Kérdések a fénytörés törvényéről. Fizikai kézikönyv

Az előző bekezdésekben a fényvisszaverődés jelenségét tanulmányoztuk. Most ismerkedjünk meg a második jelenséggel, amelyben a sugarak megváltoztatják terjedésük irányát. Ez a jelenség az fénytörés a két közeg határfelületén. Vessen egy pillantást a 14-b §-ban található sugarakkal és akváriummal ellátott rajzokra. A lézerből kijövő sugár egyenes volt, de amikor elérte az akvárium üvegfalát, a sugár irányt változtatott - megtört.

A fény törésével Az úgynevezett sugár irányának változása a két közeg határfelületén, ahol a fény átjut a második közegbe(hasonlítsa össze a tükrözéssel). Például az ábrán példákat ábrázoltunk a fénysugár törésére a levegő és a víz, a levegő és az üveg, a víz és az üveg határain.

A bal oldali rajzok összehasonlításából az következik, hogy egy pár levegő-üveg közeg erősebben töri meg a fényt, mint egy pár levegő-víz közeg. A jobb oldali rajzok összehasonlításából látható, hogy amikor a fény a levegőből az üvegbe jut, erősebben törik meg, mint a vízről az üvegre haladva. vagyis átlátszó adathordozó párok optikai sugárzás, eltérő törőképességgel rendelkeznek, jellemző relatív mutató fénytörés. Kiszámítása a következő oldalon található képlet alapján történik, így kísérletileg is mérhető. Ha első közegként a vákuumot választjuk, a következő értékeket kapjuk:

Ezeket az értékeket 20 °C-on mérik sárga fény. Eltérő hőmérséklet vagy eltérő színű fény esetén a jelzőfények eltérőek lesznek (lásd 14-h §). Minőségi pillantást vetve a táblázatra, megjegyezzük: Minél jobban eltér a törésmutató az egységtől, annál nagyobb a szög, amellyel a nyaláb eltérül a vákuumból a közegbe való átmenet során. Mivel a levegő törésmutatója majdnem egyenlő az egységgel, a levegő hatása a fény terjedésére gyakorlatilag észrevehetetlen.

A fénytörés törvénye. Ennek a törvénynek a figyelembevételéhez definíciókat vezetünk be. A beeső sugár és a két közeg közötti határfelületre merőleges szöget a sugár töréspontjában ún. beesési szög(a). Hasonlóképpen a megtört sugár és a két közeg közötti határfelületre merőleges szöget a sugár töréspontjában ún. törési szög(g).

Amikor a fény megtörik, a következő törvények mindig teljesülnek: fénytörés törvénye: 1. A beeső nyaláb, a megtört nyaláb és a közegek közötti határfelületre merőleges a nyaláb hajlítási pontjában ugyanabban a síkban van. 2. A beesési szög szinuszának a törésszög szinuszához viszonyított aránya állandó érték, amely nem függ a szögektől:

A fénytörés törvényének kvalitatív értelmezését is használják: Amikor a fény optikailag sűrűbb közegbe kerül, a sugár a közegek közötti határfelületre merőlegesen eltérül.És fordítva.

A fénysugarak visszafordíthatóságának elve. Amikor a fény visszaverődik vagy megtörik, a beeső és a visszavert sugarak mindig felcserélhetők. Ez azt jelenti a sugarak lefutása nem változik, ha irányukat az ellenkezőjére változtatjuk. Számos kísérlet igazolja: ebben az esetben a sugarak „pályája” nem változik (lásd a rajzot).

Témák Egységes államvizsga-kódoló: fénytörés törvénye, teljes belső visszaverődés.

Két átlátszó közeg határfelületén a fényvisszaverődéssel együtt megfigyelhető fénytörés- a fény egy másik közegbe kerülve megváltoztatja terjedésének irányát.

A fénysugár törése akkor következik be, amikor az hajlamos a felületre esik (bár nem mindig - olvassa el a teljes belső tükrözésről). Ha a sugár merőlegesen esik a felületre, akkor nem lesz fénytörés - a második közegben a sugár megtartja irányát, és a felületre is merőlegesen megy.

A fénytörés törvénye (speciális eset).

Kezdjük azzal a speciális esettel, amikor az egyik média a levegő. A problémák túlnyomó többségénél pontosan ez a helyzet fordul elő. Megbeszéljük a megfelelőt különleges eset a fénytörés törvényét, és csak ezután adjuk meg a legáltalánosabb megfogalmazását.

