Wetten van de lichtbreking

Deel 3: lichtbreking
1
Cursus pag 167
2


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
3
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
lucht
water
scheidingsvlak
De lichtbundel verandert van richting bij
overgang van de ene naar een andere optische middenstof.
Dit verschijnsel noemt men 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 !
8
Symbolen lichtbreking
lichtbron
?
invalspunt
?invallende
halfcirkelvormig
plexiglas schijfje
straal
?
i?
invalshoek
normaal
?
?
r
?
brekingshoek
?gebroken
straal
N = normaal
I^ = invalshoek
R^ = brekingshoek
i = invallende straal,
r = gebroken straal
10

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
11
12
Wetten van de lichtbreking : « 1 »
invallende
straal
N
i
lucht
scheidingsvlak
plexiglas
t
gebroken
straal
Wetten van de lichtbreking : « 1 »
Lichtstraal
van lucht naar plexiglas
i
?
10°
r
?
6°45’
Wetten van de lichtbreking : « 1 »
Lichtstraal
van lucht naar plexiglas
i
r
10°
6°45’
?
20°
?
13°30’
Wetten van de lichtbreking : « 1 »
Lichtstraal
van lucht naar plexiglas
i
r
10°
6°45’
20°
13°30’
?
30°
?
20°
Wetten van de lichtbreking : « 1 »
Lichtstraal
van lucht naar plexiglas
i
r
10°
6°45’
20°
13°30’
30°
20°
?
40°
?
26°
Wetten van de lichtbreking : « 1 »
Lichtstraal
van lucht naar plexiglas
i
r
10°
6°45’
20°
13°30’
30°
20°
40°
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.
Wetten van de lichtbreking : « 2 »
Lichtstraal
van lucht naar plexiglas
i
r
?0°
?
0°
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.
Wetten van de lichtbreking : « 3 »
Lichtstraal
van plexiglas naar lucht
i
?
10°
r
?
15°30’
Wetten van de lichtbreking : « 3 »
Lichtstraal
van plexiglas naar lucht
i
r
10°
15°30’
?
20°
?
31°30’
Wetten van de lichtbreking : « 3 »
Lichtstraal
van plexiglas naar lucht
i
r
10°
15°30’
20°
31°30’
?
30°
?
48°30’
Wetten van de lichtbreking : « 3 »
Lichtstraal
van plexiglas naar lucht
i
r
10°
15°30’
20°
31°30’
30°
48°30’
?
40°
?
74°30’
Wetten van de lichtbreking : « 3 »
Lichtstraal
van plexiglas naar lucht
i
r
10°
15°30’
20°
31°30’
30°
48°30’
40°
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.


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.
26



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
.
27

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.
28
Cursus pag 172
29
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
30
Verklaring schijnbare verhoging (schematisch)
B
V
r
i<r
r
lucht
water
i
i
B
Schijnbare verhoging
V
i<r


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
33
Cursus pag 174
34
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’.
De totale terugkaatsing
Lichtstraal
van plexiglas naar lucht
i
r
41°30’ = g
i
r
42°
?
i >g
90°
geen breking
42°
?
r wordt t
• Het verschijnsel waarbij de
lichtstraal niet breekt maar wordt
teruggekaatst noemt men
totale terugkaatsing.
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



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
39
Leerstof verwerken
40
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
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
kennis
a.
grenshoek
is de maximale brekingshoek bij overgang van een optisch ijlere
naar een
optisch dichtere stof (invalshoek 90°)
b.
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.
c.
een prisma
in de optica is een prisma een doorzichtig voorwerp met twee
snijdende vlakken. Het is meestal een rechthoekig prisma: gronden bovenvlak zijn twee evenwijdige driehoeken en de drie
zijvlakken staan loodrecht op grond- en bovenvlak.
d.
schijnbare verhoging
is het verschijnsel waarbij een voorwerp ondergedompeld in een
vloeistof hoger wordt waargenomen dan het in werkelijkheid is.
kennis
a.
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.
b.
Er is totale terugkaatsing bij de overgang van optisch
dicht naar optisch ijler indien de invalshoek groter is
dan de grenshoek.
kennis
a. antwoord 2
b. antwoord 6
7
inzicht
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
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
10
De invalshoek I is 57°, dus groter dan de grenshoek.
Figuur b is de correcte oplossing: er is totale
terugkaatsing.
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.
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. Figuur: breking aan het prisma
zelftest
zelftest
a. nummer 3
b. i = 49°
c. r = 72°
16
Het beeld bevindt zich
symmetrisch t.o.v. het
wateroppervlak
zelftest
18
Antwoord a
door de schijnbare verhoging ziet hij de vis hoger
dan hij in werkelijkheid zit, dus moet hij dieper
toehappen.
zelftest
In de doos zit een planparallelle plaat
zelftest
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
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.