Šviesos refrakcija: elementai, įstatymai ir eksperimentas
Šviesos lūžimas yra optinis reiškinys, atsirandantis, kai šviesos smūgiai įstrižai į dvi skirtingos lūžio rodiklio terpės atskyrimo paviršių. Kai taip atsitinka, šviesa keičia savo kryptį ir greitį.
Refrakcija vyksta, pavyzdžiui, kai šviesa eina iš oro į vandenį, nes vanduo turi mažesnį lūžio rodiklį. Tai reiškinys, kuris gali būti puikiai matomas baseine, stebint, kaip kūno formos po vandeniu atrodo nukrypusios nuo krypties, kurią jos turėtų turėti.
Tai reiškinys, kuris paveikia skirtingus bangų tipus, nors šviesos atvejis yra labiausiai reprezentatyvus ir tas, kuris turi daugiau buvimo mūsų kasdienėje aplinkoje.
Šviesos lūžio paaiškinimą pasiūlė olandų fizikas Willebrordas Snell van Royenas, kuris sukūrė įstatymą, kuris paaiškino, kad jis buvo žinomas kaip Snell įstatymas.
Kitas mokslininkas, kuris ypatingą dėmesį skyrė šviesos lūžimui, buvo Izaokas Niutonas. Norėdami tai ištirti, jis sukūrė garsų stiklo prizmę. Prizme šviesa įsiskverbia į jį vienu iš jo veidų, lūžinėja ir skyla skirtingomis spalvomis. Tokiu būdu per šviesos lūžio reiškinį jis įrodė, kad balta šviesa susideda iš visų vaivorykštės spalvų.
Refrakcijos elementai
Pagrindiniai elementai, į kuriuos reikia atsižvelgti atliekant šviesos lūžio tyrimą, yra šie: - Atsitiktinis spindulys, kuris yra įstrižai spinduliuojantis dviejų fizinių laikmenų atskyrimo paviršius. - Lūžta spinduliuotė, kuri yra spindulys, kertantis terpę, keičiantis jo kryptį ir greitį. - Įprasta linija, kuri yra įsivaizduojama linija, statmena abiejų laikmenų atskyrimo paviršiui. - Pasvirimo kampas (i), kuris apibrėžiamas kaip kampas, kurį sudaro atsitiktinis spindulys su normaliu. - Refrakcijos kampas (r), kuris apibrėžiamas kaip kampas, kurį sudaro normalus ir lūžio spindulys.Be to, reikėtų atsižvelgti ir į terpės lūžio rodiklį (n), kuris yra šviesos greičio ir vakuuminio greičio santykis terpėje.
n = c / v
Šiuo atžvilgiu verta prisiminti, kad šviesos greitis vakuume siekia 300 000 000 m / s.
Šviesos refrakcijos indeksas skirtingose laikmenose
Šviesos lūžio rodiklis kai kuriose dažniausiai naudojamose priemonėse yra:
Refrakcijos įstatymai
„Snell's Law“ dažnai vadinama refrakcijos teise, tačiau tiesa, kad galima sakyti, kad refrakcijos įstatymai yra du.
Pirmasis lūžio įstatymas
Atsitiktinis spindulys, lūžęs spindulys ir normalus spindulys yra toje pačioje erdvės plokštumoje. Šiame įstatyme, kuris taip pat buvo padarytas „Snell“, taip pat taikoma refleksija.
Antrasis refrakcijos įstatymas
Antrasis refrakcijos ar Snello įstatymas yra apibrėžiamas taip:
n 1 sin i = n 2 sen r
N1 - tai terpės, iš kurios šviesa ateina, lūžio rodiklis; i dažnio kampas; n 2 terpės, kurioje lūžta šviesa, lūžio rodiklis; r lūžio kampą.
Fermato principas
Nuo minimalaus „Fermat“ laiko ar principo pradžios galime padaryti išvadą ir atspindžio įstatymus, ir refrakcijos įstatymus, kuriuos ką tik matėme.
