3.1 Wat gebeurt er met licht dat doorgelaten wordt?

A Brekingswetten

OPDRACHT 27

Bestudeer uitspraken over het ontstaan van brand.

1 Lees de drie uitspraken.

Wie heeft gelijk volgens jou?

2 Hoe kun je onderzoeken wie gelijk heeft? Enkel een gekromd stuk glas kan brand veroorzaken.

Elk stuk glas kan brand veroorzaken. Dit kan niet door glas veroorzaakt zijn. Het moet een sigarettenpeuk geweest zijn.

Afb. 35

OPDRACHT 28 ONDERZOEK

Onderzoek de stralengang bij de overgang naar een andere doorzichtige middenstof aan de hand van Labo 12 op p. 333.

Kijk opnieuw naar de hypothese over glas die je in opdracht 27 opstelde. Vergelijk je hypothese met je besluit. Als een lichtstraal overgaat van één homogene middenstof naar een andere homogene middenstof, verandert de lichtstraal van richting. Eris breking (of refractie)aan het scheidingsoppervlak, omdat de middenstoffen een verschillende optische dichtheid hebben. 274 THEMA 04 HOOFDSTUK 3 Hoe groter de optische dichtheid, hoe lager de lichtsnelheid. In een heeft het licht een snelheid vvacuüm = 299 792 458 m s = 3,00 · 108 m s vacuüm

In elke andere middenstof is de snelheid lager . . Je kunt doorzichtige

middenstoffen rangschikken volgens hun optische dichtheid, van optisch ijl(hogere lichtsnelheid) naar optisch dicht(lagere lichtsnelheid). ©VAN IN

vvacuüm = 3,00 · 108 m s vdiamant = 1,24 · 108 m s

optisch ijl hoge lichtsnelheid vacuüm

lucht water diamant

glas optisch dicht lage lichtsnelheid

Afb. 36

Op afbeelding 37 en 38 is schematisch de breking weergegeven voor de overgang van een optisch ijle middenstof naar een optisch dichtere middenstof en omgekeerd.

A

i invallende straal n A

i invallende straal n

s I

stof 1: optisch ijl stof 2: optisch dicht s I stof 2: optisch dicht stof 1: optisch ijl

B

r gebroken straal

Afb. 37 Afb. 38

1 2 3 4 5 6 7 Overgang van een optisch ijle naar Overgang van een optische dichte naar een optisch dichte middenstof een optisch ijle middenstof Het oppervlak dat de grens vormt tussen twee doorzichtige middenstoffen, is het scheidingsoppervlak s. De lichtstraal die invalt (vanuit de eerste middenstof) op het scheidingsoppervlak, is de invallende straal i. Het punt waar de invallende straal het oppervlak raakt, is het invalspunt I. De rechte door het invalspunt, loodrecht op het oppervlak, is de normaal n. De hoek tussen de invallende straal en de normaal is de invalshoek î. De lichtstraal die doordringt in de tweede middenstof, is de gebroken straal r. De hoek tussen de gebroken straal en de normaal is de brekingshoek r. THEMA 04 HOOFDSTUK 3 275

r gebroken straal B ©VAN IN

Bij de meest optisch dichte middenstof ligt de straal het dichtst bij de normaal.

WET VAN SNELLIUS OPEN APPLET

➀ De invallende straal, de teruggekaatste straal en de normaal liggen in één vlak. Dat vlak staat loodrecht op het scheidingsoppervlak.

➁ Er is een verband tussen de brekingshoek en de invalshoek: a Een loodrecht invallende lichtstraal breekt niet: r = î = 0°. b Bij de overgang van een optisch ijle naar een optisch dichtere middenstof is er breking van een schuin invallende lichtstraal c naar de normaal toe: r < î. Bij de overgang van een optisch dichte naar een optisch ijlere middenstof is er breking van een schuin invallende lichtstraal van de normaal weg: r > î.

Er is een wiskundig verband tussen de invalshoek en de brekingshoek. Als je nieuwsgierig bent, vind je meer informatie via de QR-code.

Zelf kun je de precieze hoeken bepalen met de applet.

