Fenomenul refracției luminii este ... Legea refracției luminii

Fenomenul refracției luminii este un fenomen fizic care apare de fiecare dată când o undă se deplasează de la un material la altul, în care viteza de propagare se schimbă. Din punct de vedere vizual, se manifestă prin faptul că se schimbă direcția de propagare a undelor.

Fizica: refracția luminii

Dacă fasciculul incidentului cade pe o secțiune între două medii la un unghi de 90 °, nu se întâmplă nimic, continuă mișcarea acestuia în aceeași direcție, la un unghi drept cu interfața. Dacă unghiul de incidență al fasciculului diferă de 90 °, apare un fenomen de refracție a luminii. Aceasta, de exemplu, produce efecte atât de ciudate ca o fractură aparentă a unui obiect parțial scufundat în apă sau în miraje observate într-un desert de nisip fierbinte.

Istoria descoperirii

În primul secol d.Hr. e. Geologul și astronomul greco-vechi Ptolemeu a încercat să explice matematic magnitudinea refracției, însă legea pe care a propus-o ulterior sa dovedit a fi nesigură. În secolul XVII. matematicianul olandez Willebrord Snell a elaborat o lege care a determinat amploarea asociată cu raportul dintre unghiurile incident și refractare, care ulterior a fost numit indicele de refracție al substanței. De fapt, cu cât o substanță mai poate refracta lumina, cu atât este mai mare această valoare. Creionul din apă este "rupt" deoarece razele care vin de la el își schimbă calea la interfața aer-apă înainte de a ajunge în ochi. Spre dezamăgirea lui Snell, el nu a reușit niciodată să găsească cauza acestui efect.

În 1678, un alt om de știință olandez Christiaan Huygens a dezvoltat o relație matematică, care explică observațiile Snell și a sugerat că fenomenul de refracție a luminii - este rezultatul variind viteza la care fasciculul trece prin cele două medii. Huygens a determinat că unghiurile de atitudine de lumină care trece prin două materiale cu diferite indicii de refracție trebuie să fie egal cu raportul dintre viteza sa în fiecare material. Astfel, el a postulat că, prin mediile cu un indice de refracție mai mare, lumina se mișcă mai încet. Cu alte cuvinte, viteza luminii prin material este invers proporțională cu indicele său de refracție. Deși mai târziu legea a fost confirmată experimental, pentru mulți cercetători de atunci nu era evident, deoarece nu existau mijloace fiabile măsurarea vitezei lumină. Oamenii de știință au crezut că viteza nu depinde de material. Doar 150 de ani după moartea lui Huygens, viteza luminii a fost măsurată cu suficientă precizie, dovedind dreptatea sa.

Indice de refracție absolut

Absolut indicele de refracție n al materialului transparent sau un material este definit ca viteza relativă la care lumina trece relativ prin ea cu viteza în vid: n = c / v, unde c - a vitezei luminii în vid și v - în material.

Evident, refracția luminii în vid, lipsit de orice substanță este absentă și există o cifră absolută 1. Pentru alte materiale transparente, această valoare este mai mare decât 1. refracția luminii în aer poate fi utilizat pentru a calcula parametrii necunoscuți materialele (1.0003).

Legile lui Snellius

Introducem câteva definiții:

• Faza incidentă este o rază care se apropie de separarea mijloacelor de informare în masă;
• punctul de incidență este punctul de separare în care se încadrează;
• fasciculul refractat lasă separarea mediilor;
• normal - o linie trasată perpendicular pe separarea în punctul de incidență;
• unghiul de incidență este unghiul dintre raza normală și cea incidentă;
• determina unghiul de refracție lumina poate fi ca unghiul dintre raza refractata si cea normala.

Conform legilor refracției:

1. Incidentul, fasciculul refractat și normalul se află în același plan.
2. Raportul dintre sinus ale unghiurilor de incidență și refracție este raportul dintre coeficienții de refracție ai primului și al doilea mediu: păcatul i / păcatul r = n_r/ r_eu.

Legea refracției luminii (Snellius) descrie relația dintre unghiurile a două valuri și indicii de refracție ai două medii. Atunci când valul trece de la un mediu de refracție mai puțin (de ex. Aer) la un mediu de refracție mai mare (de exemplu apă), viteza acestuia scade. În schimb, atunci când lumina trece de la apă la aer, viteza crește. Unghiul de incidență în primul mediu în raport cu normalul și unghiul de refracție din al doilea va diferi proporțional cu diferența dintre indicii de refracție dintre aceste două substanțe. Dacă un val trece de la un mediu cu un coeficient scăzut la un mediu cu unul mai mare, atunci acesta se înclină în direcția spre normal. Și dacă dimpotrivă, aceasta este îndepărtată.

Indicele de refracție relativ

Legea refracției luminii arată că raportul sinilor incidentului și unghiurilor refractare este egal cu constantul, care este raportul viteza luminii în ambele medii.

păcatul i / sin r = n_r/ r_eu = (c / v_r) / (c / v_eu) = v_eu/ v_r

Raportul n_r/ r_eu este numit coeficientul relativ refracție pentru aceste substanțe.

