Fenomenet med ljusbrytning - det ... Lagen om ljusbrytning

Fenomenet ljusbrytning - är ett naturligt fenomen som inträffar varje gång vågen färdas från ett material till ett annat, varvid dess hastighet varierar. Visuellt verkar det som ändrar utbredningsriktningen.

Fysik: ljusbrytning

Om den infallande strålen träffar gränsytan mellan de två medierna i en vinkel av 90 °, sedan ingenting händer, fortsätter den att röra sig i samma riktning i rät vinkel mot gränsytan. Om infallsvinkeln avviker från 90 °, inträffar brytnings fenomen. Detta exempel producerar konstiga effekter såsom den sken fraktur objektet delvis nedsänkt i vatten eller en hägring sett i den heta ökensand.

History of discovery

Under det första århundradet före Kristus. e. Grekisk geograf och astronom Ptolemaios försökte matematiskt förklara brytning, men lagen som föreslås av honom senare visade sig vara opålitliga. I XVII-talet. Holländsk matematiker WILLEBRORD SNELLIUS utvecklade lagen, som avgör hur mycket relaterat till förhållandet mellan händelsen och bryts vinklar, som senare fick namnet brytningsindex material. I själva verket, desto mer substans kan bryta ljus, desto högre hastighet. Penna i vattnet "trasiga" eftersom strålarna som kommer från den, ändra ditt sätt vid luft-vattengränssnittet innan det når ögat. Till besvikelse Snell, har han inte lyckats hitta orsaken till denna effekt.

I 1678, en annan holländska vetenskapsmannen Christiaan Huygens utvecklat ett matematiskt förhållande som förklarar observationerna Snell och föreslog att fenomenet med ljusbrytning - är resultatet av att variera den hastighet med vilken strålen passerar genom de två miljöerna. Huygens fastställt att attitydvinklarna för ljus som passerar genom två material med olika brytningsindex måste vara lika med kvoten av dess hastighet i varje material. Således antas det att i ett medium med ett högre brytningsindex, rör sig ljuset långsammare. Med andra ord, är ljusets hastighet genom materialet omvänt proportionell mot brytningsindex. Trots att lagen bekräftades senare experimentellt för många forskare vid den tiden var det inte självklart, t. Om du vill. Inga tillförlitliga sätt att mäta hastigheten av ljus. Forskarna trodde att det inte beror på hastigheten av materialet. Bara 150 år efter Huygens ljusets hastighet död mättes med tillräcklig noggrannhet, bevisar honom rätt.

Absoluta brytningsindex

Absoluta brytningsindex n för det transparenta materialet eller ett material definieras som den relativa hastigheten vid vilken ljus passerar därigenom i förhållande till hastigheten i vakuum: n = c / v, där c - ljushastigheten i vakuum, och v - i materialet.

Uppenbarligen är ljusets brytning i ett vakuum, saknar substans saknas och det finns en absolut figur 1. För andra transparenta material detta värde är större än 1. ljusbrytning i luften kan användas för att beräkna de okända parametrarna material (1.0003).

Snells lag

Vi presenterar några definitioner:

• den infallande strålen - en stråle som är i närheten av separationsmediet;
• droppunkt - separations punkt vid vilken den faller;
• den brutna strålen lämnar separationsmediet;
• normal - en linje dragen vinkelrätt mot separationen vid infallspunkten;
• infallsvinkel - vinkeln mellan normal och den infallande strålen;
• bestämma brytningsvinkeln kan vara som vinkeln mellan den brutna strålen och normalen.

Enligt lagarna i brytnings:

1. Händelsen, den brutna strålen och den normala är i samma plan.
2. Förhållandet mellan sinus för infallsvinklarna och refraktion är förhållandet mellan brytningskoefficienterna hos det första och andra mediet: sin i / sin r = n r / n i.

Lagen om ljusbrytning (Snell) beskriver förhållandet mellan vinklarna hos de två vågorna och brytningsindex för de två medierna. När en våg passerar från ett mindre brytningsmedium (t ex luft) vid ett brytnings (t ex vatten), droppar dess hastighet. Omvänt, när ljuset passerar från vattnet i luften ökar hastigheten. Infallsvinkeln till det första mediet i förhållande till den normala brytningsvinkeln och den andra kommer att variera i proportion till skillnaden i brytningsindex mellan de två materialen. Om en våg passerar från ett medium med en låg koefficient för ett medium med en högre, böjer den mot det normala. Och om Tvärtom kommer det att tas bort.

Den relativa brytningsindex

Ljusbrytning lag visar att förhållandet mellan sinus för den infallande och brutna vinklar lika med en konstant som är förhållandet mellan hastigheterna av ljus i de båda medierna.

