Rozproszenie światła

około 10 minut

W tej lekcji1/16

Spójrz na białą ścianę w swoim pokoju. Widzisz ścianę — ale nie widzisz w niej siebie. Teraz spójrz w lustro obok: widzisz siebie, a samego lustra prawie nie zauważasz. Obie powierzchnie odbijają światło i obie robią to według tego samego prawa. Skąd więc tak ogromna różnica?

Dwa sposoby, na jakie światło wraca od powierzchni

Z poprzedniej lekcji wiesz już, że przedmiot widzimy wtedy, gdy dociera od niego światło do oka, i że światło biegnie prostoliniowo. Teraz pytanie: co dzieje się z wiązką równoległych promieni w chwili, gdy trafi na powierzchnię?

Wszystko zależy od tego, jak ta powierzchnia wygląda z bliska — nie na oko, tylko pod mikroskopem.

Odbicie kierunkowe: gładka powierzchnia zachowuje równoległość

Odbicie kierunkowe (zwierciadlane) zachodzi na powierzchni gładkiej: lustro, spokojna tafla wody, wypolerowany metal, szyba. Promienie, które przyleciały równolegle, po odbiciu nadal są równoległe i lecą wszystkie w tę samą stronę. Dlatego powstaje obraz — twoja twarz, chmury odbite w jeziorze, napis odbity w karoserii.

Powierzchnia gładka: normalna stoi tak samo w każdym punkcie, więc każdy promień odbija się w tę samą stronę

Odbicie rozproszone: chropowata powierzchnia rozrzuca promienie

Odbicie rozproszone zachodzi na powierzchni chropowatej: kartka papieru, ściana, asfalt, drewno, tkanina, skóra. Te same równoległe promienie po odbiciu rozbiegają się w różne strony. Obrazu nie ma — widzisz samą powierzchnię, a nie to, co ją oświetla.

Obie powierzchnie obok siebie

Cecha	Powierzchnia gładka	Powierzchnia chropowata
Przykłady	lustro, spokojna woda, polerowany metal	kartka, ściana, asfalt, tkanina
Równoległe promienie po odbiciu	zostają równoległe	rozbiegają się w różne strony
Czy powstaje obraz	tak	nie
Nazwa zjawiska	odbicie kierunkowe	odbicie rozproszone (rozproszenie)

Uwaga na słowo gładka. Dla fizyki gładkie jest to, czego nierówności są mniejsze niż długość fali światła — a to naprawdę niewiele. Kartka papieru, którą palec odbiera jako idealnie gładką, z bliska wygląda jak splątane góry włókien.

Sedno sprawy: prawo odbicia działa tak samo w obu przypadkach

To najważniejsze zdanie tej lekcji: przy rozproszeniu prawo odbicia obowiązuje dokładnie tak samo jak przy lustrze. Każdy pojedynczy promień, który trafia na kartkę, odbija się pod kątem równym kątowi padania, czyli $\alpha = \beta$ .

Różnica leży wyłącznie w normalnej.

Powiększony garbek kartki: normalna przechylona o 15°, a kąt odbicia nadal równy kątowi padania

Normalne równoległe kontra normalne rozrzucone

Powierzchnia gładka jest w każdym punkcie nachylona tak samo, więc normalne we wszystkich punktach są równoległe. Skoro promienie padają równolegle i normalne są równoległe, to wszystkie kąty padania są równe — i wszystkie promienie odbijają się w tę samą stronę.

Co zawdzięczamy rozproszeniu

1
I bardzo dobrze, że tak jest. Dzięki rozproszeniu widzimy przedmioty z każdej strony — kartka na biurku wysyła światło we wszystkie kierunki naraz, więc widzą ją jednocześnie wszyscy w klasie.
2
Rozproszenie daje też równomierne oświetlenie pokoju: światło żarówki odbija się od sufitu i ścian w tysiące stron i wypełnia całe pomieszczenie.
3
Gdyby wszystko odbijało kierunkowo, świat byłby zbiorem luster, w których widać wyłącznie odbite lampy i oślepiające plamy blasku.
Wskazówka
Wolę pokój niż salę luster — a różnicę robi zwykła chropowatość ścian.

Wszystkie kroki za Tobą!

Skąd biorą się rozbieżne promienie, skoro każdy słucha prawa odbicia

1
Dwa równoległe promienie padają pionowo w dół na kartkę. Pierwszy trafia na fragment leżący płasko — jego normalna jest pionowa, więc kąt padania wynosi zero.
$\alpha_1 = 0°$
2
Promień odbity wraca dokładnie tą samą drogą, pionowo w górę. Kąt odbicia jest równy kątowi padania.
$\beta_1 = \alpha_1 = 0°$
3
Drugi promień trafia obok, na mikroskopijny garbek nachylony o 15°. Normalna tego fragmentu też przechyla się o 15°, więc kąt padania przestaje być zerowy.
$\alpha_2 = 15°$
4
Prawo odbicia stosujemy bez żadnej zmiany: promień odbity odchodzi od tej przechylonej normalnej o te same 15°, tylko po jej drugiej stronie.
$\beta_2 = \alpha_2 = 15°$
5
Liczymy odchylenie od pionu: 15° przechyłu normalnej plus 15° kąta odbicia. Drugi promień leci pod kątem 30° do pionu, a pierwszy prosto w górę.
$15° + 15° = 30°$
Wskazówka
Promienie przyleciały równolegle, a odbiły się w kierunkach różniących się o 30° — i żaden nie złamał prawa odbicia. Winne jest wyłącznie nachylenie powierzchni!

