Kokiu kritimo kampu nevyksta refrakcija? Šviesos lūžio dėsnis: formuluotė ir praktinis pritaikymas

Šviesos lūžio reiškinys.

Jei šviesos spindulys krinta ant paviršiaus, skiriančio dvi skaidrias skirtingo optinio tankio terpes, pavyzdžiui, orą ir vandenį, tai dalis šviesos atsispindi nuo šio paviršiaus, o kita dalis prasiskverbia į antrąją terpę. Pereinant iš vienos terpės į kitą, šviesos spindulys keičia kryptį ties šių terpių riba. Šis reiškinys vadinamas šviesos lūžimu.

Pažvelkime atidžiau į šviesos lūžį. n paveiksle parodyta: krintantis spindulys UAB, lūžęs spindulys OB ir statmenai CD, atsigavo nuo smūgio vietos APIEį paviršių, skiriantį dvi skirtingas aplinkas. Kampas AOC- kritimo kampas, kampas DOB- lūžio kampas. Lūžio kampas DOB mažesnis už kritimo kampą AOC.

Šviesos spindulys adresu perėjimas iš oro į vandenį keičia kryptį, artėja prie statmenos CD. Vanduo yra optiškai tankesnis už orą. Jei vandenį pakeičia kokia nors kita skaidri terpė, optiškai tankesnė už orą, tai lūžęs spindulys taip pat priartės prie statmeno. Todėl galime sakyti: jei šviesa ateina iš optiškai mažiau tankios terpės į tankesnę terpę, tai lūžio kampas visada yra mažesnis už kritimo kampą.

Eksperimentai rodo, kad tuo pačiu kritimo kampu lūžio kampas yra mažesnis, tuo optiškai tankesnė terpė, į kurią pluoštas prasiskverbia.
Jei veidrodis yra pastatytas ant lūžusio spindulio kelio statmenai spinduliui, tada šviesa atsispindės nuo veidrodžio ir iš vandens išeis į orą krintančio spindulio kryptimi. Vadinasi, krintantys ir lūžę spinduliai yra grįžtami taip pat, kaip grįžtantys krintantys ir atsispindėję spinduliai.
Jei šviesa patenka iš optiškai tankesnės terpės į mažiau tankią terpę, tada pluošto lūžio kampas yra didesnis nei kritimo kampas.

Padarykime nedidelį eksperimentą namuose. m namuose nedidelis eksperimentas. am Jei į stiklinę vandens įdėsite pieštuką, jis atrodys sulūžęs. E tai galima paaiškinti tik tuo, kad iš pieštuko sklindantys šviesos spinduliai vandenyje turi skirtingą kryptį nei ore, t.y., šviesos lūžimas vyksta ties oro ir vandens riba. Kai šviesa pereina iš vienos terpės į kitą, dalis ant jos patenkančios šviesos atsispindi sąsajoje. Likusi šviesos dalis prasiskverbia į naują aplinką. Jei šviesa į sąsają krenta kitu kampu nei tiesia, šviesos spindulys keičia kryptį nuo sąsajos.
Tai vadinama šviesos lūžio reiškiniu. Šviesos lūžio reiškinys stebimas ties dviejų skaidrių terpių riba ir paaiškinamas skirtingu šviesos sklidimo greičiu skirtingose ​​terpėse. Vakuume šviesos greitis yra maždaug 300 000 km/s, visose kitose

Su taip, jis mažesnis.

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas spindulys, judantis iš oro į vandenį. Kampas vadinamas spindulio kritimo kampas, A - lūžio kampas. Atkreipkite dėmesį, kad vandenyje spindulys artėja prie normalaus. Tai atsitinka, kai spindulys patenka į terpę, kurioje šviesos greitis yra lėtesnis. Jei šviesa sklinda iš vienos terpės į kitą, kur šviesos greitis didesnis, tai ji nukrypsta nuo normalaus.

Refrakcija yra atsakinga už daugybę gerai žinomų optinių iliuzijų. Pavyzdžiui, stebėtojui ant kranto atrodo, kad iki juosmens į vandenį patekusio žmogaus kojos trumpesnės.

Šviesos lūžio dėsniai.

Iš viso to, kas pasakyta, darome išvadas:
1 . Dviejų skirtingo optinio tankio terpių sąsajoje šviesos spindulys keičia kryptį, pereidamas iš vienos terpės į kitą.
2. Kai šviesos spindulys pereina į terpę su didesneoptinio tankio lūžio kampasmažesnis kritimo kampas; kai praeina šviesos spindulysiš optiškai tankesnės terpės į mažiau tankią terpętankus lūžio kampas didesnis už kritimo kampąnia.
Šviesos lūžimą lydi atspindys, o padidėjus kritimo kampui, didėja atspindėto pluošto ryškumas, o lūžęs spindulys silpnėja. Tai galima pamatyti eksperimentuojant parodyta paveiksle. SU Todėl atspindėtas spindulys nuneša daugiau šviesos energijos, tuo didesnis kritimo kampas.

