OPTICA Deel 3: lichtbreking

Lichtbreking Cursus pag 167

Proeven lichtbreking A: Neem een doorschijnend glas met en zonder water en doe er een potlood in B: Leg een dikke glasplaat op een boek Waarneming A)Het lijkt alsof er een “knik “ zit in het potlood B) Het lijkt alsof de letters verschoven zijn Al die verschijnselen zijn het gevolg van lichtbreking

Proef Lichtbreking lucht lucht De lichtbundel verplaatst zich rechtlijnig door de lucht.

Proef Lichtbreking lucht water De lichtbundel verplaatst zich rechtlijnig door de lucht. De lichtbundel verplaatst zich rechtlijnig door het water.

Proef Lichtbreking Lucht, water en plexiglas noemt men optische middenstoffen. Lucht is een optisch ijle middenstof t.o.v. water en plexiglas. Water is een optisch ijle middenstof t.o.v. plexiglas en een optisch dichte middenstof t.o.v. lucht. De indeling in optische ijle en optische dichte middenstoffen hang af van de snelheid dat het licht heeft in de ene middenstof t.o.v. de snelheid in de andere middenstof.

Proef lichtbreking De lichtbundel verandert van richting bij lucht scheidingsvlak water De lichtbundel verandert van richting bij overgang van de ene naar een andere optische middenstof. Dit verschijnsel noemt men lichtbreking.

Besluit lichtbreking Lichtstralen veranderen van richting bij overgang van de ene naar de ander optische middenstof. Dit verschijnsel noemen we lichtbreking Een lichtstraal die loodrecht invalt op het scheidingsoppervlak tussen 2 stoffen loopt echter ongebroken voort !

Symbolen lichtbreking ? lichtbron invalspunt ? halfcirkelvormig plexiglas schijfje invallende straal ? i ? ? ? r ? brekingshoek ? gebroken straal invalshoek normaal

Symbolen lichtbreking N = normaal I^ = invalshoek R^ = brekingshoek i = invallende straal, r = gebroken straal

In deze figuur is de brekingshoek KLEINER dan de invalshoek. Je spreekt dan van “breking naar de normaal toe”. Bij overgang van water naar lucht is de brekingshoek GROTER dan de invalshoek Je spreekt dan van “ breking van de normaal weg” Verloopt de breking naar de normaal toe dan zeg je dat de tweede middenstof optisch dichter is dan de eerste, verloopt de breking van de normaal weg dan is de tweede middenstof optisch ijler dan de eerste

Lln proef lichtbreking

Wetten van de lichtbreking : « 1 » invallende straal N i lucht scheidingsvlak plexiglas t gebroken straal

van lucht naar plexiglas Wetten van de lichtbreking : « 1 » Lichtstraal van lucht naar plexiglas i r 10° ? 6°45’ ?

van lucht naar plexiglas Wetten van de lichtbreking : « 1 » Lichtstraal van lucht naar plexiglas i r 10° 6°45’ 20° ? 13°30’ ?

van lucht naar plexiglas Wetten van de lichtbreking : « 1 » Lichtstraal van lucht naar plexiglas i r 20° 10° 13°30’ 6°45’ 30° ? 20° ?

van lucht naar plexiglas Wetten van de lichtbreking : « 1 » Lichtstraal van lucht naar plexiglas i r 20° 10° 30° 13°30’ 6°45’ 20° 40° ? 26° ?

van lucht naar plexiglas Wetten van de lichtbreking : « 1 » Lichtstraal van lucht naar plexiglas i r 20° 10° 30° 40° 13°30’ 6°45’ 20° 26° 50° ? 31°30’ ? De lichtstraal gaat van een optisch IJLERE middenstof naar een optisch DICHTERE middenstof. i > r De lichtstraal breekt naar de normaal toe.

van lucht naar plexiglas Wetten van de lichtbreking : « 2 » Lichtstraal van lucht naar plexiglas i r ? 0° 0° ?

van lucht naar plexiglas van plexiglas naar lucht Wetten van de lichtbreking : « 2 » Lichtstraal van lucht naar plexiglas i r 0° 0° Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r ? 0° 0° ? i = r = 0° Een loodrecht invallende lichtstraal gaat rechtdoor.

van plexiglas naar lucht Wetten van de lichtbreking : « 3 » Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 10° ? 15°30’ ?

van plexiglas naar lucht Wetten van de lichtbreking : « 3 » Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 10° 15°30’ 20° ? 31°30’ ?

van plexiglas naar lucht Wetten van de lichtbreking : « 3 » Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 20° 10° 31°30’ 15°30’ 30° ? 48°30’ ?

van plexiglas naar lucht Wetten van de lichtbreking : « 3 » Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 20° 10° 30° 31°30’ 15°30’ 48°30’ 40° ? 74°30’ ?

van plexiglas naar lucht Wetten van de lichtbreking : « 3 » Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 20° 10° 30° 40° 31°30’ 15°30’ 48°30’ 74°30’ 41°30’ ? 90° ? De lichtstraal gaat van een optisch dichte middenstof naar een optisch ijlere middenstof. i < r De lichtstraal breekt van de normaal weg.