Tegyük fel, hogy a levegőben haladó fénysugár ferdén esik üveg, víz vagy más átlátszó közeg felületére. A közegbe kerülve a nyaláb megtörik, és azt további lépésábrán látható.

1 . Az ütközési ponton egy merőleges rajzolódik ki (vagy ahogy szokták mondani, Normál ) a közeg felületére. A gerendát, mint korábban, úgy hívják beeső sugár , a beeső sugár és a normál közötti szög pedig az beesési szög. Ray az megtört sugár ; A megtört sugár és a felület normálja közötti szöget ún.

törési szög Bármely átlátszó közeget az ún törésmutató ezt a környezetet. Törésmutatók különböző környezetekben táblázatokban találhatók. Például üveghez és vízhez. Általában bármilyen környezetben; törésmutató csak légüres térben. Levegőben tehát a levegőre megfelelő pontossággal feltételezhetjük a problémákat (az optikában a levegő nem nagyon különbözik a vákuumtól).

A törés törvénye (levegő-közeg átmenet) .

1) A beeső sugár, a megtört sugár és a beesési pontban húzott felület normálja egy síkban van.
2) A beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya megegyezik a közeg törésmutatójával:

. (1)

Mivel az (1) összefüggésből az következik, hogy , azaz a törésszög kisebb, mint a beesési szög. Emlékezik: a levegőből a közegbe kerülve a sugár a fénytörés után közelebb kerül a normálhoz.

A törésmutató közvetlenül összefügg a fény terjedési sebességével egy adott közegben. Ez a sebesség mindig kisebb, mint a fény sebessége vákuumban: . És az is kiderül

. (2)

Miért történik ez, tanulmányozás közben megértjük hullámoptika. Egyelőre kombináljuk a képleteket. (1) és (2) :

. (3)

Mivel a levegő törésmutatója nagyon közel van az egységhez, feltételezhetjük, hogy a fény sebessége a levegőben megközelítőleg megegyezik a vákuumban mért fénysebességgel. Ezt figyelembe véve és a képletet nézve. (3) alapján arra a következtetésre jutunk, hogy: a beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya megegyezik a levegőben lévő fénysebesség és a közegben lévő fénysebesség arányával.

A fénysugarak megfordíthatósága.

Most nézzük meg a sugár fordított útját: a fénytörést a közegből a levegőbe való áthaladáskor. A következő hasznos elv a segítségünkre lesz.

A fénysugarak visszafordíthatóságának elve. A sugár útja nem függ attól, hogy direkt, ill ellentétes irány a sugár szétterül. Az ellenkező irányba haladva a sugár pontosan ugyanazt az utat fogja követni, mint előrefelé.

A reverzibilitás elve szerint a közegből a levegőbe történő átmenet során a nyaláb ugyanazt a pályát fogja követni, mint a levegőből a közegbe történő átmenet során (2. ábra).

2. ábra

Az 1. ábra szerint a sugár iránya az ellenkezőjére változott. Mivel a geometriai kép nem változott, az (1) képlet változatlan marad: a szög szinuszának és a szög szinuszának aránya továbbra is egyenlő a közeg törésmutatójával. Igaz, most a szögek szerepet cseréltek: a szög a beesési szög, a szög pedig a törésszög.

Mindenesetre, függetlenül attól, hogy a sugár hogyan halad - levegőből közegbe vagy közegből levegőbe - a következő egyszerű szabály érvényes.

A fénytörés törvénye (általános eset).

Hagyja átmenni a fényt az 1-es törésmutatójú közegből a törésmutatójú 2-es közegbe. A nagy törésmutatójú közeget ún optikailag sűrűbb; ennek megfelelően kisebb törésmutatójú közeget nevezünk optikailag kevésbé sűrű.

Optikailag kevésbé sűrű közegről optikailag sűrűbbre haladva a fénysugár a törés után közelebb kerül a normálhoz (3. ábra). Ebben az esetben a beesési szög nagyobb, mint a törésszög: .

Rizs. 3.

Ellenkezőleg, optikailag sűrűbb közegről optikailag kevésbé sűrűre haladva a nyaláb jobban eltér a normáltól (4. ábra). Itt a beesési szög kisebb, mint a törésszög:

Rizs. 4.

Kiderült, hogy mindkét esetet egy képlet fedi le - köztörvény fénytörés, bármely két átlátszó közegre érvényes.