Un număr de fenomene care sunt rezultatul refracției sunt adesea observate în viața de zi cu zi. Efectul unui creion "rupt" este unul dintre cele mai frecvente. Ochii și creierul urmăresc razele înapoi în apă, ca și când nu sunt refractate, ci vin din obiect într-o linie dreaptă, creând o imagine virtuală care apare la o adâncime mai mică.

dispersare

Măsurătorile atente arată că lungimea de undă a radiației sau culoarea acesteia exercită o mare influență asupra refracției luminii. Cu alte cuvinte, substanța are multe indicii de refracție, care pot varia atunci când culoarea sau lungimea de undă se modifică.

Această modificare are loc în toate mediile transparente și se numește dispersie. Gradul de dispersie a unui material particular depinde de cât indicele de refracție variază în funcție de lungimea de undă. Pe măsură ce crește lungimea de undă, fenomenul refracției luminii devine mai puțin pronunțat. Acest lucru este confirmat de faptul că violet refractă mai mult roșu, deoarece lungimea de undă este mai scurtă. Datorită dispersiei în sticlă obișnuită, apare o anumită împărțire a luminii în componentele sale.

Descompunerea luminii

La sfârșitul secolului al XVII-lea, Sir Isaac Newton a realizat o serie de experimente care au dus la descoperirea a spectrului vizibil, și a arătat că lumina albă constă dintr-o serie ordonată de culori variind de la violet prin finisare albastru, verde, galben, portocaliu și roșu. Lucrând într-o încăpere întunecată, Newton plasa o prisă de sticlă într-un fascicul îngust care pătrundea prin orificiul din obloane. Când trecea prin prisma, lumina a fost refracționată - sticla a proiectat-o ​​pe ecran sub forma unui spectru ordonat.

Newton a ajuns la concluzia că lumina albă constă dintr-un amestec de culori diferite și, de asemenea, că prisma "scatter" lumina alba, refractând fiecare culoare dintr-un unghi diferit. Newton nu putea separa culorile, trecând prin a doua prismă. Dar când a pus cea de-a doua prismă aproape de prima, astfel încât toate culorile dispersate au intrat în a doua prismă, omul de știință a stabilit că culorile se recombină, formând din nou o lumină albă. Această descoperire a dovedit în mod convingător compoziția spectrală a luminii, care poate fi ușor separată și conectată.

Fenomenul dispersiei joacă un rol-cheie într-un număr mare de fenomene diverse. Curcubeul provine din refracția luminii în picăturile de ploaie, producând un spectacol impresionant de descompunere spectrală, similar celui care apare în prisma.

Unghiul critic și reflecția internă totală

Atunci când trece printr-un mediu cu un indice de refracție mai mare într-un mediu cu o traiectorie inferioară, unghiul de incidență este determinat prin separarea celor două materiale. Dacă unghiul de incidență depășește o anumită valoare (în funcție de indicele de refracție al celor două materiale), se ajunge la un punct în care lumina nu este refractată în mediu cu un indice mai mic.

Unghiul critic (sau limitativ) este definit ca unghiul de incidență care determină un unghi de refracție de 90 °. Cu alte cuvinte, ca unghiul de incidență mai mică decât apare refracția critică, iar când acesta este egal cu acesta, fasciculul refractat trece de-a lungul spațiului care separă cele două materiale. Dacă unghiul de incidență depășește unghiul critic, atunci lumina se reflectă înapoi. Acest fenomen se numește reflexia internă totală. Exemple de utilizare a acesteia sunt diamante și fibre optice. Tăieturile de diamant contribuie la reflexia internă completă. Majoritatea razelor care intră prin partea superioară a diamantului vor fi reflectate până când vor ajunge pe suprafața superioară. Aceasta este ceea ce dă stralucire strălucirii lor. Fibra optică este un "păr" de sticlă, atât de subțire încât atunci când lumina intră într-un capăt, nu poate ieși. Și numai când fasciculul ajunge la celălalt capăt, el poate lăsa fibra.

Înțelege și gestionează

Instrumentele optice, variind de la microscoape și telescoape până la camere, videoproiectoare și chiar și ochiul uman, se bazează pe faptul că lumina poate fi focalizată, refractată și reflectată.

Refracția produce o gamă largă de fenomene, inclusiv miraje, curcubeu, iluzii optice. Din cauza refracției, o cană de bere cu pereți groși pare mai completă și soarele se fixează câteva minute mai târziu decât este cu adevărat. Milioane de oameni folosesc puterea de refracție pentru a corecta defectele de vedere cu ochelari și lentile de contact. Prin înțelegerea acestor proprietăți ale luminii și prin controlul acestora putem vedea detaliile invizibile cu ochiul liber, indiferent dacă acestea se află pe un diapozitiv de microscop sau într-o galaxie îndepărtată.