➂ De stralengang is omkeerbaar. Als je op afbeelding 37 en 38 de lichtstraal uit positie B laat vertrekken, komt ze terecht op positie A.

De mate van breking is afhankelijk van het verschil in optische dichtheid en verschilt voor elke golflengte. Bij sommige invalshoeken en vormen van doorzichtige voorwerpen splitst een witte lichtstraal door breking op in de verschillende ROGGBIV-kleuren.

OPDRACHT 29

Bestudeer de afbeeldingen van zonlicht dat invalt op voorwerpen.

Vul de tabel aan. B 276 THEMA 04 HOOFDSTUK 3

A B Door welke middenstoffen verplaatst het licht zich tussen punt A en punt B? Hoe zie je dat het licht breekt? 1 2A ©VAN IN

Als een lichtbundel invalt vanuit een middenstof op een scheidingsoppervlak met een andere middenstof, gelden de drie brekingswetten voor elke lichtstraal. De oriëntatie van de lichtbundel ten opzichte van het oppervlak bepaalt de invalshoek en de normaal voor het invalspunt van elke lichtstraal. De gebroken stralen vormen de lichtbundel na de doorgang door het doorzichtige voorwerp. In tabel 2 zie je de breking van een evenwijdige lichtbundel op verschillende types van doorzichtige voorwerpen.

planparallelle plaat

1

Op een effen, vlak oppervlak heeft het licht van een evenwijdige lichtbundel op elke plaats dezelfde invalshoek. Alle normalen hebben dezelfde oriëntatie.

doorzichtig voorwerp dat begrensd wordt door twee evenwijdige platte vlakken bolle lens

2  De bundel blijft na breking door een planparallelle plaat een evenwijdige bundel, die verschoven is ten opzichte van de invallende bundel.

doorzichtig voorwerp dat wordt begrensd door minstens één gekromd oppervlak en dat dikker is in het midden dan aan de rand THEMA 04 HOOFDSTUK 3 277

Op een bol oppervlak heeft het licht van een evenwijdige lichtbundel op elke plaats een verschillende invalshoek. Alle normalen gaan door het middelpunt van de cirkel.  De gebroken bundel op een bolle lens is een convergerende bundel. De stralen komen samen in het brandpunt F achter de bolle lens. holle lens 3 doorzichtig voorwerp dat wordt begrensd door minstens één gekromd oppervlak en dat dunner is in het midden dan aan de rand

Op een hol oppervlak heeft het licht van een evenwijdige lichtbundel op elke plaats een verschillende invalshoek. Alle normalen gaan door het middelpunt van de cirkel.  De gebroken bundel op een holle lens is een divergerende bundel. De verlengden van de lichtstralen komen samen in het brandpunt F vóór de holle lens. Tabel 2©VAN IN

Bestudeer de afbeeldingen en hun omschrijving.

Noteer in de tabel het type doorzichtig voorwerp dat gebruikt wordt in beide situaties.

1 2

Door een evenwijdige verschuiving ten gevolge van breking lijkt de vrouw onthoofd in het water. Het gekromde oppervlak van waterdruppels maakt een kunstfoto van M&M’s door de verkleining die ontstaat.

De breking van licht ter hoogte van het scheidingsoppervlak tussen twee homogene middenstoffen kun je beschrijven met drie brekingswetten: ➀ De invallende straal, de gebroken straal en de normaal liggen in één vlak. ➁ Er is een verband tussen de brekingshoek en de invalshoek: • loodrecht invallende straal: geen breking: r = î = 0° • optisch ijl naar optisch dicht: breking naar de normaal toe: r < î • optisch dicht naar optisch ijl: breking van de normaal weg: r > î ➂ De stralengang is omkeerbaar. Een evenwijdige lichtbundel die invalt op een doorzichtig voorwerp, breekt als een geordende lichtbundel: • Bij een planparallelle plaat blijft een evenwijdige lichtbundel evenwijdig, maar verschoven na breking. • Bij een bolle lens wordt een evenwijdige lichtbundel een convergerende lichtbundel na breking. • Bij een holle lens wordt een evenwijdige lichtbundel een divergerende lichtbundel na breking. ` Maak oefening 21 t/m 24. ©VAN IN