A fénytörés törvénye.
1) A beeső sugár, a megtört sugár és a közegek közötti határfelület normálja, a beesési pontban rajzolva, ugyanabban a síkban vannak.
2) A beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya megegyezik a második közeg törésmutatójának és az első közeg törésmutatójának arányával:

. (4)

Könnyen belátható, hogy a levegő-közeg átmenetre korábban megfogalmazott töréstörvény ennek a törvénynek egy speciális esete. Valójában a (4) képlet beírásával az (1) képlethez jutunk.

Emlékezzünk most arra, hogy a törésmutató a vákuumban lévő fénysebesség és az adott közegben lévő fénysebesség aránya: . Ha ezt behelyettesítjük a (4)-be, a következőket kapjuk:

. (5)

Az (5) képlet természetesen általánosítja a (3) képletet. A beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának az aránya megegyezik az első közegben lévő fénysebesség és a második közegben lévő fénysebesség arányával.

Teljes belső reflexió.

Amikor a fénysugarak egy optikailag sűrűbb közegből egy optikailag kevésbé sűrű közegbe jutnak át, érdekes jelenség figyelhető meg – teljes belső reflexió. Találjuk ki, mi az.

A határozottság kedvéért feltételezzük, hogy a fény a vízből a levegőbe kerül. Tegyük fel, hogy a tározó mélyén van pontforrás fényt kibocsátó sugarak minden irányban. Megnézünk néhány ilyen sugarat (5. ábra).

A nyaláb a legkisebb szögben éri a vízfelszínt. Ez a sugár részben megtörik (sugár), részben pedig visszaverődik a vízbe (sugár). Így a beeső sugár energiájának egy része átkerül a megtört sugárba, az energia fennmaradó része pedig a visszavert sugárba.

A sugár beesési szöge nagyobb. Ez a sugár szintén két sugárra oszlik - megtört és visszavert. De az eredeti sugár energiája eltérően oszlik el közöttük: a megtört sugár halványabb lesz, mint a sugár (azaz kisebb energiahányadot kap), a visszavert sugár ennek megfelelően világosabb lesz, mint a sugár nagyobb energiarészt kapnak).

Ahogy a beesési szög nő, ugyanaz a minta figyelhető meg: minden nagy részesedés A beeső sugár energiája a visszavert sugárhoz megy, és egyre kevesebb jut a megtört sugárhoz. A megtört nyaláb egyre halványabb lesz, és egy ponton teljesen eltűnik!

Ez az eltűnés akkor következik be, amikor elérjük a törésszögnek megfelelő beesési szöget. Ebben a helyzetben a megtört sugárnak párhuzamosan kellene haladnia a víz felszínével, de már nincs mit tenni – a beeső sugár összes energiája teljes egészében a visszavert sugárhoz ment.

A beesési szög további növelésével a megtört nyaláb még hiányzik is.

A leírt jelenség teljes belső reflexió. A víz nem bocsát ki olyan sugarakat, amelyek beesési szöge egy bizonyos értékkel egyenlő vagy azt meghaladó - minden ilyen sugár teljesen visszaverődik a vízbe. A szöget ún határszög teljes tükröződés .

Az értéket könnyű megtalálni a fénytörés törvényéből. Nekünk van:

De ezért

Igen, vízre határszög A teljes visszaverődés egyenlő:

Könnyedén megfigyelheti otthon a teljes belső reflexió jelenségét. Öntsön vizet egy pohárba, emelje fel, és nézze meg a víz felszínét kissé lent a pohár falán keresztül. Ezüstös fényt fog látni a felületen - a teljes belső visszaverődés miatt tükörként viselkedik.

A legfontosabb műszaki alkalmazás teljes belső reflexió az száloptika. Fénysugarak, elindítva az optikai kábel belsejében ( fényvezető) tengelyével majdnem párhuzamosan nagy szögben esnek a felületre, és energiaveszteség nélkül teljesen visszaverődnek a kábelbe. A sugarak ismételten visszaverve egyre messzebbre haladnak, és energiát adnak át jelentős távolságra. A száloptikai kommunikációt például kábeltelevíziós hálózatokban és nagy sebességű internet-hozzáférésben használják.

Nézzük meg, hogyan változik a nyaláb iránya, amikor levegőből vízbe kerül. A fény sebessége a vízben kisebb, mint a levegőben. Az a közeg, amelyben a fény terjedési sebessége lassabb, optikailag sűrűbb közeg.

