Valguse murdumise nähtus on ... Valguse murdumise seadus

Valguse murdumise nähtus on füüsiline nähtus, mis esineb iga kord, kui laine liigub ühest materjalist teise, kus selle levimiskiirus muutub. Visuaalselt väljendub see selles, et laine levik muutub.

Füüsika: valguse murdumine

Kui lendu kiirus langeb kahe meediumi vahel 90 ° nurga all oleva sektsiooni vahele, siis ei juhtu midagi, see jätkab liikumist samas suunas liidesega täisnurga all. Kui valgusvihu nurk erineb 90 ° -st, ilmneb kerge murdumise nähtus. Näiteks tekitab see selliseid kummalisi mõjusid kui osaliselt vee all oleva objekti ilmset murdumist või kuuma liivase kõrbes täheldatud miraate.

Avastuse ajalugu

Aasta esimesel sajandil AD. E. Vana-Kreeka geograaf ja astronoom Ptolemaios üritasid matemaatiliselt selgitada refraktsiooni ulatust, kuid hiljem pakutud seadus osutus ebausaldusväärseks. XVII sajandil. Madalmaade matemaatik Willebrord Snell koostas seaduse, mis määrati suuruse, mis oli seotud intsidendi ja murdunud nurga suhtega, mida hiljem nimetatakse aine murdumisnäitajaks. Tõepoolest, mida rohkem aine on võimeline valgust põlema, seda suurem on see indeks. Vees olev pliiats on "purunenud", sest sellest tulevad kiirused muudavad oma teed õhuvoolu liideses enne silma jõudmist. Snelli häpele ei jõudnud ta kunagi selle mõju põhjuseks.

1678. aastal lõi üks teine hollandi teadlane Christian Huygens välja matemaatilise sõltuvuse, mis selgitas Snelliuse tähelepanekuid, ning väitis, et valguse murdumise nähtus on tingitud erinevast kiirusest, mille kaudu tala läbib kahte meediumit. Huygens otsustas, et valgusnurkide suhe, mis läbib kahte materjali, millel on erinevad murdumisnäitajad, peaks olema võrdne selle materjali kiiruste suhtega. Seega leidis ta, et suurema murdumisnäitajaga meediumil liigub valgus aeglasemalt. Teiste sõnadega, valguse kiirus materjali kaudu on pöördvõrdeline selle murdumisnäitajaga. Kuigi hiljem kinnitati seadust eksperimentaalselt, ei olnud paljude aja teadlaste jaoks selge, sest valguskiiruse mõõtmiseks ei olnud usaldusväärseid vahendeid. Teadlased arvasid, et selle kiirus ei sõltu materjalist. Alles 150 aastat pärast Huygensi surma mõõdeti valguse kiirust piisavalt täpselt, tõestades tema õigsust.

Absoluutne murdumisnäitaja

Läbipaistva aine või materjali absoluutne murdumisnäitaja n määratletakse kui suhteline kiirus, mille kaudu läbib selle läbi kiirus vaakumis: n = c / v, kus c on vaakumis valguse kiirus ja v on materjalis.

Ilmselgelt puudub valguse murdumine mingisugust ainet sisaldavas vaakumis ja selle absoluutväärtus on 1. Muude läbipaistvate materjalide puhul on see väärtus suurem kui 1. Tundmatu materjalide indeksite arvutamiseks saab kasutada valguse murdumist õhus (10003).

Snelli seadused

Tutvustame mõningaid määratlusi:

• Intsidendi kiir on ray, mis läheneb meediumi eraldamisele;
• Haigusjuhtumiks on lahutamise punkt, kuhu see langeb;
• Lukustunud pulber lahkub söötme eraldamisest;
• Normaalne - joon, mis on tõmmatud risti eraldumise kohas;
• Haigestumise nurk on nurk normaalse ja juhusliku kiirguse vahel;
• Valguse murdumise nurka saab määrata ümberlõigatud ray ja normaalse nurga vahel.

Vastavalt murettekitavatele seadustele:

1. Intsident, refraktsioon ray ja tavaline on samas tasapinnas.
2. Esinemissageduse ja murdumise nurkade müra suhe on võrdne teise ja esimese söötme murdumistegurite suhtega: sin i / sin r = n _r / n _i .

Valguse murdumise seadus (Snellius) kirjeldab kahe laine nurkade ja kahe kandja murdumisnäitaja vahelist suhet. Kui laine möödub vähem murdumisvahendist (nt õhust) rohkem refraktiivsemaks (näiteks veest), siis selle kiirus väheneb. Vastupidiselt, kui valgus läheb veest õhku, suureneb kiirus. Esinemissagedus esimeses keskkonnas normaalväärtuse ja murdumisnurga suhtes teises osas erineb proportsionaalselt nende kahe aine murdumisnäitajate erinevusest. Kui laine ulatub madala koefitsientiga keskmisest kõrgema keskmise kandega, siis see paindub suunas normaalse suunas. Ja kui vastupidi, see eemaldatakse.

Suhteline murdumisnäitaja

Valguse murdumise seadus näitab, et intsidendi mürasummade ja murdunud nurkade suhe on võrdne konstandiga, mis on mõlema kandja valguse kiiruste suhe.

