Феноменът на пречупването на светлината е ... Законът за пречупване на светлината

Феноменът на пречупването на светлината е физическо явление, което се проявява всеки път, когато вълната се движи от един материал в друг, в който променя скоростта на разпространение. Визуално се проявява във факта, че се променя посоката на разпространение на вълните.

Физика: пречупване на светлината

Ако падащият лъч попада на сечение между две среди под ъгъл от 90 °, нищо не се случва, продължава движението си в същата посока под прав ъгъл на интерфейса. Ако ъгълът на разпространение на лъча се различава от 90 °, възниква явление на пречупване на светлината. Това например създава странни ефекти като явна фрактура на обект, частично потопен във вода или миражи, наблюдавани в гореща пясъчна пустиня.

История на откритието

През първия век от н.е. д. Древногръцкият географ и астроном Птолемей се опитват да математически обясняват величината на пречупване, но законът, който той по-късно предлага, се оказва ненадежден. През XVII век. холандският математик Willebrord Snell разработи закон, който определя величината, свързана със съотношението на инцидента и пречупените ъгли, което в последствие се нарича индексът на пречупване на веществото. Всъщност, колкото повече вещество може да пречупва светлината, толкова по-голяма е тази стойност. Моливът във водата е "счупен", защото лъчите, които идват от него, променят пътя си в интерфейса въздух-вода, преди да стигнат до окото. За скръбта на Снел никога не успя да намери причината за този ефект.

През 1678 г. друг холандски учен Кристиан Хюйгенс разработили математически отношения, който обяснява наблюденията Snell и предполага, че феноменът на пречупване на светлината - е резултат от промяна на скоростта, с която гредата минава през двете среди. Хюйгенс установи, че отношението ъглите на светлина преминава през два материала с различни индекси на рефракция трябва да бъдат равни на съотношението на скоростта му на всеки материал. По този начин той твърди, че чрез медиите с по-голям индекс на пречупване светлината се движи по-бавно. С други думи, със скоростта на светлината през материала е обратно пропорционална на коефициента на пречупване. Въпреки че в закона впоследствие е потвърдена експериментално, не беше много изследователи от онова време очевидно, т.е.. А. Не надеждни средства измерване на скоростта светлина. Учените смятат, че неговата скорост не зависи от материала. Само 150 години след смъртта на Хюйгенс, скоростта на светлината се измерва с достатъчна точност, доказваща неговата правилност.

Абсолютен индекс на пречупване

Абсолютната индекс на пречупване п на прозрачния материал или материал се определя като относителната скорост, при която светлина преминава през него по отношение на скоростта във вакуум: п = с / V, където с - скоростта на светлината във вакуум, и о - в материала.

Очевидно е, че пречупване на светлината във вакуум, лишена от вещество отсъства и има абсолютна стойност 1. За други прозрачни материали, тази стойност е по-голяма от 1. пречупване на светлината във въздуха може да се използва за изчисляване на неизвестни параметри материали (1.0003).

Законите на Снелий

Представяме някои дефиниции:

• Инцидентът лъч е лъч, който се доближава до отделянето на медиите;
• точката на разпространение е точката на разделяне, в която пада;
• пречупеният лъч оставя отделянето на медиите;
• нормално - линията, изчертана перпендикулярно на разделянето в точката на разпространение;
• ъгълът на разпространение е ъгълът между нормалния и инцидентния лъч;
• определи ъгъл на пречупване светлината може да бъде като ъгълът между пречупения лъч и нормалния.

Съгласно законите на пречупване:

1. Инцидентът, пречупеният лъч и нормалното са в една и съща равнина.
2. Съотношението на сините на ъглите на честотата и пречупването е равно на съотношението на рефракционните коефициенти на втората и първата среда: sin i / sin r = n_R/ r_аз.

Законът за светлинното пречупване (Snellius) описва връзката между ъглите на двете вълни и индексите на пречупване на две медии. Когато вълната преминава от по-малко рефрактивна среда (напр. Въздух) в по-рефрактивна среда (например вода), нейната скорост намалява. Обратно, когато светлината преминава от водата към въздуха, скоростта се увеличава. Ъгълът на разпространение в първата среда по отношение на нормалната и ъгъла на пречупване във втората ще се различава пропорционално на разликата в индексите на пречупване между тези две вещества. Ако вълната преминава от среда с нисък коефициент към среда с по-висока, тогава тя се огъва в посока към нормалната. И ако напротив, тя е отстранена.

Относителен индекс на пречупване

Законът за пречупване на светлината показва, че съотношението на сините на инцидента и на пречупените ъгли е равно на константата, което е съотношението скоростта на светлината и в двете среди.