És így, a közeg optikai sűrűségét jellemezzük különböző sebességgel a fény terjedése.

Ez azt jelenti, hogy optikailag kevésbé sűrű közegben nagyobb a fény terjedési sebessége. Például vákuumban a fény sebessége 300 000 km/s, üvegben pedig 200 000 km/s. Amikor egy fénysugár olyan felületre esik, amely két különböző átlátszó médiát választ el egymástól optikai sűrűség, például levegő és víz, akkor a fény egy része erről a felületről visszaverődik, a másik része pedig a második közegbe hatol. Amikor egyik közegből a másikba megy át, egy fénysugár irányt változtat a közeg határán (144. ábra). Ezt a jelenséget az ún fénytörés.

Rizs. 144. Fénytörés, amikor egy sugár a levegőből vízbe megy át

Nézzük meg közelebbről a fénytörést. A 145. ábra mutatja: beeső sugár JSC, Ray az OB és a két közeg közötti határfelületre merőlegesen, az O beesési pontig húzva. Szög AOS - beesési szög (α), szög DOB - törésszög (γ).

Rizs. 145. A fénysugár megtörésének sémája levegőből vízbe való átjutáskor

Amikor levegőből vízbe megy át, egy fénysugár megváltoztatja irányát, megközelítve a merőleges CD-t.

A víz optikailag sűrűbb közepes, mint a levegő. Ha a vizet más, a levegőnél optikailag sűrűbb átlátszó közeggel helyettesítjük, akkor a megtört sugár is megközelíti a merőlegest. Ezért azt mondhatjuk, hogy ha optikailag kisebb sűrűségű közegből érkezik a fény egy sűrűbb közegbe, akkor a törésszög mindig kisebb, mint a beesési szög (lásd 145. ábra):

A két közeg határfelületére merőlegesen irányított fénysugár törés nélkül halad át az egyik közegből a másikba.

A beesési szög megváltozásakor a törésszög is megváltozik. Minél nagyobb a beesési szög, annál nagyobb a törésszög (146. ábra). Ebben az esetben a szögek közötti kapcsolat nem marad meg. Ha összeállítjuk a beesési és törési szögek szinuszainak arányát, akkor az állandó marad.

Rizs. 146. A törésszög függése a beesési szögtől

Bármely különböző optikai sűrűségű anyagpárra felírhatjuk:

ahol n a beesési szögtől független állandó érték. Ez az úgynevezett Bármely átlátszó közeget az ún két környezetre. Minél magasabb a törésmutató, annál erősebben törik meg a sugár, amikor egyik közegből a másikba megy át.

Így a fény törése a következő törvény szerint történik: a beeső sugár, a megtört sugár és a két közeg határfelületére húzott merőleges a sugár beesési pontjában egy síkban van.

A beesési szög szinuszának és a törésszög szinuszának aránya két közeg esetén állandó érték:

A fény a Föld légkörében megtörik, így a csillagokat és a Napot valódi helyük felett látjuk az égen.

Kérdések

1. Hogyan változik a fénysugár iránya (lásd 144. ábra), miután vizet öntünk az edénybe?
2. Milyen következtetéseket vontak le a fénytöréssel kapcsolatos kísérletekből (lásd 144., 145. ábra)?
3. Milyen pozíciókat hajtanak végre, amikor a fény megtörik?

47. gyakorlat

A fényhullám törésének jelenségén a hullám frontjának terjedési irányának változását értjük, amikor az egyik átlátszó közegből a másikba megy át. Számos optikai műszer és az emberi szem ezt a jelenséget használja funkciói ellátására. A cikk a fénytörés törvényeit és azok optikai eszközökben való felhasználását tárgyalja.

A fény visszaverődésének és törésének folyamatai

A fénytörés törvényeinek vizsgálatakor meg kell említeni a reflexió jelenségét is, amely szorosan összefügg ezzel a jelenséggel. Amikor a fény áthalad az egyik átlátszó közegből a másikba, akkor e közegek határfelületén vele egyidejűleg két folyamat megy végbe:

1. A fénysugár egy része szögben visszaverődik az első közegbe egyenlő a szöggel a kezdeti sugár beesése az interfészen.
2. A nyaláb második része belép a második közegbe, és abban tovább terjed.

