KWALIFIKACJA MEP2 - CZERWIEC 2023

PYTANIE NR 40.
Które zjawisko optyczne wykorzystano w budowie światłowodów?
A.
B.
C.
D.
Wyjaśnienie poprawnej odpowiedzi:
Światłowód prowadzi światło w rdzeniu dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzeń–płaszcz.
Warunkiem jest większy współczynnik załamania rdzenia niż płaszcza oraz odpowiednio duży kąt padania (powyżej kąta granicznego), co zapobiega "ucieczce" promienia.

Pełne wyjaśnienie:

W światłowodach wykorzystuje się całkowite wewnętrzne odbicie, aby "uwięzić" światło w rdzeniu i umożliwić jego propagację na duże odległości. Rdzeń ma większy współczynnik załamania niż płaszcz, więc gdy promień dociera do granicy rdzeń–płaszcz pod odpowiednio dużym kątem, nie przechodzi do płaszcza, tylko odbija się z powrotem do rdzenia. Powtarzające się odbicia sprawiają, że energia optyczna jest prowadzona wzdłuż włókna.

Odpowiedź "Rozszczepienia promieni." jest niepoprawna, bo rozszczepienie (dyspersja pryzmatyczna) dotyczy rozdzielania światła na składowe barwne w ośrodku o zależnym od długości fali współczynniku załamania. To zjawisko nie stanowi podstawowego mechanizmu prowadzenia światła w światłowodzie.

Odpowiedź "Załamania promieni." również nie opisuje istoty działania światłowodu. Załamanie zachodzi na wejściu do światłowodu i na granicy ośrodków, ale samo w sobie nie zapewnia prowadzenia promieni w rdzeniu. Kluczowe jest to, że po spełnieniu warunku kąta granicznego promień nie ulega załamaniu do płaszcza, tylko odbija się całkowicie.

Odpowiedź "Częściowego odbicia przy załamaniu." jest myląca: częściowe odbicie występuje przy większości kątów padania, ale w światłowodzie potrzebujemy sytuacji, w której transmisja do płaszcza zanika (w idealnym opisie), czyli zachodzi odbicie całkowite. W praktyce straty mogą się pojawić (zgięcia, niedoskonałości), jednak zasada działania pozostaje związana z całkowitym wewnętrznym odbiciem.

Wskazówka egzaminacyjna: jeśli w pytaniu pojawia się światłowód, rdzeń i płaszcz, najczęściej chodzi o warunek nrdzenia > npłaszcza oraz o kąt graniczny, czyli właśnie całkowite wewnętrzne odbicie.

Dodatkowe pytania

Dodatkowe pytania (FAQ):
Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko, gdy promień światła pada z ośrodka o większym współczynniku załamania na granicę z ośrodkiem o mniejszym i dla kąta większego od granicznego nie przechodzi dalej, tylko w całości się odbija. To kluczowy mechanizm prowadzenia światła w światłowodzie.
Bo światłowód musi utrzymać światło w rdzeniu na długim odcinku. Różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza oraz odpowiedni kąt propagacji powodują wielokrotne odbicia na granicy rdzeń–płaszcz. Dzięki temu promień nie "ucieka" do płaszcza i jest prowadzony wzdłuż włókna.
Muszą być spełnione dwa warunki: (1) światło przechodzi z ośrodka o większym współczynniku załamania do mniejszego, (2) kąt padania na granicę jest większy od kąta granicznego. W światłowodzie odpowiada temu układ rdzeń (większe n) i płaszcz (mniejsze n).
Kąt graniczny to taki kąt padania w rdzeniu na granicę rdzeń–płaszcz, dla którego promień załamany biegłby dokładnie wzdłuż granicy. Dla kątów większych od granicznego nie ma już transmisji do płaszcza w opisie geometrycznym i pojawia się odbicie całkowite, czyli warunek prowadzenia promienia.
Tak, załamanie zachodzi np. na wejściu do włókna (powietrze–rdzeń) i może występować przy niektórych torach promieni. Jednak podstawowym zjawiskiem umożliwiającym propagację wzdłuż włókna jest odbicie całkowite na granicy rdzeń–płaszcz. Sama refrakcja nie zapewnia "uwięzienia" promieni.
Częściowe odbicie występuje często na granicy ośrodków, ale oznacza, że część energii przechodzi do drugiego ośrodka. W światłowodzie kluczowe jest zjawisko, w którym promień pozostaje w rdzeniu (w idealnym ujęciu), czyli całkowite wewnętrzne odbicie. Częściowe odbicie nie tłumaczy mechanizmu prowadzenia.
Zgięcie może zmienić lokalne kąty padania promieni na granicy rdzeń–płaszcz. Jeśli w pewnym miejscu kąt spadnie poniżej kąta granicznego, promień przestaje spełniać warunek odbicia całkowitego i część światła może przejść do płaszcza, co zwiększa straty. Dlatego ważny jest minimalny promień gięcia.
Sygnały typowe to: opis rdzenia i płaszcza, informacja o większym współczynniku załamania rdzenia, prowadzenie światła "wzdłuż włókna" oraz motyw wielokrotnych odbić na granicy warstw. Gdy odpowiedzi obejmują odbicie całkowite, to zwykle jest to właściwy wybór dla światłowodów.
Rdzeń to wewnętrzna część światłowodu, w której propaguje sygnał świetlny. Płaszcz otacza rdzeń i ma zwykle mniejszy współczynnik załamania, co tworzy warunki do całkowitego wewnętrznego odbicia. Ten układ materiałów pozwala prowadzić promienie wzdłuż włókna z ograniczonymi stratami.
Najczęstsze błędy to wybieranie "załamania" jako najbardziej ogólnego zjawiska, mylenie odbicia częściowego z całkowitym oraz kojarzenie światłowodów z rozszczepieniem barw (pryzmat). Warto zapamiętać: światłowód = rdzeń/płaszcz + kąt graniczny + odbicie całkowite.
info

To pytanie poprawnie rozwiązuje 68% zdających egzamin. średnie

Źródła:

  • Wikipedia (pl): "Całkowite wewnętrzne odbicie" — https://pl.wikipedia.org/wiki/Ca%C5%82kowite_wewn%C4%99trzne_odbicie (dostęp: 2026-03-01)
  • Wikipedia (pl): "Światłowód" — https://pl.wikipedia.org/wiki/%C5%9Awiat%C5%82ow%C3%B3d (dostęp: 2026-03-01)
  • Encyclopaedia Britannica: "Total internal reflection" — https://www.britannica.com/science/total-internal-reflection (dostęp: 2026-03-01)

Materiały:

  • Podręcznik/rozdział z optyki geometrycznej: odbicie, załamanie, kąt graniczny
  • Materiały dydaktyczne o budowie i zasadzie działania światłowodów (rdzeń/płaszcz, prowadzenie promieni)
  • Zadania rachunkowe z kąta granicznego i współczynników załamania (dla utrwalenia, mimo że tu nie ma obliczeń)

Aktualizacja pytania: 31.03.2026

Aktualizacja pytania: 31.03.2026
📡 Brak połączenia internetowego