Fenomen refrakcije svjetlosti je ... Zakon o lomljenju svjetlosti

Fenomen refrakcije svjetlosti je fizički fenomen koji se javlja svaki put kada se val kreće od jednog materijala u drugi, u kojem se mijenja brzina propagacije. Vizualno se očituje u činjenici da se smjer valnog prometa mijenja.

Fizika: lom svjetlosti

Ako incidentna zraka pada na presjek između dva medija pod kutom od 90 °, ništa se ne događa, nastavlja se kretanje u istom smjeru pod pravim kutom prema sučelju. Ako se kut incidencije snopa razlikuje od 90 °, javlja se fenomen svjetlosnog loma. To, na primjer, proizvodi čudne efekte kao prividni prijelom objekta koji je djelomično uronjen u vodu ili mirages koji se opažaju u pustinji vruće pijeska.

Povijest otkrića

U prvom stoljeću AD. e. Drevni grčki geograf i astronom Ptolomej pokušali su matematički objasniti veličinu refrakcije, no zakon koji je kasnije predložio pokazao se nepouzdanim. U XVII stoljeću. nizozemski matematičar Willebrord Snell razvio je zakon koji određuje veličinu povezanu s omjerom incidenta i refrakiranim kutovima, koji je kasnije nazvan indeksom loma tvari. Zapravo, što je više tvari sposobno odbiti svjetlost, veća je ta vrijednost. Olovka u vodi je "slomljena", jer zrake koje dolaze iz njega mijenjaju svoj put na sučelju zraka i vode prije nego što dođu do oka. Zbunjeni Snell nikad nije uspio pronaći uzrok tog učinka.

1678. godine, još jedan nizozemski znanstvenik Christiaan Huygens razvio matematički odnos koji objašnjava zapažanja Snell i predložio da se fenomen loma svjetlosti - je rezultat različitih brzina pri kojoj se zraka prolazi kroz dva okruženja. Huygens je utvrdio da je stav kutovi svjetlosti koja prolazi kroz dva materijala s različitim indeksima loma mora biti jednak omjeru njegove brzine u svakom materijalu. Dakle, on je pretpostavljao da, kroz medije koji imaju veći indeks loma, svjetlo se sporije kreće. Drugim riječima, brzina svjetlosti kroz materijal je obrnuto proporcionalna njegovom indeksu loma. Iako zakon naknadno je potvrđeno eksperimentalno, to nije bilo za mnoge istraživače u vrijeme očite, tj. A. Ne pouzdano sredstvo mjerenje brzine svjetlost. Znanstvenici su mislili da njegova brzina ne ovisi o materijalu. Samo 150 godina nakon smrti Huygensa, brzina svjetlosti mjerena je dovoljnom točnošću, dokazivši njegovu ispravnost.

Apsolutni indeks loma

Apsolutni indeks loma n od prozirnog materijala ili materijala se definira kao relativne brzine u kojem se svjetlo prolazi načinjen u njemu u odnosu na brzinu u vakuumu: n = c / v, pri čemu C - brzina svjetlosti u vakuumu, a v - u materijalu.

Očito je lom svjetlosti u vakuumu, bez bilo koje tvari u odsutnosti, tu je apsolutni slici 1. Za druge transparentnih materijala je ova vrijednost veća od 1. lom svjetlosti u zraku se može koristiti za izračunavanje nepoznatih parametara materijala (1.0003).

Zakoni Snelliusa

Uvodimo neke definicije:

• Upadna zraka je zraka koja se približava odvojenosti medija;
• točka incidencije je točka razdvajanja u koju padne;
• odbijena zraka ostavlja odvajanje medija;
• normalno - crta nacrtana okomito na odvajanje na točki incidencije;
• kut incidencije je kut između normalne i incidentne zrake;
• odrediti kut refrakcije svjetlost može biti kao kut između refraktirane zrake i normalnog.

Prema zakonima loma:

1. Incident, refraktirana zraka i normalna su u istoj ravnini.
2. Omjer sinusa kutova učestalosti i refrakcije je jednak omjeru koeficijenata refrakcije drugog i prvog medija: sin i / sin r = n_r/ r_ja.

Zakon o lomljenju svjetlosti (Snellius) opisuje odnos između kutova dvaju valova i refrakcijskih indeksa dvaju medija. Kada val prođe od manje refrakcijskog medija (npr. Zraka) do više refraktivnog medija (na primjer vode), njegova brzina se smanjuje. Obrnuto, kad svjetlost prolazi od vode do zraka, brzina se povećava. Kut incidencije u prvom mediju u odnosu na normalan i kut refrakcije u drugoj će se razlikovati razmjerno razlikama u refrakcijskim indeksima između ove dvije tvari. Ako val prolazi iz medija s niskim koeficijentom na medij s višim, tada se savijati u pravcu. A ako je naprotiv, uklonjen je.