A fentiek azt jelzik, hogy a kezdeti fénysugár intenzitása mindig nagyobb lesz, mint külön-külön a visszavert és a megtört fényé. Az, hogy ez az intenzitás hogyan oszlik el a nyalábok között, a közeg tulajdonságaitól és a határfelületükön lévő fény beesési szögétől függ.

Mi a fénytörés folyamatának lényege?

A két átlátszó közeg közé eső felületre eső fénysugár egy része a második közegben tovább terjed, de terjedésének iránya már bizonyos szögben el fog térni az 1. közegben lévő eredeti iránytól. Ez a fénytörés jelensége. Fizikai ok Ez a jelenség a fényhullám terjedési sebességének különbségében rejlik a különböző közegekben.

Emlékezzen arra, hogy a fénynek van maximális sebesség vákuumban történő terjedés esetén ez 299 792 458 m/s. Minden anyagban ez a sebesség mindig kisebb, sőt, mint nagyobb sűrűségű van közege, annál lassabban terjed benne az elektromágneses hullám. Például levegőben a fénysebesség 299 705 543 m/s, 20 °C-os vízben már 224 844 349 m/s, a gyémántban pedig több mint kétszeresére csökken a vákuumban mért sebességhez képest, és 124 034 943 m. /Val vel.

Ez az elv egy geometriai módszert biztosít a hullámfront bármely adott időpontban történő megtalálására. Huygens elve azt feltételezi, hogy a hullámfront által elért minden pont elektromágneses másodlagos hullámok forrása. Minden irányban azonos sebességgel és gyakorisággal haladnak. Az eredményül kapott hullámfront az összes másodlagos hullám frontjának összessége. Más szóval, a front egy olyan felület, amely az összes másodlagos hullám gömbjét érinti.

Ennek a geometriai elvnek a hullámfront meghatározására való alkalmazásának bemutatása az alábbi ábrán látható. Amint az ebből a diagramból látható, a másodlagos hullámok (nyilakkal jelölt) gömbök sugarai azonosak, mivel a hullámfront optikai szempontból homogén közegben terjed.

A Huygens-elv alkalmazása a fénytörés folyamatában

A fizikában a fénytörés törvényének megértéséhez használhatja a Huygens-elvet. Tekintsünk egy bizonyos fényáramot, amely két közeg határfelületére esik, és a mozgás sebességét elektromágneses hullám az első környezetben ennél több van a másodiknál.

Amint a front egy része (az alábbi ábrán bal oldalon) eléri a közeg határfelületét, a határfelület minden pontján másodlagos gömbhullámok kezdenek gerjeszteni, amelyek már a második közegben is terjedni fognak. Mivel a fénysebesség a második közegben kisebb, mint az első közegnél, az előlapnak az a része, amely még nem érte el a közegek közötti határfelületet (az ábrán a jobb oldalon), tovább fog terjedni. nagyobb sebesség mint az elülső rész (bal) amely már belépett a második környezetbe. Másodlagos hullámok köreinek rajzolása minden ponthoz v*t-vel egyenlő sugárral, ahol t néhány pontos idő a másodlagos hullám terjedése, v pedig a terjedésének sebessége a második közegben, majd a szekunder hullámok minden felületére érintőgörbét rajzolva megkaphatjuk a fényterjedés frontját a második közegben.

Amint az ábrán látható, ez a front egy bizonyos szöggel el fog térni terjedésének eredeti irányától.

Vegyük észre, hogy ha a hullámok sebessége mindkét közegben egyenlő, vagy ha a fény merőlegesen esik a határfelületre, akkor a fénytörés folyamatáról szó sem lehetett.

A fénytörés törvényei

Ezeket a törvényeket megkapták kísérletileg. Legyen 1 és 2 két átlátszó közeg, amelyekben az elektromágneses hullámok terjedési sebessége v 1, illetve v 2. Legyen egy fénysugár az 1. közegből a határfelületre a normálhoz képest θ 1 szögben, és a második közegben a határfelület normáljával θ 2 szögben terjed tovább. Ekkor a fénytörés törvényeinek megfogalmazása a következő lesz:

1. Ugyanabban a síkban lesz két sugár (beeső és megtört), és egy normál visszaáll az 1. és 2. adathordozó közötti interfészre.
2. A nyaláb terjedési sebességének aránya az 1. és 2. közegben egyenesen arányos a beesési és törési szögek szinuszainak arányával, azaz sin(θ 1)/sin(θ 2) = v 1 /v 2.