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Promień pada pionowo w dół na chropowatą ścianę i trafia na fragment nachylony o 20° do poziomu. O ile stopni od pionu odchyli się promień odbity?

Pułapka! Przy rozproszeniu prawo odbicia wcale nie przestaje działać

Najczęstszy błąd w tej lekcji brzmi mniej więcej tak: skoro na kartce promienie lecą we wszystkie strony, to znaczy, że prawo odbicia się tam nie stosuje, a światło robi, co chce. Bywa i druga wersja: że na chropowatej powierzchni światło gubi się albo znika.

Pułapka! Na chropowatej powierzchni światło się nie gubi

Światło się nie gubi. Część zostaje pochłonięta przez materiał i zamienia się w energię wewnętrzną (dlatego czarna bluzka nagrzewa się w słońcu), a reszta odchodzi w różne strony — cała, co do promienia.

Rozproszenie nie jest awarią odbicia ani czymś słabszym. To po prostu odbicie od powierzchni, która w każdym punkcie ma inaczej ustawioną normalną.

Sprawdzian myślowy: kartka pod lupą

Sprawdzian myślowy: przyjrzyj się jednemu punktowi kartki przez lupę. Zobaczysz malutkie lusterko ustawione pod jakimś przypadkowym kątem — i tylko dlatego światło od niego poleci w innym kierunku niż od sąsiedniego punktu.

Jeden punkt kartki pod lupą: maleńkie lusterko ustawione pod przypadkowym kątem, a na nim to samo prawo odbicia

Mokra jezdnia nocą — kiedy rozproszenie znika

Mokra jezdnia: promień reflektora pada bardzo ukośnie i tak samo ukośnie odbija się dalej w przód, zamiast wrócić do oczu kierowcy

1
Sucha jezdnia jest chropowata: ziarna kruszywa sterczą we wszystkie strony. Światło reflektorów odbija się od niej rozproszone, więc jego część wraca do oczu kierowcy i białe pasy są dobrze widoczne.
2
Zaczyna padać. Woda wypełnia wszystkie nierówności i zagłębienia, a na wierzchu tworzy cienką, gładką warstwę. Powierzchnia, od której odbija się światło, przestaje być chropowata.
3
Odbicie z rozproszonego staje się kierunkowe. Promienie z reflektorów padają na jezdnię ukośnie, więc ukośnie się też odbijają — lecą dalej w przód i w bok, zamiast wracać do oczu kierowcy.
$\alpha = \beta$
4
Efekt: jezdnia wygląda na ciemną, pasy niemal znikają, a z naprzeciwka razi oślepiający blask świateł innego auta, odbity teraz jak w lustrze. Dlatego nocą w deszczu jedziemy wolniej.
Wskazówka
Ta sama droga, ta sama latarka, to samo prawo odbicia. Zmieniła się tylko gładkość powierzchni — i to wystarczyło, żeby światło poleciało gdzie indziej.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Promień światła pada na chropowatą ścianę i w punkcie padania tworzy z tamtejszą normalną kąt 62°. Ile stopni ma kąt odbicia tego promienia?

Ściąga do zapamiętania

Czym różni się odbicie kierunkowe od rozproszonego i co je łączy?

Odbicie kierunkowe zachodzi na powierzchni gładkiej (lustro, spokojna woda, polerowany metal): równoległe promienie po odbiciu zostają równoległe i powstaje obraz. Odbicie rozproszone zachodzi na powierzchni chropowatej (kartka, ściana, asfalt): promienie rozbiegają się w różne strony i obrazu nie ma. Łączy je prawo odbicia — obowiązuje tak samo w obu przypadkach, każdy promień odbija się pod kątem równym kątowi padania. Różnica polega tylko na tym, że chropowata powierzchnia ma w każdym punkcie inaczej ustawioną normalną. Dzięki rozproszeniu widzimy przedmioty z każdej strony i mamy równomierne oświetlenie pokoju. Mokra jezdnia nocą: woda wypełnia nierówności, odbicie staje się kierunkowe, światło leci w bok zamiast do oczu kierowcy i pasy słabo widać.

Sprawdź się!

Na której z tych powierzchni zachodzi odbicie kierunkowe?

Co dzieje się z prawem odbicia, gdy światło pada na chropowatą powierzchnię?

Dlaczego kartkę leżącą na biurku widzą jednocześnie wszyscy uczniowie w klasie, z różnych miejsc?

Dlaczego nocą podczas deszczu gorzej widać białe pasy na jezdni?

Promień pada pionowo w dół na fragment chropowatej powierzchni nachylony o 10°. O ile stopni od pionu odchyli się promień odbity?

Następny temat

Obrazy w zwierciadle płaskim