Relativni indeks loma

Zakon loma svjetlosti pokazuje da je omjer sinusa incidenta i refrakiranih kutova jednaka konstantnoj, što je omjer brzina svjetlosti u oba okruženja.

grijeh i / sin r = n_r/ r_ja = (c / v_r) / (c / v_ja) = v_ja/ v_r

Omjer n_r/ r_ja se zove relativni koeficijent lom za ove tvari.

Brojni su fenomeni koji su rezultat refrakcije često promatrani u svakodnevnom životu. Učinak "slomljene" olovke je jedan od najčešćih. Oči i mozak prate zrake natrag u vodu, kao da nisu oborene, ali dolaze iz objekta ravno, stvarajući virtualnu sliku koja se pojavljuje na plićoj dubini.

disperzija

Pažljiva mjerenja pokazuju da valna duljina zračenja ili njezina boja imaju veliki utjecaj na lom svjetlosti. Drugim riječima, tvar ima puno refrakcijski indeksi, što može varirati kada se promijene boja ili valna duljina.

Ova se promjena odvija u svim transparentnim medijima i naziva se disperzija. Stupanj disperzije određenog materijala ovisi o tome koliko indeks loma se razlikuje s valnom duljinom. Kako se valna duljina povećava, fenomen svjetlosnog loma postaje manje izražen. To potvrđuje i činjenica da ljubičasta crvena crvena, jer je valna duljina kraća. Zbog disperzije u običnom staklu, dolazi do određenog raspada svjetlosti u njegove komponente.

Raspadanje svjetlosti

Krajem XVII stoljeća, Isaac Newton proveo niz eksperimenata koji su doveli do otkrića vidljivog spektra, te je pokazala da je bijela svjetlost sastoji od uređenog niz boja, od ljubičaste do plave, zelene, žute, narančaste i crvene dorade. Rad u zamračenoj prostoriji, Newton je stavio staklenu prizmu u uski snop prodire kroz rupu u škure. Prilikom prolaska kroz prizmu lomi svjetlost - staklo da ga projicirati na zaslon na uređen spektra.

Newton je došao do zaključka da bijelo svjetlo sastoji se od mješavine različitih boja, a također da prizme "raspršuju" bijelu svjetlost, odbijajući svaku boju iz drugačijeg kuta. Newton nije mogao odvojiti boje, prolazeći ih kroz drugi prizmu. Ali kada je drugu prizmu stavio vrlo blizu prvog na takav način da su sve raspršene boje ušle u drugi prizmu, znanstvenik je utvrdio da se boje rekombiniraju i ponovno stvaraju bijelu svjetlost. Ovo je otkriće uvjerljivo dokazalo spektralni sastav svjetla, koji se može lako razdvojiti i povezati.

Fenomen disperzije igra ključnu ulogu u velikom broju različitih fenomena. Duga se javlja uslijed lomljenja svjetlosti u kišnim kapljicama, dajući impresivan spektakl spektralne razgradnje, sličan onome koji se pojavljuje u prizmu.

Kritički kut i ukupna unutarnja refleksija

Pri prolazu kroz medij s višim indeksom loma u mediju s donjim valnim putom, kut incidencije određuje se odvajanjem dvaju materijala. Ako kut incidencije prelazi određenu vrijednost (ovisno o indeksu loma dva materijala), ona doseže točku u kojoj se svjetlost ne reflektira u medij s nižim indeksom.

Kritični (ili ograničavajući) kut definiran je kao kut incidencije koji rezultira kutom loma od 90 °. Drugim riječima, dok je kut incidencije manji od kritične, dolazi do loma, a kada je jednak njemu, lomljena zraka prolazi duž mjesta odvajanja dvaju materijala. Ako kut incidencije prelazi kritički kut, tada se svjetlo odražava natrag. Taj se fenomen naziva potpunim unutarnjim refleksijama. Primjeri njegove primjene su dijamanti i optička vlakna. Dijamantne reznice pridonose potpunom unutarnjem refleksiju. Većina zraka koje ulaze kroz gornji dio dijamanta će se reflektirati dok ne dođu do gornje površine. To je ono što daje sjaj njihovom sjaju. Optička vlakna su staklena "kosa", toliko tanka da kad svjetlost uđe na jedan kraj, ne može izaći. I samo kad zraka dospije do drugog kraja, može ostaviti vlakno.

Razumjeti i upravljati

Optički uređaji, od mikroskopa i teleskopa za fotoaparate, video projektori, pa čak i ljudsko oko može osloniti na činjenicu da svjetlo može biti usmjerena, prelamaju i ogleda.

Refrakcija proizvodi širok spektar fenomena, uključujući miragese, kišnice, optičke iluzije. Zbog refrakcije, šalica piva s debelim zidovima izgleda potpuna, a sunce se postavlja nekoliko minuta kasnije nego što je to stvarno. Milijuni ljudi koriste refraktivnu snagu kako bi ispravili oštećenja vida s naočalama i kontaktnim lećama. Razumijevajući ta svojstva svjetlosti i kontrolirajući ih, možemo vidjeti detalje nevidljivima golim okom, bilo da su na mikroskopu ili u udaljenoj galaksiji.