Leiskite MN- sąsaja tarp dviejų skaidrių terpių, pavyzdžiui, oro ir vandens, UAB- kritimo spindulys, OB- lūžęs spindulys, - kritimo kampas, - lūžio kampas, - šviesos sklidimo greitis pirmoje terpėje, - šviesos sklidimo greitis antroje terpėje.

Pirmasis lūžio dėsnis skamba taip: kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis yra pastovi šių dviejų terpių vertė:

, kur santykinis lūžio rodiklis (antrosios terpės lūžio rodiklis, palyginti su pirmąja).

Antrasis šviesos lūžio dėsnis yra labai panašus į antrąjį šviesos atspindžio dėsnį:

krintantis spindulys, lūžęs spindulys ir statmenas, nubrėžtas į spindulio kritimo tašką, yra toje pačioje plokštumoje.

Absoliutus lūžio rodiklis.

Šviesos greitis ore yra beveik toks pat kaip šviesos greitis vakuume: su m/s.

Jei šviesa iš vakuumo patenka į kokią nors terpę, tada

kur n yra absoliutus lūžio rodiklisšios aplinkos. Dviejų terpių santykinis lūžio rodiklis yra susijęs su šių terpių absoliučiais lūžio rodikliais, kur ir yra atitinkamai pirmosios ir antrosios terpės absoliutus lūžio rodiklis.

Absoliutus šviesos lūžio rodiklis:

Medžiaga

Deimantas 2.42. Kvarcas 1.54. Oras (įprastomis sąlygomis) 1,00029. Etilo alkoholis 1.36. Vanduo 1.33. Ledas 1.31. Terpentinas 1,47. Lydytas kvarcas 1.46. 1,52 CZK. Šviesus titnagas 1,58. Natrio chloridas (druska) 1,53.

(Kaip matysime vėliau, lūžio rodiklis n kiek kinta priklausomai nuo šviesos bangos ilgio – pastovią reikšmę išlaiko tik vakuume. Todėl lentelėje pateikti duomenys atitinka geltoną šviesą, kurios bangos ilgis yra .)

Pavyzdžiui, kadangi deimantui šviesa deimante sklinda dideliu greičiu

Terpės optinis tankis.

Jei pirmosios terpės absoliutus lūžio rodiklis yra mažesnis už antrosios terpės absoliutų lūžio rodiklį, tai pirmosios terpės optinis tankis yra mažesnis nei antrosios ir > . Nereikėtų painioti terpės optinio tankio su medžiagos tankiu.

Šviesos praėjimas per lygiagrečią plokštę ir prizmę.

Šviesos praėjimas per skaidrius įvairių formų kūnus turi didelę praktinę reikšmę. Panagrinėkime paprasčiausius atvejus.
Šviesos spindulį nukreipkime per storą plokštumai lygiagrečią plokštę (plokštę, kurią riboja lygiagrečios briaunos). Praeinant pro plokštę, šviesos spindulys lūžta du kartus: vieną kartą įeinant į plokštelę, antrą kartą išeinant iš plokštelės į orą.

Šviesos spindulys, einantis per plokštę, išlieka lygiagretus pradinei krypčiai ir tik šiek tiek pasislenka. Šis poslinkis yra didesnis, kuo storesnė plokštė ir didesnis kritimo kampas. Poslinkio dydis taip pat priklauso nuo medžiagos, iš kurios pagaminta plokštė.
Plokštumos lygiagrečios plokštės pavyzdys yra lango stiklas. Bet tirdami daiktus per stiklą nepastebime jų vietos ir formos pakitimų, nes stiklas plonas; praeinantys šviesos spinduliai lango stiklas šiek tiek juda.
Jei žiūrite į objektą per prizmę, objektas atrodo pasislinkęs. Iš objekto sklindantis šviesos spindulys tam tikrame taške krinta ant prizmės A, lūžta ir eina prizmės viduje ta kryptimi AB Pasiekęs antrąjį prizmės paviršių. šviesos spindulys dar kartą lūžta, nukrypdamas link prizmės pagrindo. Todėl atrodo, kad spindulys ateina iš taško. esančios remiantis spindulio BC tęsiniu, tai yra, atrodo, kad objektas yra pasislinkęs į kampo, kurį sudaro prizmės lūžio paviršiai, viršūnę.

Visiškas šviesos atspindys.

Gražus reginys yra fontanas, kurio išmetami purkštukai apšviečiami iš vidaus. (Tai galima pavaizduoti normaliomis sąlygomis, atlikus šį eksperimentą Nr. 1). Paaiškinkime šį reiškinį šiek tiek žemiau.