Sin i / sin r = n _r / n _i = (c / v _r ) / (c / v _i ) = v _i / v _r

Suhte n _r / n _i nimetatakse nende ainete suhteliseks murdumisnäitajaks.

Mõned nähtused, mis on refraktsiooni tagajärjel, täheldatakse sageli igapäevaelus. "Murtud" pliiatsi mõju on üks levinumaid. Silmad ja aju jälgivad raysid tagasi vette, nii nagu oleksid nad mitte lukustamata, vaid pärinevad objektist sirgjoonel, luues virtuaalset pilti, mis ilmub madalama sügavusega.

Dispersioon

Hoolikad mõõtmised näitavad, et kiirguse või selle värvi lainepikkus mõjutab valguse murdumist suuresti. Teisisõnu on ainel palju murdumisnäitajaid, mis võivad värvi või lainepikkuse muutudes erineda.

Selline muutus esineb kõigil läbipaistvatel kandjatel ja seda nimetatakse hajutuseks. Eri materjali hajutamise määr sõltub sellest, kui palju murdumisnäitaja varieerub lainepikkusega. Kuna lainepikkus suureneb, muutub valguse murdumisnähtus vähem märgatavaks. Seda kinnitab ka asjaolu, et violetne rebendab punasemaks, kuna selle lainepikkus on lühem. Tavalise klaasi hajutatuse tõttu tekib valguse teatav osa selle komponentideks.

Valguse lagunemine

17. sajandi lõpul viis Sir Isaac Newton läbi eksperimente, mis viisid tema nähtava spektri avastamiseni ja näitasid, et valge valgus koosneb värvikorrast, ulatudes lillest kuni siniseks, roheliseks, kollaseks, oranžiks ja lõpeb punaseks. Töötades pimedas ruumis, pani Newton klaasprisma kitsas tala, mis tungis akna aknaluukide ava kaudu. Prismiga läbides löödi valgust - klaas projitseeriti ekraanile tellitud spektri kujul.

Newton jõudis järeldusele, et valge valgus koosneb erinevatest värvide segust ja ka, et prism "hajub" valget valgust, murdudes iga värvi erineva nurga all. Newton ei suutnud värve eraldada, läbides teise prismaga. Kuid kui ta pani teise prismaga esimese sammu väga lähedale, nii et kõik teineteisest prismadesse jõudnud hajutatud värvid asusid, teatas teadlane, et värvid rekombineerivad, moodustades valge valguse. See avastus veenvalt tõendas valguse spektraalset koostist, mida on kerge eraldada ja ühendada.

Dispersiooni nähtus mängib olulist rolli paljudes erinevates nähtustes. Vikerkaar tekib valguse murdumisel vihma tilkades, tekitades muljetavaldava spektraalse lagunemise vaatevälja, mis sarnaneb prismaga esineva nägemisega.

Kriitiline nurk ja kogu sisemine peegeldus

Kui läbib keskmise kõrgema murdumisnäitaja madalama laineteega keskkonnas, määratakse nende esinemise nurk nende kahe materjali eraldamisega. Kui sagedusnurk ületab teatud väärtuse (sõltuvalt kahe materjali murdumisnäitaja), jõuab see punktini, kus valgust ei lõhustata madalama indeksiga keskkonda.

Kriitiline (või piirav) nurk on määratletud kui levimisnurk, mille tulemuseks on 90 ° murdumisnurk. Teisisõnu, kui sageduse kaldenurk on kriitilisemast väiksem, tekib murdumine ja kui see on sellega võrdne, siis lööb läbimõõduline tala kahe materjali lahutamise kohale. Kui juhtumite nurk ületab kriitilise nurga, siis valgus kajastub tagasi. Seda nähtust nimetatakse kogu sisemise peegelduseks. Selle kasutamise näited on teemandid ja optilised kiud. Teemantpistikud aitavad kaasa sisemise peegelduse täiustamisele. Enamik teemasid, mis läbivad teemandi ülemist osa, peegelduvad kuni nad jõuavad ülemisse pinnani. See annab suurepärase hiilguse. Optiline kiud on klaas "juuksed", nii õhuke, et kui valgus jõuab ühest otsast, ei saa see välja tulla. Ja ainult siis, kui tala jõuab teise otsa, võib ta kiu välja jätta.

Mõista ja hallata

Optikariistad, alates mikroskoopidest ja teleskoopidest kuni kaamerate, videoprojektorite ja isegi inimese silmade juurde, sõltuvad asjaolust, et valgust saab fokuseerida, murduda ja peegeldada.

Refraktsioon toob kaasa hulga nähtusi, sealhulgas miraažid, vikerkaarad, optilised illusioonid. Murdumisjõu tõttu tundub paksune seinakristall õlutäie täiuslikum ja päike paistab mõne minuti hiljem, kui see tegelikult on. Miljonid inimesed kasutavad murdumisvõimet, et parandada nägemispuudega klaase ja kontaktläätsi. Mõistes neid valguse omadusi ja kontrollides neid, näeme palja silmaga nähtamatuid detaile, sõltumata sellest, kas need on mikroskoobi libistis või kauges galaktikas.