Fenomén refrakce světla je ... Zákon lomu světla

Jev lomu světla - je přirozený jev, který se vyskytuje při každém vlna cestuje z jednoho materiálu do druhého, přičemž jeho rychlost se mění. Vizuálně se to projevuje tím, že směr šíření vlny se mění.

Fyzika: refrakce světla

Pokud dopadový paprsek dopadne na úsek mezi dvěma médii pod úhlem 90 °, nic se nestane, pokračuje ve svém pohybu ve stejném směru v pravém úhlu k rozhraní. Pokud se úhel dopadu paprsku liší od 90 °, objeví se fenomén refrakce světla. To například způsobuje takové podivné účinky jako zjevná zlomenina předmětu částečně ponořeného ve vodě nebo odlesků pozorovaných v horké písečné poušti.

Historie objevu

V prvním století nl. e. Řecký geograf a astronom Ptolemaios pokusil matematicky vysvětlit lom, ale zákon navržený němu později ukázalo jako nespolehlivé. V 17. století. Holandský matematik willebrord snellius vytvořil zákon, který určuje množství vztahující se k poměru incidentu a lomené úhly, který byl později pojmenovaný index lomu materiálu. Ve skutečnosti, čím více látky je schopno lámat světlo, tím větší je tato hodnota. Tužka ve vodě je "rozbitá", protože paprsky, které z ní vycházejí, změní cestu před rozhraním vzduch-voda, než dosáhnou oka. K zděšení Snellovi se nikdy nedařilo najít příčinu tohoto účinku.

V roce 1678, další holandský vědec Christiaan Huygens vyvinul matematický vztah, který vysvětluje pozorování Snell a navrhl, že fenomén lomu světla - je výsledkem měnění rychlosti, při níž paprsek prochází dvě prostředí. Huygens zjistil, že poměr úhlů světla procházející dvěma materiály s různými indexy lomu by měl být rovný poměru rychlostí světla v každém materiálu. Předpokládal proto, že prostřednictvím médií s vyšším indexem lomu se světlo pohybuje pomaleji. Jinými slovy, rychlost světla skrze materiál je nepřímo úměrná jeho indexu lomu. Ačkoli později byl zákon experimentálně potvrzen, pro mnoho vědců v té době to nebylo zřejmé, protože neexistovaly spolehlivé prostředky měření rychlosti světlo. Vědci si mysleli, že jeho rychlost není závislá na materiálu. Pouze 150 let po smrti Huygensu byla rychlost světla měřena dostatečně přesně, což dokazuje jeho správnost.

Absolutní index lomu

Absolutní index lomu n z průhledného materiálu, nebo materiálu, je definována jako relativní rychlost, při které světlo prochází v poměru k rychlosti ve vakuu: n = c / v, kde c - rychlost světla ve vakuu, a v - v materiálu.

Je zřejmé, lom světla ve vakuu, postrádá látky chybí a je zde absolutní číslo 1. U jiných transparentních materiálů je tato hodnota větší než 1. lomu světla ve vzduchu může být použit pro výpočet neznámých parametrů materiálů (1.0003).

Zákony Snelliuse

Představujeme některé definice:

• Dopadající paprsek je paprsek, který se blíží oddělení médií;
• bod výskytu je bodem oddělení do kterého spadá;
• přemostěný paprsek opouští médium;
• normální - čára nakreslená kolmo k oddělení v místě dopadu;
• úhel dopadu je úhel mezi normálním a dopadajícím paprskem;
• identifikovat úhel refrakce světlo může být jako úhel mezi lomem lomu a normálem.

Podle zákonů refrakce:

1. Incident, lomený lom a normální jsou ve stejné rovině.
2. Poměr sinusů úhlů výskytu a lomu se rovná poměru lomových koeficientů druhého a prvního média: sin i / sin r = n_r/ r_i.

Zákon reflexe světla (Snellius) popisuje vztah mezi úhly dvou vln a indexy lomu dvou médií. Když vlna prochází z méně refrakčního média (např. Vzduchu) do více refrakčního média (například vody), jeho rychlost klesá. Naopak, když světlo prochází z vody na vzduch, zvyšuje se rychlost. Úhel dopadu v prvním médiu vzhledem k normálu a úhlu lomu ve druhém se liší úměrně rozdílu indexů lomu mezi těmito dvěma látkami. Pokud vlna prochází z média s nízkým koeficientem na médium s vyšším, pak se ohýbá směrem k normálu. A pokud je naopak odstraněno.

Relativní index lomu

Zákon lomu světla ukazuje, že poměr sinusů incidentu a lomů lomu se rovná konstantě, což je poměr rychlost světla v obou prostředích.

sin sin / sin r = n_r/ r_i = (c / v_r) / (c / v_i) = v_i/ v_r

Poměr n_r/ r_i je volána relativní koeficient refrakce těchto látek.