Besluit lln proef lichtbreking De invallende straal, de gebroken straal en de normaal liggen in eenzelfde vlak(ken ) Bij overgang van een optisch ijlere naar een optisch dichtere stof breekt een schuin invallende lichtstraal naar de normaal toe De invalshoek is groter dan de brekingshoek. (^i>^r) Bij overgang van een optisch dichte naar een optisch ijlere stof breekt een schuin invallende lichtstraal van de normaal weg. De invalshoek is kleiner dan de brekingshoek. (^i < ^r) Een loodrecht invallende lichtstraal gaat rechtdoor De grootte van de brekingshoek is afhankelijk van de grootte van de invalshoek en van de aard van de middenstoffen.

Lichtbreking is het verschijnsel waarbij de lichtstralen van richting veranderen bij overgang van de ene naar een andere optische middenstof. De brekingshoek ( ^r ) is de hoek gevormd tussen de normaal en de gebroken straal. De invallende straal, de gebroken straal en de normaal liggen in eenzelfde vlak, loodrecht op het scheidingsoppervlak .

Een loodrecht invallende lichtstraal gaat rechtdoor Bij overgang van een optisch ijlere naar een optisch dichtere stof is er een breking naar de normaal toe De invalshoek is groter dan de brekingshoek (^i>^r) Bij overgang van een optisch dichte naar een optisch ijlere stof is er een breking van de normaal weg De invalshoek is kleiner dan de brekingshoek. (^i < ^r) Een loodrecht invallende lichtstraal gaat rechtdoor De stralengang is omkeerbaar. De grootte van de brekingshoek is afhankelijk van de grootte van de invalshoek en van de aard van de middenstoffen.

Toepassingen van de lichtbreking Cursus pag 172

Schijnbare diepte in het water Hoe komt het dat we een vis hoger zien dan waar hij werkelijk zit? We zien het voorwerp altijd in het verlengde van de straal die invalt op het netvlies : “ schijnbare verhoging van de vis” Lichtstralen afkomstig van een voorwerpspunt onder water schijnen te komen uit een virtueel beeld dat hoger ligt dan het voorwerpspunt

Verklaring schijnbare verhoging (schematisch)

r i < r r lucht i i water i < r B Schijnbare verhoging V

Werkelijke stand van de zon De dichtheid van de lucht vermindert met de hoogte, daardoor ondergaat een lichtstraal die de dampkring binnendringt een reeks brekingen. Als gevolg van de breking zie je de zon hoger staan dan het zich in werkelijkheid bevindt

Totale terugkaatsing Cursus pag 174

van plexiglas naar lucht De totale terugkaatsing Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 41°30’ ? 90° ? Is r = 90° in een optisch ijlere middenstof dan noemt men de overeenkomende invalshoek i de grenshoek g. Voor plexiglas is de grenshoek g = 41°30’.

van plexiglas naar lucht De totale terugkaatsing Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 41°30’ = g 90° i r 42° ? 42° ? i > g geen breking r wordt t Het verschijnsel waarbij de lichtstraal niet breekt maar wordt teruggekaatst noemt men totale terugkaatsing.

van plexiglas naar lucht De totale terugkaatsing Lichtstraal van plexiglas naar lucht i r 41°30’ 90° i t 42° 42° 50° ? 50° ? Totale terugkaatsing doet zich voor als: het licht in een optisch dichtere middenstof vertrekt; i > g.

De totale terugkaatsing

Totale terugkaatsing Het verschijnsel waarbij geen enkel lichtstraal breekt, maar alle lichtstralen teruggekaatst worden noemt men totale terugkaatsing De grenshoek g is de invalshoek in een optisch dichtere middenstof waarbij de brekingshoek 90° is Totale terugkaatsing doet zich voor als Het licht in een optisch dichtere middenstof vertrekt De invalshoek groter is dan de grenshoek

Leerstof verwerken

1 kennis 1 invallende straal, 2 invalspunt, 3 scheidingsoppervlak of grensoppervlak, 4 normaal, 5 gebroken straal, 6 optisch ijlere stof, 7 optisch dichtere stof, 8 invalshoek, 9 brekingshoek