A második törvényt Snell-törvénynek nevezik. Ha figyelembe vesszük, hogy egy átlátszó közeg törésmutatóját a vákuumban lévő fénysebesség és a közegben lévő sebesség arányaként határozzuk meg, akkor a fénytörés törvényének képlete átírható a következőképpen: sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1, ahol n 1 és n 2 az 1. és 2. közeg törésmutatói.

És így, matematikai képlet törvény azt jelzi, hogy a szög szinuszának és egy adott közeg törésmutatójának szorzata az állandó érték. Sőt, figyelembe véve trigonometrikus tulajdonságok szinusz, akkor azt mondhatjuk, hogy ha v 1 >v 2, akkor a fény a médiák közötti interfészen áthaladva megközelíti a normált, és fordítva.

A törvény felfedezésének rövid története

Ki fedezte fel a fénytörés törvényét? Valójában először a középkori asztrológus és filozófus, Ibn Sahl fogalmazta meg a 10. században. A törvény második felfedezése a 17. században történt, és ezt Snell van Rooyen holland csillagász és matematikus tette, így világszerte a fénytörés második törvénye az ő nevét viseli.

Érdekesség, hogy valamivel később ezt a törvényt a francia Rene Descartes is felfedezte, ezért a francia nyelvű országokban az ő nevét viseli.

Minta feladat

A fénytörés törvényével kapcsolatos összes probléma ezen alapul matematikai megfogalmazás Snell törvénye. Mondjunk egy példát egy ilyen problémára: meg kell találni a fényfront terjedési szögét a gyémántból a vízbe való átmenet során, feltéve, hogy ez a front a normálhoz képest 30 o-os szöget zár be a határfelületen.

A probléma megoldásához ismerni kell vagy a vizsgált közegek törésmutatóit, vagy a bennük lévő elektromágneses hullám terjedési sebességét. A referenciaadatokra hivatkozva felírhatjuk: n 1 = 2,417 és n 2 = 1,333, ahol az 1 és 2 számok gyémántot, illetve vizet jelölnek.

A kapott értékeket a képletbe behelyettesítve a következőt kapjuk: sin(30 o)/sin(θ 2) = 1,333/2,417 vagy sin(θ 2) = 0,39 és θ 2 = 65,04 o, vagyis a nyaláb elmozdul. jelentősen eltér a normálistól.

Érdekes megjegyezni, hogy ha a beesési szög nagyobb, mint 33,5 o, akkor a fénytörés törvényének képlete szerint nem lenne megtört sugár, és a teljes fényfront visszaverődik a gyémántba. közepes. Ezt a hatást a fizika teljes belső visszaverődésnek nevezi.

Hol érvényesül a fénytörés törvénye?

Gyakorlati használat A fénytörés törvényei változatosak. Túlzás nélkül állítható, hogy az emberek többsége ezen a törvényen dolgozik. optikai műszerek. Fénytörés fényáram olyan műszerekben használt optikai lencsékben, mint a mikroszkópok, teleszkópok és távcsövek. A refrakciós hatás nélkül az ember nem látna a világ, mert az üvegtest és a szemlencse biológiai lencsék, amelyek azt a funkciót látják el, hogy a fényáramot a szem érzékeny retináján lévő pontra fókuszálják. Ezenkívül a teljes belső visszaverődés törvénye a fényszálakban is alkalmazható.

A fénytörés jelensége az fizikai jelenség, amely minden alkalommal előfordul, amikor egy hullám az egyik anyagról a másikra halad, amelyben a terjedési sebessége megváltozik. Vizuálisan abban nyilvánul meg, hogy a hullámterjedés iránya megváltozik.

Fizika: fénytörés

Ha a beeső nyaláb 90°-os szögben ütközik a két közeg közötti interfészbe, akkor nem történik semmi, az interfészre merőlegesen ugyanabban az irányban folytatja mozgását. Ha a sugár beesési szöge eltér 90°-tól, a fénytörés jelensége lép fel. Ez például olyan furcsa hatásokat vált ki, mint egy részben vízbe merült tárgy látszólagos törése vagy délibábok, amelyeket egy forró homokos sivatagban figyeltek meg.