грях i / sin r = n_R/ r_аз = (c / v_R) / (c / v_аз) = v_аз/ v_R

Съотношението n_R/ r_аз се нарича относителен коефициент рефракция на тези вещества.

Редица явления, които са резултат от пречупването, често се наблюдават в ежедневието. Ефектът на "счупения" молив е един от най-честите. Очите и мозъкът следват лъчите обратно във водата, сякаш не са пречупени, но идват от обекта в права линия, създавайки виртуален образ, който се появява на по-плитка дълбочина.

дисперсия

Внимателните измервания показват, че дължината на вълната на лъчението или неговия цвят оказва голямо влияние върху пречупването на светлината. С други думи, веществото има много индекси на пречупване, който може да варира, когато цветът или дължината на вълната се променят.

Тази промяна се осъществява на всички прозрачни медии и се нарича дисперсия. Степента на дисперсия на определен материал зависи от това колко индексът на пречупване се променя с дължината на вълната. Тъй като дължината на вълната се увеличава, феноменът на светлинното пречупване става по-малко изразен. Това се потвърждава от факта, че виолетовото отразява повече червено, защото дължината на вълната му е по-къса. Поради дисперсията в обикновеното стъкло се получава известно разделяне на светлината на неговите компоненти.

Разлагане на светлината

В края на XVII век, сър Исак Нютон проведе поредица от експерименти, които доведоха до неговото откритие на видимия спектър, и показват, че бялата светлина се състои от определен ред от цветове, вариращи от лилаво през синьо, зелено, жълто, оранжево и червено довършителни работи. Работа в затъмнена стая, Нютон поставена стъклена призма в тесен лъч прониква през дупка в щори на прозорците. Когато преминава през призмата, светлината се пречупва - стъклото го прожектира на екрана под формата на подреден спектър.

Нютон стигна до извода, че бялата светлина се състои от смес от различни цветове, а също и че призмата "разпръсква" бяла светлина, пречупваща всеки цвят от различен ъгъл. Нютон не можеше да отдели цветовете, прекарвайки ги през втората призма. Но когато сложи втората призма много близко до първата, така че всички разпръснати цветове да влязат във втората призма, ученият установи, че цветовете се съчетават отново и образуват бяла светлина. Това откритие убедително доказва спектралния състав на светлината, който може лесно да бъде отделен и свързан.

Феноменът на дисперсията играе ключова роля в голям брой различни явления. Дъгата произтича от пречупването на светлината в дъждовните капки, което създава впечатляващо спектално спектрално разлагане, подобно на това, което се среща в призмата.

Критичен ъгъл и пълно вътрешно отражение

Когато преминава през среда с по-висок индекс на пречупване в среда с по-нисък вълнов път, ъгълът на разпространение се определя чрез разделяне на двата материала. Ако ъгълът на разпространение надвишава определена стойност (в зависимост от индекса на пречупване на двата материала), тя достига точка, в която светлината не се пречупва в среда с по-нисък индекс.

Критичният (или ограничаващият) ъгъл се дефинира като ъгъл на въздействие, водещ до ъгъл на пречупване 90 °. С други думи, докато ъгълът на разпространение е по-малък от критичен, възниква пречупване и когато е равно на него, тогава пречупеният лъч преминава по мястото на разделяне на двата материала. Ако ъгълът на разпространение надвишава критичния ъгъл, светлината се отразява обратно. Това явление се нарича пълно вътрешно отражение. Примери за използването му са диаманти и оптични влакна. Диамантените резници допринасят за цялостното отражение на вътрешния свят. Повечето от лъчите, които влизат през горната част на диаманта, ще бъдат отразени, докато не достигнат горната повърхност. Това е, което дава блясък на блясъка им. Оптичното влакно е стъклена "коса", толкова тънка, че когато светлината навлезе в единия край, тя не може да излезе. И само когато лъчът стигне до другия край, той може да остави влакното.

Разберете и управлявайте

Оптичните инструменти, вариращи от микроскопи и телескопи до камери, видеопрожектори и дори човешкото око, разчитат на факта, че светлината може да бъде фокусирана, пречупена и отразена.

Рефракцията произвежда широк спектър от явления, включително миражи, дъги, оптични илюзии. Поради пречупването си, една дебела стена от бира изглежда по-пълна и слънцето залязва няколко минути по-късно, отколкото всъщност е. Милиони хора използват рефрактивна сила, за да коригират дефекти в зрението с очила и контактни лещи. Чрез разбирането на тези свойства на светлината и контрола им можем да видим детайлите невидими с невъоръжено око, независимо дали са на микроскопски слайд или в далечна галактика.