, fără formulă: la trecerea dintr-un mediu mai puțin refringent într-unul mai refringent (de exemplu aer → apă), lumina încetinește și raza se apropie de normală (r < i). Invers, la trecerea spre un mediu mai puțin refringent, raza se depărtează de normală.
O consecință practică cerută frecvent: din cauza refracției, obiectele scufundate par mai aproape de suprafață decât sunt în realitate, iar un băț introdus oblic în apă pare frânt. La incidență normală (i = 0) lumina trece nedeviată, deși viteza ei se modifică.
Reflexia totală apare doar în condiții precise, iar enunțarea lor corectă este cerută explicit la subiectul teoretic:
Unghiul limită l se obține punând condiția ca raza refractată să iasă razant la suprafață (r = 90 de grade) în legea refracției:
sin l = n₂/n₁
Pentru interfața apă–aer, sin l = 1/1,33, deci l ≈ 49 de grade; pentru sticlă–aer, l ≈ 42 de grade; pentru diamant, doar aproximativ 24 de grade — de aceea diamantul strălucește atât de puternic, lumina fiind capturată în interior prin reflexii repetate.
Peste unghiul limită, raza refractată dispare complet: toată energia luminoasă se întoarce în primul mediu. Nu se pierde nimic prin transmisie, de aici numele fenomenului.
Aplicații de reținut pentru itemii teoretici: fibra optică, în care lumina este ghidată prin mii de reflexii totale între miez și înveliș, stând la baza internetului și a endoscopiei medicale; prismele cu reflexie totală din binocluri și periscoape, care înlocuiesc oglinzile obișnuite pentru că nu pierd lumină; mirajele, produse de straturi de aer cu indici diferiți; refractometrul, folosit la determinarea concentrațiilor.
Greșeala frecventă: elevii aplică reflexia totală la trecerea aer → sticlă. Acolo fenomenul este imposibil, indiferent de unghi, pentru că raza se apropie de normală, nu se depărtează.
Dispersia este descompunerea luminii albe în culorile componente la trecerea printr-un mediu transparent, de exemplu printr-o prismă optică.
Cauza fizică se cere formulată exact: indicele de refracție al unui mediu depinde de lungimea de undă a luminii, n = n(λ). Pentru mediile obișnuite (dispersie normală), n este mai mare pentru lungimi de undă mici. Prin urmare:
Ordinea culorilor în spectrul continuu obținut, de la deviație minimă la maximă: roșu, oranj, galben, verde, albastru, indigo, violet.
Două precizări care aduc puncte. Prima: în vid toate culorile se propagă cu aceeași viteză c, deci în vid nu există dispersie; fenomenul apare doar în medii materiale. A doua: prisma nu creează culorile, ci doar le separă — ele existau deja în lumina albă, iar recompunerea lor cu o a doua prismă dă din nou lumină albă.
Curcubeul se explică prin refracția, reflexia internă și din nou refracția luminii solare în picăturile de apă din atmosferă. În curcubeul principal roșul se vede la exterior, iar violetul la interior.
O confuzie clasică: elevii spun că violetul se deviază mai puțin pentru că are energie mai mare. Energia mai mare a fotonului nu are legătură cu deviația; ce contează este indicele de refracție, iar acesta este cel mai mare tocmai pentru violet.
Interferența luminii este suprapunerea a două unde luminoase coerente — cu aceeași frecvență și diferență de fază constantă în timp. Două becuri obișnuite nu produc figură de interferență, pentru că emisia lor este haotică; de aceea, în dispozitivul Young, se folosește o singură sursă, a cărei lumină este împărțită prin două fante apropiate.
Condițiile, funcție de diferența de drum δ:
În dispozitivul Young, cu 2l distanța dintre fante și D distanța până la ecran, interfranja (distanța dintre două franje luminoase consecutive) este:
i = λ·D/(2l)
Citeste formula ca pe o rețetă de reglaj: figura se lărgește dacă apropii fantele sau depărtezi ecranul și dacă folosești lumină cu λ mai mare (roșie). Cu lumină albă, franja centrală este albă, iar celelalte devin colorate, pentru că fiecare culoare are propria interfranjă.
Difracția este ocolirea obstacolelor de către lumină și pătrunderea ei în zona de umbră geometrică. Devine observabilă atunci când dimensiunea obstacolului sau a fantei este comparabilă cu lungimea de undă. De aceea difracția sunetului o observăm zilnic (λ de ordinul metrilor), în timp ce difracția luminii cere fante de ordinul micrometrilor.
Ambele fenomene sunt dovezi ale naturii ondulatorii a luminii: modelul de rază nu poate explica nici franjele întunecate obținute prin adunarea a două fascicule de lumină, nici pătrunderea luminii dincolo de marginea unui obstacol.
Lumina emisă de o sursă obișnuită este naturală (nepolarizată): vectorul câmp electric oscilează, perpendicular pe direcția de propagare, în toate direcțiile posibile, cu probabilitate egală.
Polarizarea este fenomenul prin care oscilațiile sunt restrânse la o singură direcție. Lumina devine liniar polarizată.
Metode cerute în programă:
Dacă trimiți lumină polarizată printr-un al doilea polaroid (analizor), intensitatea transmisă respectă legea lui Malus: I = I0·cos²θ, unde θ este unghiul dintre axele celor două filtre. Când filtrele sunt încrucișate (θ = 90 de grade), lumina este stinsă complet.
Concluzia teoretică esențială, care se cere formulată explicit: numai undele transversale se pot polariza. Faptul că lumina se polarizează dovedește că este o undă transversală. Sunetul, undă longitudinală, nu se poate polariza niciodată — aceasta este o comparație clasică de subiect.
Aplicații: ochelarii de soare polarizanți, care taie strălucirea reflectată de asfalt sau de apă; ecranele LCD; filtrele fotografice; controlul tensiunilor mecanice în piese transparente (fotoelasticitate); determinarea concentrației soluțiilor de zahăr cu polarimetrul.