Kai šviesa pereina iš optiškai tankesnės terpės į optiškai mažiau tankią, stebimas visiško šviesos atspindžio reiškinys. Lūžio kampas šiuo atveju yra didesnis lyginant su kritimo kampu (141 pav.). Didėjant šviesos spindulių iš šaltinio kritimo kampui Sį sąsają tarp dviejų laikmenų MN ateis momentas, kai lūžęs spindulys eis per sąsają tarp dviejų laikmenų, tai yra = 90°.

Kritimo kampas, atitinkantis lūžio kampą = 90°, vadinamas viso atspindžio ribiniu kampu.

Jei šis kampas bus viršytas, tada spinduliai visiškai nepaliks pirmosios terpės, tik bus stebimas šviesos atspindžio reiškinys nuo sąsajos tarp dviejų terpių.

Iš pirmojo lūžio dėsnio:

Nuo tada.

Jei antroji terpė yra oras (vakuumas), tai kur n - terpės, iš kurios sklinda spinduliai, absoliutus lūžio rodiklis.

Jūsų eksperimente pastebėto reiškinio paaiškinimas yra gana paprastas. Šviesos spindulys praeina palei vandens srovę ir atsitrenkia į išlenktą paviršių didesniu nei ribinis kampas, patiria visišką vidinį atspindį, o tada vėl atsitrenkia į priešingą srauto pusę kampu, vėl didesniu už ribinį. Taigi spindulys praeina išilgai čiurkšlės, lenkdamasis kartu su ja.

Bet jei šviesa visiškai atsispindėtų purkštuko viduje, tada ji nebūtų matoma iš išorės. Dalis šviesos išsklaido vandens, oro burbuliukų ir įvairių joje esančių priemaišų, taip pat dėl ​​nelygaus purkštuko paviršiaus, todėl matosi iš išorės.

Šviesos bangos lūžio reiškinys suprantamas kaip šios bangos priekio sklidimo krypties pasikeitimas, kai ji pereina iš vienos skaidrios terpės į kitą. Daugelis optinių instrumentų ir žmogaus akis naudoja šį reiškinį savo funkcijoms atlikti. Straipsnyje aptariami šviesos lūžio dėsniai ir jų panaudojimas optiniuose prietaisuose.

Šviesos atspindžio ir lūžio procesai

Svarstant šviesos lūžio dėsnių klausimą, reikėtų paminėti ir atspindžio reiškinį, nes jis glaudžiai susijęs su šiuo reiškiniu. Kai šviesa pereina iš vienos skaidrios terpės į kitą, šių terpių sąsajoje kartu su ja vyksta du procesai:

1. Dalis šviesos pluošto atsispindi atgal į pirmąją terpę kampu, lygiu pradinio pluošto kritimo į sąsają kampui.
2. Antroji pluošto dalis patenka į antrąją terpę ir toliau joje sklinda.

Tai, kas išdėstyta pirmiau, rodo, kad pradinio šviesos pluošto intensyvumas visada bus didesnis nei atskirai atspindėtos ir lūžusios šviesos. Kaip šis intensyvumas pasiskirsto tarp pluoštų, priklauso nuo terpės savybių ir nuo šviesos kritimo kampo jų sąsajoje.

Kokia yra šviesos lūžio proceso esmė?

Dalis šviesos pluošto, patenkančio į paviršių tarp dviejų skaidrių terpių, toliau sklinda antroje terpėje, tačiau jo sklidimo kryptis jau tam tikru kampu skirsis nuo pradinės krypties 1-oje terpėje. Tai yra šviesos lūžio reiškinys. Fizinė šio reiškinio priežastis – šviesos bangos sklidimo greičio skirtumas įvairiose terpėse.

Prisiminkite, kad šviesos didžiausias sklidimo greitis vakuume yra lygus 299 792 458 m/s. Bet kurioje medžiagoje šis greitis visada mažesnis, o kuo didesnis terpės tankis, tuo lėčiau joje sklinda elektromagnetinė banga. Pavyzdžiui, ore šviesos greitis yra 299 705 543 m/s, 20 °C vandenyje jau 224 844 349 m/s, o deimante nukrenta daugiau nei 2 kartus, palyginti su greičiu vakuume ir yra 124 034 943 m. /Su.

Šis principas suteikia geometrinį bangos fronto nustatymo metodą bet kuriuo metu. Huygenso principas daro prielaidą, kad kiekvienas bangos fronto pasiektas taškas yra elektromagnetinių antrinių bangų šaltinis. Jie važiuoja visomis kryptimis tuo pačiu greičiu ir dažniu. Gautas bangos frontas apibrėžiamas kaip visų antrinių bangų frontų visuma. Kitaip tariant, priekis yra paviršius, kuris liečia visų antrinių bangų sferas.