_{synda / sin r = n r} / n i = (c / volym r) / (c / volym i) = v i / v r

Förhållandet n _r / n _i kallas en relativ brytningsindex för dessa ämnen.

Ett antal fenomen som är resultatet av refraktion ses ofta i vardagen. Effekten av "trasig" penna - en av de vanligaste. Ögon och hjärna följer strålarna tillbaka i vattnet, som om de inte bryts, och som kommer från objektet i en rak linje, vilket skapar en virtuell bild som visas på en mindre djup.

dispersion

Noggranna mätningar visar att brytningen av den ljusvåglängd emission eller färg har ett stort inflytande. Med andra ord har en substans många brytningsindex som kan variera med byte av färg eller våglängd.

En sådan förändring sker i alla transparenta medier och kallas spridning. Graden av dispersion av det speciella material beror på hur brytningsindex varierar med våglängden. Med ökande våglängd blir mindre uttalad fenomenet ljusbrytning. Detta bekräftas av det faktum att lila bryter mer än rött, eftersom dess våglängd är kortare. På grund av dispersion i den vanliga glaset inträffar känd uppdelning ljus i dess beståndsdelar.

expansion av ljus

Vid slutet av XVII-talet, Sir Isaak Nyuton genomfört en serie experiment som ledde till hans upptäckt av det synliga spektrumet, och har visat att vitt ljus består av en ordnad uppsättning av färger, från lila genom blått, grönt, gult, orange och rött efterbehandling. Arbetar i ett mörklagt rum, Newton placerat en glasprisma i en smal stråle tränger genom ett hål i fönsterluckor. Vid passage genom ett prisma bryts ljus - glaset för att projicera den på en skärm i ett ordnat spektrum.

Newton slutsatsen att vitt ljus är en blandning av olika färger, och att prismat "sprider" det vita ljuset, brytande varje färg från en annan vinkel. Newton kunde inte dela färger genom att passera dem genom ett andra prisma. Men när han satte det andra prismat är mycket nära den första, så att alla färger spridda och gick in i andra prisma, fann forskarna att färgerna återförenas igen för att bilda vitt ljus. Denna upptäckt övertygande visat den spektrala sammansättningen av ljus som lätt kan delas och ansluten.

dispersion fenomen spelar en nyckelroll i ett stort antal olika fenomen. Regnbåge är resultatet av ljusets brytning i droppar regn, vilket gör en imponerande syn av den spektrala nedbrytning, liknande det som sker i prismat.

Den kritiska vinkeln och total inre reflektion

När de passerar genom ett medium med ett högre brytningsindex i ett medium med en lägre rörelsebana av vågorna definieras av infallsvinkeln med avseende på separation av de två materialen. Om infallsvinkeln överskrider ett visst värde (beroende på brytningsindex för de två materialen), når det en punkt där ljuset inte bryts i mediet med ett lägre index.

Kritisk (eller gränsen) vinkeln definieras som infallsvinkeln, vilket resulterar i brytningsvinkeln av 90 °. Med andra ord, som infallsvinkeln är mindre än den kritiska refraktion inträffar, och när den är lika med den, passerar den brutna strålen längs utrymmet som separerar de två materialen. Om infallsvinkeln är större än den kritiska, är det ljus som reflekteras tillbaka. Detta fenomen är känt som total inre reflektion. Exempel på dess användning - diamanter och optiska fibrer. Den diamant befrämjar total inre reflektion. De flesta av de strålar in genom toppen av diamant, kommer att återspeglas tills de når den övre ytan. Detta är vad som ger diamanter deras glitter. Den optiska fibern är ett glas "hår", är så tunn att när ljus kommer in i ena änden, kan den inte undgå. Och endast när strålen når den andra änden, kommer han att kunna lämna fibern.

Förstå och hantera

Optiska enheter, från mikroskop och teleskop till kameror, videoprojektorer, och även det mänskliga ögat kan lita på det faktum att ljuset kan fokuseras, brytas och reflekteras.

Refraktion producerar ett brett spektrum av fenomen, inbegripet hägringar, regnbågar, optiska illusioner. På grund av brytning av en tjockväggig glas öl verkar vara mer komplett, och solen går ner under några minuter senare än den faktiskt är. Miljontals människor använder brytningsförmåga för att korrigera synfel med hjälp av glasögon eller kontaktlinser. Genom att förstå dessa egenskaper hos ljus och förvaltning, kan vi se detaljer osynliga för blotta ögat, oavsett om de är på ett objektglas eller i en avlägsen galax.