Řada jevů, které jsou důsledkem refrakce, se často vyskytuje v každodenním životě. Účinek "zlomené" tužky je jedním z nejběžnějších. Oči a mozek sledují paprsky zpět do vody, jako by nebyly lámány, ale pocházely z objektu v přímce, vytvářely virtuální obraz, který se objevuje v hlubší hloubce.

Disperze

Pečlivé měření ukazují, že vlnová délka záření nebo její barva má velký vliv na lom světla. Jinými slovy, látka má hodně indexů lomu, které se mohou lišit, když se změní barva nebo vlnová délka.

Tato změna se odehrává ve všech průhledných médiích a nazývá se disperzí. Stupeň rozptýlení určitého materiálu závisí na tom, kolik index lomu se mění s vlnovou délkou. Jak se vlnová délka zvyšuje, fenomén refrakce světla se stává méně výrazným. To je potvrzeno skutečností, že fialová lomka je červenější, protože její vlnová délka je kratší. Kvůli rozptýlení v obyčejném skle se objevuje určité rozdělení světla na jeho součásti.

Rozklad světla

Na konci XVII století, Sir Isaac Newton provedl řadu experimentů, které vedly k jeho objevu viditelného spektra, a ukázal, že bílé světlo se skládá z uspořádané škálu barev od fialové přes modrou, zelenou, žlutou, oranžovou a červenou dokončovací práce. Pracoval v tmavé místnosti a Newton položil skleněný hranol do úzkého paprsku, který pronikl otvorem okenních oken. Při průchodu hranolem se světlo přemýšlelo - sklo to promítlo na obrazovku ve formě uspořádaného spektra.

Newton dospěl k závěru, že bílé světlo se skládá ze směsi různých barev a také že hranol "rozptýlí" bílé světlo, které odráží každou barvu z jiného úhlu. Newton nedokázal oddělit barvy a projít je druhým hranolem. Ale když dal druhý hranol velmi blízko k prvnímu takovým způsobem, že všechny rozptýlené barvy vstoupily do druhého hranolu, vědec zjistil, že barvy se rekombinují a znovu tvoří bílé světlo. Tento objev přesvědčivě dokázal spektrální složení světla, které lze snadno oddělit a spojit.

Fenomén disperze hraje klíčovou roli ve velkém množství různých jevů. Duha vychází z refrakce světla v dešťových kapkách a vytváří působivou podívanou spektrálního rozkladu podobnou té, která se vyskytuje v hranolu.

Kritický úhel a celková interní reflexe

Při průchodu médiem s vyšším indexem lomu v médiu se spodní vlnovou cestou je úhel dopadu určen separací obou materiálů. V případě, že úhel dopadu překročí určitou hodnotu (v závislosti na indexu lomu obou materiálů), se dosáhne bodu, kdy se světlo není odraženého v prostředí s nižším indexem.

Kritický (nebo omezující) úhel je definován jako úhel dopadu, který má za následek úhel refrakce 90 °. Jinými slovy, je úhel dopadu menší než nastane kritický lom, a když je rovná, tím láme paprsek prochází podél prostor oddělující dva materiály. Pokud úhel dopadu přesahuje kritický úhel, pak se světlo odrazí zpět. Tento jev se nazývá celková interní reflexe. Příklady jeho použití jsou diamanty a optická vlákna. Diamantové odřezky přispívají k dokončení interního odrazu. Většina paprsků, které vstupují horní částí diamantu, se odráží, dokud nedosáhnou horní plochy. To je to, co dává lesk na jejich lesk. Optické vlákno je skleněná "srst", tak tenká, že když světlo vchází do jednoho konce, nemůže vyjít. A až když paprsek dosáhne na druhém konci, může opustit vlákno.

Porozumět a řídit

Optické přístroje, od mikroskopů a dalekohledů až po kamery, videoprojektory a dokonce i lidské oko, se spoléhají na to, že světlo může být zaměřeno, přemýšlející a odrazeno.

Refrakce vytváří širokou škálu jevů, včetně zázraků, duh, optických iluzí. Kvůli lomu se zdá, že hustý hrnek s pivem je úplnější a slunce se o několik minut později stává, než to opravdu je. Milióny lidí využívají luminiscenční sílu k opravě defektů vidění pomocí brýlí a kontaktních čoček. Tím, že rozumíme těmto vlastnostem světla a ovládáme je, můžeme vidět detaily neviditelné pouhým okem, ať už jsou na mikroskopem nebo ve vzdálené galaxii.