Prędkość światła w wodzie wynosi ok. 225 000 km/s, co wynika z prawa załamania światła. Obliczamy ją dzieląc prędkość światła w próżni (299 792 458 m/s) przez współczynnik załamania wody (n = 1,33). Prędkość światła zmienia się zależnie ośrodka – im większy współczynnik załamania, tym wolniej przemieszcza się światło. Zmniejszona prędkość w wodzie powoduje zjawiska optyczne jak załamanie promieni świetlnych na granicy powietrze-woda.

Refrakcja światła to ciekawe zjawisko fizyczne, które towarzyszy nam każdego dnia. Gdy promień świetlny przechodzi przez granicę dwóch ośrodków o różnych gęstościach optycznych, następuje zmiana jego prędkości i kierunku. Właśnie przy okazji zjawisku łyżeczka zanurzona w szklance herbaty wydaje się złamana. W wodzie światło porusza się wolniej niż w powietrzu – jego prędkość spada do około 225 000 kilometrów na sekundę.

Zjawisko to ma ogromne znaczenie przydatne w optyce, telekomunikacji i wielu innych dziedzinach nauki. Współczynnik załamania światła jest wielkością bezwymiarową, charakterystyczną dla danego ośrodka i zależy od jego właściwości fizycznych. Kiedy promień światła pada na powierzchnię wody pod kątem różnym od prostopadłego, ulega on odchyleniu zgodnie z prawem Snelliusa.

Matematyczne aspekty refrakcji w środowisku wodnym

Prawo Snelliusa opisuje ilościową zależność między kątami padania i załamania:.

• Współczynnik załamania światła dla wody wynosi 1,33
• Prędkość światła w próżni to około 300 000 km/s
• Kąt graniczny dla przejścia światła z wody do powietrza to 48,5°
• Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia zachodzi przy kątach większych od granicznego

Zjawisko refrakcji ma znaczenie w konstrukcji przyrządów optycznych (od prostych soczewek po zaawansowane mikroskopy elektronowe). Dyfrakcja i polaryzacja to zjawiska ściśle związane z załamaniem światła, które wspólnie tworzą podstawy aktualnej optyki. W wodzie obserwujemy szczególnie interesujące efekty związane z dyspersją światła – rozszczepieniem wiązki na różne długości fal.

Praktyczne zastosowania efektu Snelliusa

„Zrozumienie zasad refrakcji pozwoliło na rozwój technologii światłowodowej” – to stwierdzenie doskonale obrazuje przydatne znaczenie tego zjawiska. Światłowody wykorzystują zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, które jest bezpośrednią konsekwencją prawa załamania światła. Jak to wpływa na współczesną komunikację?

Możemy przesyłać ogromne ilości danych na znaczne odległości z minimalnym tłumieniem sygnału. W medycynie refrakcja znalazła zastosowanie w konstrukcji endoskopów i precyzyjnych przyrządów diagnostycznych. Interferometria światłowodowa stanowi podstawę wielu czułych metod pomiarowych. Także – efekty refrakcji są wykorzystywane w systemach nawigacji podwodnej i oceanografii (gdzie precyzyjne pomiary załamania światła pomagają określić zasolenie wody).

Dlaczego światło zachowuje się jak marudny biegacz w różnych materiałach?

Prędkość światła w próżni wynosi około 300 000 kilometrów na sekundę i jest to maksymalna możliwa prędkość we wszechświecie. Gdy światło wchodzi do innego ośrodka, na przykład wody, szkła czy powietrza, jego prędkość mocno się zmniejsza. Jest to wywołane oddziaływaniem fotonów z atomami materiału, przez który przechodzi. W wodzie światło porusza się z prędkością około 225 000 kilometrów na sekundę, co stanowi 75% jego prędkości w próżni. Zjawisko to jest przyczyną załamania światła, które możemy zaobserwować, gdy patrzymy na słomkę zanurzoną w szklance z wodą.

Właśnie różnice w prędkości światła w różnych ośrodkach umożliwiają działanie światłowodów i soczewek optycznych. Współczynnik załamania światła, który jest stosunkiem prędkości światła w próżni do prędkości w danym ośrodku, określa, jak bardzo światło zostanie spowolnione w danym materiale. W diamencie przykładowo, światło porusza się zaledwie z prędkością około 124 000 kilometrów na sekundę.

Jak światło tańczy w morzu płynów – tajemnice współkwestii załamania

Współczynnik załamania światła to fundamentalna właściwość optyczna, która różni się mocno między cieczami. W wodzie destylowanej wynosi on około 1,33, w czasie gdy w glicerynie osiąga wartość aż 1,47. Alkohol etylowy wyróżnia się współczynnikiem na poziomie 1,36, co plasuje go pomiędzy tymi wartościami.

• Woda destylowana – 1,33
• Alkohol etylowy – 1,36
• Aceton – 1,36
• Gliceryna – 1,47
• Olej parafinowy – 1,48
• Benzyna – 1,38
• Olej silikonowy – 1,52

Różnice w współczynnikach załamania światła są podstawą dla wielu celów przemysłowych i laboratoryjnych. Zasadnicze jest to w produkcji soczewek kontaktowych, gdzie precyzyjne dopasowanie współczynnika załamania ma zasadnicze znaczenie dla komfortu użytkowania.

Zjawisko birefringencji w cieczach anizotropowych

Fascynującym aspektem niektórych cieczy jest ich zdolność do podwójnego załamania światła, znana jako birefringencja. Występuje ona w cieczach anizotropowych, gdzie współczynnik załamania światła zależy od kierunku propagacji i polaryzacji fali świetlnej. W kryształach ciekłych wykorzystywanych w wyświetlaczach LCD właściwość ta jest podstawą działania urządzenia.

Światło w tańcu z wodą – optyczna przygoda

Światło przechodząc przez wodę ulega zjawisku dyspersji optycznej, co znaczy, że różne długości fal świetlnych załamują się pod różnymi kątami. Im krótsza długość fali, tym silniejsze jest jej załamanie. Dzieje się tak, ponieważ współczynnik załamania światła w wodzie zależy od długości fali.

Właśnie dlatego, gdy białe światło słoneczne przechodzi przez krople wody, rozszczepione zostaje na różne barwy, tworząc zjawisko tęczy. Fioletowa część widma załamuje się najsilniej, w czasie gdy czerwona najsłabiej. Ten efekt można zaobserwować w naturze, w laboratoriach fizycznych w czasie eksperymentów z pryzmatami wypełnionymi wodą. Zjawisko to wykorzystywane jest w wielu dziedzinach nauki i techniki. Woda, jako ośrodek dyspersyjny, ma współczynnik załamania około 1,33, co sprawia, że jest świetnym medium do obserwacji tego ciekawego zjawiska optycznego. Można je także zaobserwować w codziennym życiu, gdy światło przechodzi przez akwarium czy szklanę wypełnioną wodą, tworząc charakterystyczne rozszczepienie barw na krawędziach.