2 Wetten van de breking kennis de invallende straal, de gebroken straal en de normaal liggen in één vlak, loodrecht op het scheidingsoppervlak bij overgang van optisch ijler naar optisch dichter is er een breking naar de normaal toe. Bij overgang van optisch dichter naar optisch ijler is er breking van de normaal weg. Die breking vindt plaats als de invalshoek kleiner of gelijk is aan de grenshoek. Als de grenshoek overschreden wordt is er totale terugkaatsing binnen de optisch dichte stof. De breking is afhankelijk van de soort middenstof (en van de kleur van het gebruikte licht) de stralengang is omkeerbaar

3 Omschrijf met je eigen woorden kennis grenshoek is de maximale brekingshoek bij overgang van een optisch ijlere naar een optisch dichtere stof (invalshoek 90°) totale terugkaatsing het verschijnsel dat optreedt als de lichtstraal bij een overgang van optisch dichtere naar optisch ijlere stof invalt onder een hoek die groter is dan de grenshoek. Er treedt geen breking op, de lichtstraal treedt niet uit de optisch dichtere stof maar kaatst volledig terug binnen de optisch dichtere stof. een prisma in de optica is een prisma een doorzichtig voorwerp met twee snijdende vlakken. Het is meestal een rechthoekig prisma: grond- en bovenvlak zijn twee evenwijdige driehoeken en de drie zijvlakken staan loodrecht op grond- en bovenvlak. schijnbare verhoging is het verschijnsel waarbij een voorwerp ondergedompeld in een vloeistof hoger wordt waargenomen dan het in werkelijkheid is.

4 kennis Er treedt lichtbreking op als een lichtstraal overgaat van de ene middenstof naar de andere als ze invalt onder een bepaalde hoek. Bij loodrechte inval wordt de straal niet gebroken. Bij overgang van optisch dicht naar optisch ijler is er enkel breking zolang de invalshoek kleiner of gelijk is aan de grenshoek. Er is totale terugkaatsing bij de overgang van optisch dicht naar optisch ijler indien de invalshoek groter is dan de grenshoek.

5 kennis

6 inzicht a. antwoord 2 b. antwoord 6 7 linksboven: fout, de breking moet gebeuren van de normaal weg rechtsboven: fout, totale terugkaatsing treedt niet op bij overgang van een ijler naar een dichtere middenstof en een van de pijltjes staat fout linksonder: fout, breking moet naar de normaal toe rechtsonder: fout, bij loodrechte inval is er geen breking

8 inzicht a, b, d, f zijn fout Figuur c en e zijn correct als de invalshoek op de zijde van het prisma groter is dan de grenshoek en dat is hoogstwaarschijnlijk het geval. 9 De invalshoek I is 57°, dus groter dan de grenshoek. Figuur b is de correcte oplossing: er is totale terugkaatsing. 10

11 toepassen Hij denkt dat de vis zich bevindt op plaats 1: de gebroken straal komt in het oog van de visser. Hij situeert het voorwerp in het verlengde van die straal (rechtlijnige voortplanting van het licht). In werkelijkheid moet hij lager mikken op plaats 2.

12 toepassen De invallende straal valt in onder een hoek I1 en breekt onder een hoek R1. Vermits de zijden van de plaat evenwijdig zijn de hoeken R1 en I2 gelijk. Wegens de omkeerbaarheid van de stralengang zal de hoek R2 gelijk zijn aan I1 . Uit de gelijkheid der hoeken volgt het evenwijdig zijn van de lichtstralen.

toepassen 13 13. Figuur: breking aan het prisma 14. Figuur

zelftest 14 14. Figuur

zelftest 15 a. nummer 3 b. i = 49° c. r = 72° 16 Het beeld bevindt zich symmetrisch t.o.v. het wateroppervlak

zelftest 17 18 Antwoord a door de schijnbare verhoging ziet hij de vis hoger dan hij in werkelijkheid zit, dus moet hij dieper toehappen.

zelftest 19 In de doos zit een planparallelle plaat

zelftest 23 De warme luchtlagen dicht tegen de warme aarde zijn ijler dan de koudere luchtlagen. Er gebeurt dus een breking van optisch dicht naar optisch ijler, dus van de normaal weg. Op bepaald ogenblik is de invalshoek groter dan de grenshoek en is er totale terugkaatsing. De waarnemer echter situeert het voorwerp in het verlengde van de straal die in zijn oog komt en ziet de voorwerpen en de lucht als een spiegeling op de grond.

zelftest 25 Dat zou een mogelijke stralengang kunnen zijn. De hoeken moeten berekend worden met een wiskundige formule(brekingswet). Het is mogelijk dat de stralen iets meer verticaal uit het prisma treden, zodat de deviatie nagenoeg 100° is. In elk geval is het beeld rechtopstaand. De wielrenner ziet de wereld niet op zijn kop.