Pojav refrakcij svetlobe je ... Zakon o refrakciji svetlobe

Pojav refrakcije svetlobe je fizični pojav, ki se pojavi vsakič, ko se val premika iz enega materiala v drugega, v katerem se spreminja hitrost širjenja. Vizualno se kaže v dejstvu, da se spreminja smer gibanja valov.

Fizika: refrakcijo svetlobe

Če udarni žarek pade na odsek med dvema medijem pod kotom 90 °, se nič ne zgodi, nadaljuje svoje gibanje v isti smeri pod pravim kotom do vmesnika. Če se kota pojavnosti žarka razlikuje od 90 °, pride do pojava refrakcije svetlobe. To, na primer, povzroča čudne učinke kot navidezni prelomi predmeta, delno potopljenega v vodo ali čudežev, opazovanih v puščavi v vroči pesek.

Zgodovina odkritja

V prvem stoletju. E. Starodavni grški geographer in astronom Ptolemy je poskušal matematično pojasniti obseg lomljenja, toda zakon, ki ga je pozneje predlagal, se je izkazal kot nezanesljiv. V XVII stoletju. Nizozemski matematik Willebrord Snell je razvil zakon, ki je določil velikost, povezano z razmerjem incidenta in prelomljenih kotov, ki je bil pozneje imenovan refrakcijski indeks snovi. Dejstvo je, da je snov večja možnost refrakcije svetlobe, večji je ta indeks. Svinčnik v vodi je "zdrobljen", ker žarki, ki prihajajo iz njega, pred potjo očesa spreminjajo pot v vmesniku zrak-voda. Na užitek podjetja Snell nikoli ni uspel najti vzroka tega učinka.

Leta 1678 je drugi nizozemski znanstvenik Christian Huygens razvil matematično odvisnost, ki je pojasnila opazovanja Snelliusove in predlagala, da je pojav refrakcije svetlobe rezultat različne hitrosti, s katero presihava poteka skozi dva medija. Huygens je ugotovil, da mora biti razmerje kotov svetlobe, ki potekajo skozi dva materiala z različnimi refrakcijskimi indeksi, enako razmerju med njegovimi hitrostmi v vsakem materialu. Tako je domneval, da se svetloba s pomočjo medijev z večjim refrakcijskim indeksom premika počasneje. Z drugimi besedami, hitrost svetlobe skozi material je obratno sorazmerna z njenim refrakcijskim indeksom. Čeprav je bil kasneje zakon eksperimentalno potrjen, za mnoge raziskovalce tega časa to ni bilo očitno, saj ni bilo zanesljivih sredstev za merjenje hitrosti svetlobe. Znanstveniki so menili, da njegova hitrost ni odvisna od materiala. Šele 150 let po smrti Huygensa je bila merjena hitrost svetlobe z zadostno natančnostjo, kar dokazuje njegovo pravičnost.

Absolutni refrakcijski indeks

Absolutni refrakcijski indeks n prozorne snovi ali materiala je definiran kot relativna hitrost, s katero svetloba prehaja skozi to hitrost v vakuumu: n = c / v, pri čemer je c hitrost svetlobe v vakuumu in v je v materialu.

Očitno je odsotnost refrakcije svetlobe v vakuumu, brez katere koli snovi, njegova absolutna vrednost pa je 1. Za druge prosojne materiale je ta vrednost večja od 1. Refleksija svetlobe v zraku (1.0003) se lahko uporabi za izračun indeksov neznanih materialov.

Snellovi zakoni

Uvedemo nekaj definicij:

• Inkovalni snop je žarek, ki se približuje ločevanju medijev;
• Pogostost pojavljanja je točka ločevanja, v katero pade;
• Lomljeni žarek ločuje medije;
• Normalno - črta, ki je pravokotna na ločitev na točki incidenta;
• Kot incidence je kot med normalno in vdihnjenim žarkom;
• Kot refrakcijo svetlobe lahko določimo kot kot med lomljenim žarkom in normalno.

Po zakonih lomljenja:

1. Incident, refrakcijski žarek in normalno so v isti ravnini.
2. Razmerje med sinusoma kotov incidence in lomljenja je enako razmerju refrakcijskih koeficientov drugega in prvega medija: sin i / sin r = n _r / n _i .

Zakon refrakcije svetlobe (Snellius) opisuje razmerje med kotoma dveh valov in indeksom refrakcije dveh medijev. Ko val prehaja iz manj refrakcijskega medija (npr. Zraka) v bolj refrakcijsko (na primer v vodi), se njegova hitrost zmanjša. Nasprotno, ko svetloba prehaja iz vode v zrak, se hitrost poveča. Kotni učinek v prvem mediju glede na normalno vrednost in kot v drugem refrakcijskem kotu se razlikujeta sorazmerno razliki v indeksih lomnih količin med tema dvema substancama. Če val prehaja iz medija z nizkim koeficientom na medij z višjo, potem se zavije v smeri do normale. In če je nasprotno, se odstrani.

Relativni refrakcijski indeks

Zakon refrakcije svetlobe kaže, da je razmerje med sinusi incidenta in lomljenimi koti enako konstanti, kar je razmerje med hitrostjo svetlobe v obeh medijih.