Šio geometrinio principo panaudojimas bangos frontui nustatyti parodytas toliau pateiktame paveikslėlyje. Kaip matyti iš šios diagramos, visi antrinių bangų sferų spinduliai (rodomi rodyklėmis) yra vienodi, nes bangos frontas optiniu požiūriu sklinda vienalytėje terpėje.

Huygenso principo taikymas šviesos lūžio procesui

Norėdami suprasti šviesos lūžio dėsnį fizikoje, galite naudoti Huygenso principą. Panagrinėkime tam tikrą šviesos srautą, kuris patenka į dviejų terpių sąsają, o elektromagnetinės bangos judėjimo greitis pirmoje terpėje yra didesnis nei antrosios.

Kai tik dalis priekio (paveikslėlyje žemiau) pasiekia terpės sąsają, kiekviename sąsajos taške pradeda jaudinti antrinės sferinės bangos, kurios jau sklis antroje terpėje. Kadangi šviesos greitis antroje terpėje yra mažesnis už šią reikšmę pirmoje terpėje, priekinės dalies dalis, kuri dar nepasiekė sąsajos tarp terpės (paveikslo dešinėje), toliau sklis didesniu greičiu. nei ta priekio dalis (kairė), kuri jau pateko į antrąją terpę . Nubraižant antrinių bangų apskritimus kiekvienam taškui, kurio spindulys yra lygus v*t, kur t yra tam tikras konkretus antrinės bangos sklidimo laikas, o v yra jos sklidimo antroje terpėje greitis, ir tada nubrėžiama liestinė kreivę į visus antrinių bangų paviršius, galima gauti priekinį šviesos sklidimą antroje terpėje.

Kaip matyti iš paveikslo, šis frontas tam tikru kampu nukryps nuo pradinės jo sklidimo krypties.

Atkreipkite dėmesį, kad jei bangų greičiai būtų vienodi abiejose terpėse arba jei šviesa kristų statmenai sąsajai, tai apie lūžio procesą negalėtų būti nė kalbos.

Šviesos lūžio dėsniai

Šie dėsniai buvo gauti eksperimentiniu būdu. Tegul 1 ir 2 yra dvi skaidrios terpės, kurių elektromagnetinių bangų sklidimo greičiai yra atitinkamai lygūs v 1 ir v 2. Tegul šviesos spindulys nukrenta iš terpės 1 į sąsają kampu θ 1 į normalųjį, o antroje terpėje jis toliau sklinda kampu θ 2 į sąsają. Tada šviesos lūžio dėsnių formuluotė bus tokia:

1. Toje pačioje plokštumoje bus du spinduliai (kritimo ir lūžimo) ir normalus atkurtas į sąsają tarp 1 ir 2 laikmenų.
2. Spindulio sklidimo greičių santykis 1 ir 2 terpėse bus tiesiogiai proporcingas kritimo ir lūžio kampų sinusų santykiui, ty sin(θ 1)/sin(θ 2) = v 1 /v 2.

Antrasis dėsnis vadinamas Snelio dėsniu. Jei atsižvelgsime į tai, kad skaidrios terpės rodiklis arba lūžio rodiklis apibrėžiamas kaip šviesos greičio vakuume ir šio greičio terpėje santykis, tada šviesos lūžio dėsnio formulę galima perrašyti taip: nuodėmė. (θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1, kur n 1 ir n 2 yra atitinkamai 1 ir 2 terpės lūžio rodikliai.

Taigi, matematinė dėsnio formulė rodo, kad kampo sinuso ir lūžio rodiklio sandauga tam tikrai terpei yra pastovi reikšmė. Be to, atsižvelgiant į trigonometrines sinuso savybes, galime pasakyti, kad jei v 1 > v 2, tada šviesa, eidama per sąsają, priartės prie normalios ir atvirkščiai.

Trumpa teisės atradimo istorija

Kas atrado šviesos lūžio dėsnį? Tiesą sakant, pirmą kartą jį suformulavo viduramžių astrologas ir filosofas Ibn Sahlas 10 amžiuje. Antrasis dėsnio atradimas įvyko XVII amžiuje, o tai padarė olandų astronomas ir matematikas Snell van Rooyen, todėl visame pasaulyje antrasis lūžio dėsnis yra jo vardu.

Įdomu pastebėti, kad kiek vėliau šį dėsnį atrado ir prancūzas Rene'as Dekartas, todėl prancūzakalbėse šalyse jis pavadintas jo vardu.

Pavyzdinė užduotis

Visos problemos, susijusios su šviesos lūžio dėsniu, yra pagrįstos matematine Snell dėsnio formuluote. Pateiksime tokios problemos pavyzdį: reikia rasti šviesos fronto sklidimo kampą jam pereinant nuo deimanto prie vandens, su sąlyga, kad šis frontas atsitrenktų į sąsają 30 o kampu į normalų.