A felfedezés története

A Krisztus utáni első században e. Az ókori görög földrajztudós és csillagász, Ptolemaiosz megpróbálta matematikailag megmagyarázni a fénytörés értékét, de az általa javasolt törvény később megbízhatatlannak bizonyult. A 17. században Willebrord Snell holland matematikus kidolgozott egy törvényt, amely meghatározta a beesési és a megtörési szögek arányához kapcsolódó mennyiséget, amelyet később egy anyag törésmutatójának neveztek. Lényegében, mint több anyag képes megtörni a fényt, annál nagyobb ez a mutató. A vízben lévő ceruza "eltörik", mert a belőle érkező sugarak megváltoztatják útjukat a levegő-víz határfelületen, mielőtt elérnék a szemet. Snell csalódottságára soha nem tudta felfedezni ennek a hatásnak az okát.

1678-ban egy másik holland keresztény tudós Huygens matematikai összefüggést dolgozott ki Snell megfigyelései magyarázatára, és azt javasolta, hogy a fénytörés jelensége az eredmény. különböző sebességeket, amellyel a nyaláb két közegen halad át. Huygens megállapította, hogy a két anyagon áthaladó fény szögeinek aránya a különböző mutatók fénytörésnek kell lennie egyenlő az aránnyal sebessége az egyes anyagokban. Így azt feltételezte, hogy a fény lassabban halad át a nagyobb törésmutatóval rendelkező közegeken. Más szóval, az anyagon áthaladó fény sebessége fordítottan arányos annak törésmutatójával. Bár a törvényt később kísérletileg megerősítették, ez sok akkori kutató számára nem volt nyilvánvaló, mivel nem voltak megbízható fényforrások. A tudósok úgy tűntek, hogy sebessége nem az anyagtól függ. Csupán 150 évvel Huygens halála után mérték meg kellő pontossággal a fénysebességet annak bizonyítására, hogy igaza volt.

Abszolút törésmutató

Egy átlátszó anyag vagy anyag abszolút törésmutatóját n úgy határozzuk meg relatív sebesség, amelyen a fény áthalad rajta a vákuum sebességéhez képest: n=c/v, ahol c a fény sebessége vákuumban, v pedig az anyagban.

Nyilvánvaló, hogy a vákuumban, minden anyagtól mentesen nem törik meg a fényt. abszolút mutató egyenlő 1-gyel. Más átlátszó anyagoknál ez az érték nagyobb, mint 1. Az ismeretlen anyagok mutatóinak kiszámításához a fény fénytörése a levegőben (1,0003) használható.

Snell törvényei

Mutassunk be néhány definíciót:

• beeső sugár - olyan sugár, amely megközelíti a közegek elválasztását;
• becsapódási pont - az elválasztási pont, ahol ütközik;
• a megtört sugár elhagyja a közeg elválasztását;
• normál - az osztásra merőlegesen húzott vonal a beesési pontban;
• beesési szög - a normál és a beeső sugár közötti szög;
• A fény a megtört sugár és a normál közötti szögként definiálható.

A fénytörés törvényei szerint:

1. A beeső, a megtört sugár és a normál ugyanabban a síkban van.
2. A beesési és törési szögek szinuszainak aránya megegyezik a második és az első közeg törési tényezőinek arányával: sin i/sin r = n r /n i.

A Snell-féle fénytörési törvény két hullám szöge és két közeg törésmutatója közötti összefüggést írja le. Amikor egy hullám egy kevésbé törő közegből (például levegő) egy nagyobb fénytörő közegbe (például víz) kerül, sebessége csökken. Éppen ellenkezőleg, amikor a fény a vízből a levegőbe jut, a sebesség növekszik. az első közegben a normálhoz viszonyítva, a törésszög pedig a másodikban a két anyag törésmutatóinak különbségével arányosan különbözik. Ha egy hullám egy alacsony együtthatójú közegből egy magasabb együtthatójú közegbe megy át, akkor a normál felé hajlik. És ha fordítva van, akkor törlődik.

Relatív törésmutató

Megmutatja, hogy a beesési és megtört szögek szinuszainak aránya egy állandóval egyenlő, amely mindkét közegben az arányt jelenti.

sin i/sin r = n r /n i =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r

Az n r /n i arányt ezen anyagok relatív törésmutatójának nevezzük.

A fénytörés eredményeként számos jelenséget gyakran megfigyelnek Mindennapi élet. A „törött” ceruzaeffektus az egyik leggyakoribb. A szem és az agy úgy követi vissza a sugarakat a vízbe, mintha nem törnének meg, hanem egyenes vonalban érkeznének a tárgyból, így egy sekélyebb mélységben megjelenő virtuális kép jön létre.