Sin i / sin r = n _r / n _i = (c / v _r ) / (c / v _i ) = v _i / v _r

Razmerje n _r / n _i se imenuje relativni refrakcijski indeks za te snovi.

V vsakdanjem življenju se pogosto pojavljajo številni pojavi, ki so posledica refrakcije. Učinek "lomljenega" svinčnika je eden najpogostejših. Oči in možgani sledijo žarkom nazaj v vodo, kot da niso lomljeni, ampak prihajajo iz predmeta v ravni črti in ustvarijo virtualno podobo, ki se pojavi na manjših globinah.

Disperzija

Previdne meritve kažejo, da valovna dolžina sevanja ali njene barve močno vpliva na refrakcijo svetlobe . Z drugimi besedami, snov ima veliko refrakcijskih indeksov, ki se lahko razlikujejo, ko se barva ali valovna dolžina spremeni.

Takšna sprememba se pojavlja v vseh preglednih medijih in se imenuje disperzija. Stopnja disperzije določenega materiala je odvisna od tega, koliko se refrakcijski indeks spreminja z valovno dolžino. Ker se valovna dolžina povečuje, pojav refrakcije svetlobe postane manj izrazit. To potrjuje tudi dejstvo, da vijolična refraktiramo bolj rdeče, saj je njena valovna dolžina krajša. Zaradi disperzije v navadnem steklu pride do določenega deljenja svetlobe v njegove komponente.

Razpad svetlobe

Konec 17. stoletja je sir Isaac Newton izvedel vrsto eksperimentov, ki so pripeljali do njegovega odkritja vidnega spektra in pokazali, da je bela svetloba sestavljena iz naročene palete barv, od vijolične do modre, zelene, rumene, oranžne in konča rdeče. Delal je v temni sobi, Newton je postavil stekleno prizmo v ozkem žarku, ki je prodrl skozi luknjo v okenski polici. Pri prehodu skozi prizmo je bila svetloba lomljena - steklo ga je projiciralo na zaslon v obliki naročenega spektra.

Newton je prišel do zaključka, da bela svetloba sestoji iz mešanice različnih barv in tudi, da prizma "razprši" belo svetlobo, ki refraktira vsako barvo iz drugačnega kota. Newton ni mogel ločiti barv, ki so jih prenašali skozi drugo prizmo. Toda, ko je drugi prizmo zelo blizu prvemu tako, da so vse razpršene barve vstopile v drugo prizmo, je znanstvenik ugotovil, da se barve rekombinirajo in spet tvorijo belo svetlobo. To odkritje je prepričljivo dokazalo spektralno sestavo svetlobe, ki jo je mogoče zlahka ločiti in povezati.

Fenomen disperzije igra ključno vlogo pri številnih različnih pojavih. Mavrica se pojavi kot posledica refrakcije svetlobe v kapljicah dež, ki ustvarja impresiven spektakel spektralne razgradnje, podobno tistemu, ki se pojavi v prizmi.

Kritični kot in celoten notranji razmislek

Pri prehodu skozi medij z višjim refrakcijskim indeksom v mediju s spodnjim valovnim potjo se kotni učinek določi z ločitvijo obeh materialov. Če nagibni kot presega določeno vrednost (odvisno od refrakcijskega indeksa obeh materialov), doseže točko, kjer svetloba ni preleta v medij z nižjim indeksom.

Kritični (ali omejevalni) kot je definiran kot kot naklona, ki ima kot refrakcij 90 °. Z drugimi besedami, medtem ko je pogostnost kota manjša od kritične, pride do refrakcije in ko je enako, odsekani žarek poteka vzdolž kraja ločitve obeh materialov. Če kot naklona presega kritični kot, se svetloba odbije nazaj. Ta pojav se imenuje celoten notranji razmislek. Primeri uporabe so diamanti in optična vlakna. Diamantni odrezki prispevajo k popolnemu notranjem razmisleku. Večina žarkov, ki vstopajo skozi zgornji del diamanta, se odraža, dokler ne dosežejo zgornje površine. To je tisto, kar daje briljantnost svoji briljantnosti. Optično vlakno je steklena "lase", tako tanka, da se, ko svetloba vstopi v en konec, ne more priti ven. In šele, ko žarek doseže drugi konec, lahko zapusti vlakno.

Razumeti in upravljati

Optični instrumenti, od mikroskopov in teleskopov do kamer, video projektorjev in celo človeškega očesa, se zanašajo na dejstvo, da je lahko svetloba usmerjena, lomljena in odraža.

Refrakcija proizvaja širok spekter pojavov, vključno s čarovnicami, deževniki, optičnimi iluzijami. Zaradi refrakcije se zdi, da je kruh piva debele stene popolnejši, sonce pa nekaj minut kasneje, kot je v resnici. Milijoni ljudi uporabljajo refraktivno silo za popravljanje napak vida z očali in kontaktnimi lečami. Z razumevanjem teh lastnosti svetlobe in njihovim nadzorom lahko vidimo podrobnosti nevidne golo oko, ne glede na to, ali so na mikroskopu ali v oddaljeni galaksiji.