Norint išspręsti šią problemą, reikia žinoti arba nagrinėjamų terpių lūžio rodiklius, arba elektromagnetinės bangos sklidimo jose greitį. Remdamiesi etaloniniais duomenimis, galime rašyti: n 1 = 2,417 ir n 2 = 1,333, kur skaičiai 1 ir 2 reiškia atitinkamai deimantą ir vandenį.

Pakeisdami gautas reikšmes į formulę, gauname: sin(30 o)/sin(θ 2) = 1,333/2,417 arba sin(θ 2) = 0,39 ir θ 2 = 65,04 o, tai yra, spindulys judės žymiai nutolęs nuo įprastos.

Įdomu pastebėti, kad jei kritimo kampas būtų didesnis nei 33,5 o, tai pagal šviesos lūžio dėsnio formulę lūžusio spindulio nebūtų, o visas šviesos frontas atsispindėtų atgal į rombą. vidutinis. Šis efektas fizikoje žinomas kaip visiškas vidinis atspindys.

Kur galioja lūžio dėsnis?

Praktinis šviesos lūžio dėsnio taikymas yra įvairus. Galima neperdėti, kad dauguma optinių prietaisų veikia pagal šį dėsnį. Šviesos refrakcija optiniuose lęšiuose naudojama tokiuose instrumentuose kaip mikroskopai, teleskopai ir žiūronai. Jei nebūtų refrakcijos efekto, žmogus negalėtų matyti jį supančio pasaulio, nes stiklakūnis ir akies lęšiukas yra biologiniai lęšiai, kurie atlieka šviesos srauto fokusavimo į jautriojo tašką funkciją. akies tinklainė. Be to, visiško vidinio atspindžio dėsnis taikomas šviesos pluoštuose.

Panagrinėkime, kaip keičiasi spindulio kryptis, kai jis pereina iš oro į vandenį. Šviesos greitis vandenyje yra mažesnis nei ore. Terpė, kurioje šviesos sklidimo greitis lėtesnis, yra optiškai tankesnė terpė.

Taigi, terpės optiniam tankiui būdingi skirtingi šviesos sklidimo greičiai.

Tai reiškia, kad šviesos sklidimo greitis yra didesnis optiškai mažiau tankioje terpėje. Pavyzdžiui, vakuume šviesos greitis yra 300 000 km/s, o stikle – 200 000 km/s. Šviesos pluoštui krentant ant paviršiaus, skiriančio dvi skaidrias, skirtingo optinio tankio terpes, tokias kaip oras ir vanduo, dalis šviesos atsispindi nuo šio paviršiaus, o kita dalis prasiskverbia į antrąją terpę. Pereinant iš vienos terpės į kitą, šviesos spindulys keičia kryptį ties terpės riba (144 pav.). Šis reiškinys vadinamas šviesos lūžis.

Ryžiai. 144. Šviesos lūžimas pluoštui pereinant iš oro į vandenį

Pažvelkime atidžiau į šviesos lūžį. 145 paveiksle parodyta: incidento spindulys UAB, lūžęs spindulys OB ir statmena sąsajai tarp dviejų terpių, nubrėžta iki kritimo taško O. Kampas AOS - kritimo kampas (α), kampas DOB - lūžio kampas (γ).

Ryžiai. 145. Šviesos spindulio lūžimo, pereinant iš oro į vandenį, schema

Pereidamas iš oro į vandenį, šviesos spindulys keičia kryptį, artėdamas prie statmenos CD.

Vanduo yra optiškai tankesnis už orą. Jei vandenį pakeičia kokia nors kita skaidri terpė, optiškai tankesnė už orą, tai lūžęs spindulys taip pat artės prie statmeno. Todėl galime teigti, kad jei šviesa ateina iš optiškai mažiau tankios terpės į tankesnę terpę, tai lūžio kampas visada yra mažesnis už kritimo kampą (žr. 145 pav.):

Šviesos spindulys, nukreiptas statmenai sąsajai tarp dviejų terpių, pereina iš vienos terpės į kitą be lūžimo.

Pasikeitus kritimo kampui, keičiasi ir lūžio kampas. Kuo didesnis kritimo kampas, tuo didesnis lūžio kampas (146 pav.). Šiuo atveju ryšys tarp kampų neišsaugomas. Jei sudarysime kritimo ir lūžio kampų sinusų santykį, tada jis išlieka pastovus.

Ryžiai. 146. Lūžio kampo priklausomybė nuo kritimo kampo

Bet kuriai medžiagų porai su skirtingu optiniu tankiu galime parašyti:

kur n yra pastovi vertė, nepriklausoma nuo kritimo kampo. Tai vadinama lūžio rodiklis dviem aplinkoms. Kuo didesnis lūžio rodiklis, tuo stipriau lūžta spindulys pereinant iš vienos terpės į kitą.