Diszperzió

A gondos mérések azt mutatják, hogy a fénytörést a sugárzás hullámhossza vagy színe befolyásolja. nagy befolyást. Más szavakkal, egy anyagnak sok van, amely változhat a szín vagy a hullámhossz változásával.

Ez a változás mindenben bekövetkezik átlátszó médiaés diszperziónak nevezik. Egy adott anyag diszperziós foka attól függ, hogy a törésmutatója mennyire változik a hullámhosszal. A hullámhossz növekedésével a fénytörés jelensége kevésbé hangsúlyos. Ezt megerősíti, hogy az ibolya jobban törik, mint a vörös, mivel a hullámhossza rövidebb. A közönséges üvegben való diszperziónak köszönhetően a fény bizonyos komponenseire oszlik.

A fény bomlása

BAN BEN késő XVII században Sir Isaac Newton kísérletsorozatot végzett, amely a felfedezéséhez vezetett látható spektrum, és ezt megmutatta fehér fény színek rendezett tömbjéből áll, a lilától a kéken, zölden, sárgán, narancson át a pirossal végződőig. Newton egy elsötétített szobában dolgozott egy üvegprizmát egy keskeny gerendába, amely áthatolt az ablakredőnyök nyílásán. A prizmán áthaladva a fény megtört - az üveg rendezett spektrum formájában vetítette ki a képernyőre.

Newton arra a következtetésre jutott, hogy a fehér fény keverékből áll különböző színek, és azt is, hogy a prizma „szórja” a fehér fényt, minden színt más-más szögben törve meg. Newton nem tudta szétválasztani a színeket egy második prizmán keresztül. Ám amikor a második prizmát nagyon közel helyezte az elsőhöz úgy, hogy az összes szétszórt szín bekerült a második prizmába, a tudós megállapította, hogy a színek újraegyesülve újra fehér fényt alkotnak. Ez a felfedezés meggyőzően bizonyította a könnyen osztható és kombinálható spektrumot.

A diszperziós jelenség játszik kulcsszerep V nagyszámú különféle jelenségek. A szivárvány az esőcseppekben lévő fény törésével jön létre, lenyűgöző látványt hozva létre spektrális dekompozíció, hasonlóan a prizmában előfordulóhoz.

Kritikus szög és teljes belső visszaverődés

Ha nagyobb törésmutatójú közegen haladunk át alacsonyabb törésmutatójú közegbe, a hullámok útját a két anyag elválasztásához viszonyított beesési szög határozza meg. Ha a beesési szög meghalad egy bizonyos értéket (a két anyag törésmutatójától függően), akkor eléri azt a pontot, ahol a fény nem törik meg az alacsonyabb indexű közegbe.

A kritikus (vagy korlátozó) szög az a beesési szög, amely 90°-os törésszöget eredményez. Más szóval, amíg a beesési szög kisebb, mint a kritikus szög, törés következik be, és amikor ez egyenlő, a megtört sugár végighalad azon a helyen, ahol a két anyag elválik. Ha a beesési szög meghaladja a kritikus szöget, a fény visszaverődik. Ezt a jelenséget teljes belső reflexiónak nevezzük. Használata például a gyémánt és a gyémántvágás elősegíti a teljes belső reflexió. A legtöbb sugár áthalad felső rész A gyémánt visszaverődik, amíg el nem érik a felső felületet. Ez adja a gyémántoknak ragyogó fényüket. Az optikai szál üveg „szőrszálakból” áll, amelyek olyan vékonyak, hogy amikor a fény az egyik végén belép, nem tud kiszabadulni. És csak akkor hagyhatja el a szálat, amikor a sugár eléri a másik végét.

Értsd és kezeld

Optikai műszerek, a mikroszkópoktól és teleszkópoktól a kamerákig, videoprojektorokig és még emberi szem támaszkodni arra a tényre, hogy a fény fókuszálható, megtörhető és visszaverhető.

A fénytörés létrehozza széleskörű jelenségek, beleértve a délibábokat, a szivárványokat, optikai csalódások. A fénytörés hatására egy vastag korsó sör teltebbnek tűnik, és a nap néhány perccel később nyugszik le, mint valójában. Emberek milliói használják a fénytörés erejét, hogy szemüveggel és kontaktlencsével korrigálják a látáshibákat. A fény ezen tulajdonságainak megértésével és manipulálásával szabad szemmel láthatatlan részleteket láthatunk, akár mikroszkóp tárgylemezén, akár távoli galaxisban vannak.