Šis principas patvirtina, kad tikroji trajektorija, kuri seka šviesos spinduliu, judančiu tarp dviejų erdvės taškų, yra ta, kuri reikalauja mažesnio laiko jį kirsti.
Snello įstatymo pasekmės
Kai kurios tiesioginės pasekmės, padarytos iš ankstesnės išraiškos, yra šios:
a) jei n 2 > n 1 ; sen r <sen io jūra r <i
Taigi, kai šviesos spindulys eina iš terpės, turinčios mažesnį lūžio rodiklį, prie terpės, turinčios didesnį lūžio rodiklį, lūžio spindulys yra normalus.
b) jei n 2 <n 1 ; sen r> sin io jūra r> i
Taigi, kai šviesos spindulys eina iš terpės, turinčios didesnį lūžio rodiklį, į terpę su žemesniu indeksu, lūžio spindulys nukrypsta nuo įprastos.
c) Jei pasikartojimo kampas yra nulis, refrakcijos pluošto kampas taip pat yra nulis.
Ribinis kampas ir bendras vidinis atspindys
Kita svarbi „Snell“ įstatymo pasekmė yra tai, kas vadinama ribiniu kampu. Tai pavadinimas, nurodomas 90 ° kampo lūžio kampui.
Kai taip atsitinka, lūžio spindulys juda lygiai su dviejų terpių atskyrimo paviršiais. Šis kampas taip pat vadinamas kritiniu kampu.
Kampams virš ribinio kampo atsiranda reiškinys, vadinamas visišku vidiniu atspindžiu. Kai taip atsitinka, lūžio nėra, nes visas šviesos spindulys atsispindi viduje. Bendras vidinis atspindys pasireiškia tik tada, kai perkeliama iš didesnės lūžio rodiklio vertės terpės į terpę su mažesniu lūžio indeksu.
Vienas iš viso vidinio atspindžio pritaikymo yra šviesos laidumas per optinį pluoštą be energijos praradimo. Dėl to galime mėgautis dideliais duomenų perdavimo spartais, kuriuos siūlo šviesolaidiniai tinklai.
Eksperimentai
Labai paprastas eksperimentas, galintis stebėti refrakcijos reiškinį, yra įvesti pieštuką ar švirkštimo priemonę stikline vandens. Dėl šviesos lūžio, panardinamo rašiklio ar pieštuko dalis atrodo šiek tiek sulūžusi arba nukrypusi nuo trajektorijos, kurią ji turėtų tikėtis.
Taip pat galite pabandyti atlikti panašų eksperimentą su lazeriniu žymikliu. Žinoma, reikia įpilti keletą lašų pieno į stiklinę vandens, kad pagerėtų lazerio šviesos matomumas. Tokiu atveju rekomenduojama eksperimentą atlikti silpnai apšviestomis sąlygomis, kad būtų galima geriau įvertinti šviesos spindulių kelią.
Abiem atvejais įdomu išbandyti skirtingus pasipriešinimo kampus ir stebėti, kaip refrakcijos kampas skiriasi.
Priežastys
Šio optinio efekto priežastys turi būti ieškomos lūžus šviesai, dėl kurios pieštuko (arba lazerio spindulio) vaizdas pasirodo nukreiptas po vandeniu, atsižvelgiant į vaizdą, kurį matome ore.
Šviesos lūžimas kasdien
Šviesos susitraukimą galima stebėti daugelyje mūsų kasdienių situacijų. Kai kurie iš jų jau pavadinome, kiti mes komentuosime toliau.
Viena iš refrakcijos pasekmių yra ta, kad baseinai atrodo mažesni nei jie iš tikrųjų yra.
Kitas refrakcijos efektas yra vaivorykštė, kuri atsiranda dėl to, kad šviesa yra suskaidyta praeinant vandens lašelius atmosferoje. Tas pats reiškinys atsiranda tada, kai šviesos spindulys eina pro prizmę.
Kita šviesos lūžio pasekmė yra ta, kad stebime Saulės saulėlydį, kai jau praėjo kelios minutės nuo jo įvykio.