Taigi šviesos lūžimas vyksta pagal tokį dėsnį: krintantis spindulys, lūžęs spindulys ir statmenas, nubrėžtas į sąsają tarp dviejų terpių spindulio kritimo taške, yra toje pačioje plokštumoje.

Kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis yra pastovi dviejų terpių vertė:

Šviesa lūžta Žemės atmosferoje, todėl mes matome žvaigždes ir Saulę aukščiau jų tikrosios vietos danguje.

Klausimai

1. Kaip pasikeičia šviesos pluošto kryptis (žr. 144 pav.) įpylus vandens į indą?
2. Kokios išvados buvo padarytos atlikus šviesos lūžio eksperimentus (žr. 144, 145 pav.)?
3. Kokios pozicijos atliekamos lūžus šviesai?

47 pratimas

Pamokos tikslas

Supažindinti studentus su šviesos sklidimo dviejų terpių sąsajoje dėsniais, pateikti šio reiškinio paaiškinimą šviesos bangų teorijos požiūriu.

Namų darbas: § 61, užduotis Nr.1035, 1036.

Žinių testas

Testas. Šviesos atspindys

Nauja medžiaga

Šviesos lūžio stebėjimas.

Ties dviejų terpių riba šviesa keičia savo sklidimo kryptį. Dalis šviesos energijos grįžta į pirmąją terpę, tai yra, šviesa atsispindi. Jei antroji terpė yra skaidri, šviesa gali iš dalies pereiti per terpės ribą, taip pat paprastai keičiant sklidimo kryptį. Šis reiškinys vadinamas šviesos lūžis.

Dėl refrakcijos pastebimas akivaizdus objektų formos, jų vietos ir dydžio pokytis. Paprasti pastebėjimai gali mus tuo įtikinti. Į tuščio nepermatomo stiklo dugną įdėkite monetą ar kitą mažą daiktą. Perkelkime stiklą taip, kad monetos centras, stiklo kraštas ir akis būtų vienoje tiesioje linijoje. Nekeisdami galvos padėties supilsime vandenį į stiklinę. Kylant vandens lygiui stiklinės dugnas su moneta tarsi pakyla. Moneta, kuri anksčiau buvo matoma tik iš dalies, dabar bus matoma visiškai. Įdėkite pieštuką kampu į indą su vandeniu. Jei pažvelgsite į indą iš šono, pastebėsite, kad vandenyje esanti pieštuko dalis tarsi pasislinko į šoną.

Šie reiškiniai paaiškinami spindulių krypties pasikeitimu ties dviejų terpių riba – šviesos lūžimu.

Šviesos lūžio dėsnis nustato santykinę krintančio spindulio AB padėtį (žr. pav.), lūžusio spindulio DB ir statmeną CE sąsajai, atkurtą kritimo taške. Kampas α vadinamas kritimo kampu, o kampas β lūžio kampas.

Kritančius, atsispindėjusius ir lūžusius spindulius lengva stebėti, nes matomas siauras šviesos pluoštas. Tokio pluošto eigą ore galima atsekti įpūtus šiek tiek dūmų į orą arba pastatant ekraną šiek tiek kampu į spindulį. Lūžęs spindulys taip pat matomas fluoresceinu dažytame akvariumo vandenyje.

Tegul plokštuma šviesos banga nukrenta ant plokščios sąsajos tarp dviejų terpių (pavyzdžiui, iš oro į vandenį) (žr. pav.). Bangos paviršius AC yra statmenas spinduliams A 1 A ir B 1 B. Paviršių MN pirmiausia pasieks spindulys A 1 A . Spindulys B 1 B pasieks paviršių po laiko Δt. Todėl tuo metu, kai antrinė banga taške B tik pradeda sužadinti, banga iš taško A jau turi spindulio pusrutulio formą

Lūžusios bangos bangos paviršių galima gauti nubrėžus paviršiaus liestinę visoms antrinėms bangoms antroje terpėje, kurių centrai yra terpių sąsajoje. Šiuo atveju tai yra BD plokštuma. Tai antrinių bangų apvalkalas. Spindulio kritimo kampas α lygus CAB trikampyje ABC (vieno iš šių kampų kraštinės statmenos kito kraštinėms). Vadinasi,

Lūžio kampas β lygus trikampio ABD kampui ABD. Štai kodėl

Padalinę gautas lygtis iš termino, gauname:

kur n yra pastovi vertė, nepriklausoma nuo kritimo kampo.

Iš konstrukcijos (žr. pav.) aišku, kad krintantis spindulys, lūžęs spindulys ir kritimo taške atkurtas statmuo yra toje pačioje plokštumoje.Šis teiginys kartu su lygtimi, pagal kurią kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis yra pastovi dviejų terpių vertė, atstovauja šviesos lūžio dėsnis.

Lūžio dėsnio pagrįstumą galite patikrinti eksperimentiniu būdu, išmatuodami kritimo ir lūžio kampus ir apskaičiuodami jų sinusų santykį skirtingais kritimo kampais. Šis požiūris išlieka nepakitęs.

Lūžio rodiklis.
Pastovioji vertė, įtraukta į šviesos lūžio dėsnį, vadinama santykinis lūžio rodiklis arba antrosios terpės lūžio rodiklis, palyginti su pirmąja.

Huygenso principas reiškia ne tik lūžio dėsnį. Naudojant šį principą, atskleidžiama fizikinė lūžio rodiklio reikšmė. Jis lygus šviesos greičių terpėje santykiui, tarp kurių įvyksta refrakcija:

Jei lūžio kampas β yra mažesnis už kritimo kampą α, tai pagal (*) šviesos greitis antroje terpėje yra mažesnis nei pirmojoje.

Vidutinės lūžio rodiklis vakuumo atžvilgiu vadinamas šios terpės absoliutus lūžio rodiklis. Jis lygus kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykiui, kai šviesos spindulys pereina iš vakuumo į tam tikrą terpę.

Naudojant formulę (**), santykinį lūžio rodiklį galime išreikšti per pirmosios ir antrosios terpės absoliučiuosius lūžio rodiklius n 1 ir n 2.

Tiesa, nuo

kur c yra šviesos greitis vakuume, tada

Paprastai vadinama žemesnio absoliutaus lūžio rodiklio terpė optiškai mažiau tanki terpė.

Absoliutus lūžio rodiklis nustatomas pagal šviesos sklidimo greitį tam tikroje terpėje, kuris priklauso nuo terpės fizinės būsenos, tai yra nuo medžiagos temperatūros, tankio ir elastinių įtempių buvimo joje. Lūžio rodiklis priklauso ir nuo pačios šviesos savybių. Paprastai jis yra mažesnis raudonai šviesai nei žaliai šviesai ir mažiau žaliai šviesai nei violetinei šviesai.

Todėl skirtingų medžiagų lūžio rodiklių reikšmių lentelėse paprastai nurodoma, kuriai šviesai duota n vertė ir kokios būsenos yra terpė. Jei tokių požymių nėra, tai reiškia, kad priklausomybę nuo šių veiksnių galima nepaisyti.

Daugeliu atvejų reikia atsižvelgti į šviesos perėjimą per oro-kieto arba oro-skysčio ribą, o ne per vakuumo-terpės ribą. Tačiau kietos arba skystos medžiagos absoliutus lūžio rodiklis n 2 šiek tiek skiriasi nuo tos pačios medžiagos lūžio rodiklio oro atžvilgiu. Taigi absoliutus oro lūžio rodiklis normaliomis geltonos šviesos sąlygomis yra maždaug 1,000292. Vadinasi,

Užduotis pamokai

Atsakymų pavyzdžiai
"Šviesos lūžis"

Procesai, susiję su šviesa, yra svarbi fizikos dalis ir supa mus visur kasdieniame gyvenime. Svarbiausi šioje situacijoje yra šviesos atspindžio ir lūžio dėsniai, kuriais remiasi šiuolaikinė optika. Šviesos lūžimas yra svarbi šiuolaikinio mokslo dalis.

Iškraipymo efektas

Šis straipsnis jums pasakys, kas yra šviesos lūžio reiškinys, taip pat kaip atrodo lūžio dėsnis ir kas iš jo išplaukia.

Fizinio reiškinio pagrindai

Kai spindulys nukrenta ant paviršiaus, kurį skiria dvi skaidrios medžiagos, kurių optinis tankis skiriasi (pavyzdžiui, skirtingi stiklai arba vandenyje), dalis spindulių atsispindės, o dalis prasiskverbs į antrąją struktūrą (pvz., jie dauginsis vandenyje arba stikle). Perkeliant iš vienos terpės į kitą, spindulys paprastai keičia savo kryptį. Tai yra šviesos lūžio reiškinys.
Šviesos atspindys ir lūžimas ypač matomas vandenyje.

Iškraipymo efektas vandenyje

Žiūrint į daiktus vandenyje, jie atrodo iškreipti. Tai ypač pastebima ties oro ir vandens riba. Vizualiai atrodo, kad povandeniniai objektai yra šiek tiek nukreipti. Aprašytas fizinis reiškinys kaip tik ir yra priežastis, kodėl visi objektai vandenyje atrodo iškreipti. Kai spinduliai atsitrenkia į stiklą, šis efektas yra mažiau pastebimas.
Šviesos lūžimas – fizinis reiškinys, kuriam būdingas saulės spindulio judėjimo krypties pasikeitimas tuo momentu, kai jis juda iš vienos terpės (struktūros) į kitą.
Kad geriau suprastume šį procesą, apsvarstykite pavyzdį, kai spindulys atsitrenkia į vandenį iš oro (panašiai ir stiklui). Nubrėžus statmeną liniją išilgai sąsajos, galima išmatuoti šviesos pluošto lūžio ir grįžimo kampą. Šis rodiklis (lūžio kampas) pasikeis, kai srautas prasiskverbia į vandenį (stiklo viduje).
Atkreipkite dėmesį! Šis parametras suprantamas kaip kampas, kurį sudaro statmenas, nubrėžtas dviejų medžiagų atskyrimui, kai sija prasiskverbia iš pirmosios konstrukcijos į antrąją.

Sijos praėjimas

Tas pats rodiklis būdingas ir kitoms aplinkoms. Nustatyta, kad šis rodiklis priklauso nuo medžiagos tankio. Jei spindulys nukrenta iš mažiau tankios į tankesnę, tada sukuriamas iškraipymo kampas bus didesnis. O jei yra atvirkščiai, tai mažiau.
Tuo pačiu metu nuosmukio nuolydžio pasikeitimas turės įtakos ir šiam rodikliui. Tačiau santykiai tarp jų nelieka pastovūs. Tuo pačiu metu jų sinusų santykis išliks pastovi vertė, kurią atspindi ši formulė: sinα / sinγ = n, kur:

• n yra pastovi vertė, kuri aprašoma kiekvienai konkrečiai medžiagai (orui, stiklui, vandeniui ir kt.). Todėl, kokia bus ši vertė, galima nustatyti naudojant specialias lenteles;
• α – kritimo kampas;
• γ – lūžio kampas.

Šiam fizikiniam reiškiniui nustatyti buvo sukurtas lūžio dėsnis.

Fizinis įstatymas

Šviesos srautų lūžio dėsnis leidžia nustatyti skaidrių medžiagų savybes. Pats įstatymas susideda iš dviejų nuostatų:

• pirma dalis. Spindulys (kritimas, modifikuotas) ir statmenas, atkurtas kritimo taške ant ribos, pavyzdžiui, oro ir vandens (stiklo ir kt.), bus toje pačioje plokštumoje;
• antroji dalis. Kritimo kampo sinuso ir to paties kampo sinuso, susidariusio kertant ribą, santykis bus pastovi reikšmė.

Įstatymo aprašymas

Šiuo atveju tuo metu, kai spindulys išeina iš antrosios konstrukcijos į pirmąją (pavyzdžiui, kai šviesos srautas pereina iš oro, per stiklą ir atgal į orą), taip pat atsiras iškraipymo efektas.

Svarbus parametras skirtingiems objektams

Pagrindinis rodiklis šioje situacijoje yra kritimo kampo sinuso santykis su panašiu parametru, bet iškraipymui. Kaip matyti iš aukščiau aprašyto įstatymo, šis rodiklis yra pastovi vertė.
Be to, pasikeitus nuosmukio nuolydžio vertei, tokia pati situacija bus būdinga panašiam rodikliui. Šis parametras yra labai svarbus, nes jis yra neatsiejama skaidrių medžiagų savybė.

Indikatoriai skirtingiems objektams

Dėl šio parametro galite gana efektyviai atskirti stiklo tipus, taip pat įvairius brangakmenius. Tai taip pat svarbu nustatant šviesos greitį įvairiose aplinkose.

Atkreipkite dėmesį! Didžiausias šviesos srauto greitis yra vakuume.

Pereinant nuo vienos medžiagos prie kitos, jos greitis sumažės. Pavyzdžiui, deimante, kurio lūžio rodiklis didžiausias, fotonų sklidimo greitis bus 2,42 karto didesnis nei oro. Vandenyje jie plis 1,33 karto lėčiau. Skirtingų tipų stiklams šis parametras svyruoja nuo 1,4 iki 2,2.

Atkreipkite dėmesį! Kai kurių akinių lūžio rodiklis yra 2,2, o tai labai artima deimantui (2,4). Todėl ne visada galima atskirti stiklo gabalėlį nuo tikro deimanto.

Optinis medžiagų tankis

Šviesa gali prasiskverbti per įvairias medžiagas, kurios pasižymi skirtingu optiniu tankiu. Kaip minėjome anksčiau, naudodami šį dėsnį galite nustatyti terpės (struktūros) būdingą tankį. Kuo jis tankesnis, tuo lėčiau juo sklis šviesa. Pavyzdžiui, stiklas ar vanduo bus optiškai tankesnis nei oras.
Be to, kad šis parametras yra pastovi reikšmė, jis taip pat atspindi dviejų medžiagų šviesos greičio santykį. Fizinė reikšmė gali būti parodyta kaip ši formulė:

Šis indikatorius parodo, kaip keičiasi fotonų sklidimo greitis judant iš vienos medžiagos į kitą.

Kitas svarbus rodiklis

Kai šviesos srautas juda per skaidrius objektus, galima jo poliarizacija. Jis stebimas šviesos srautui praeinant iš dielektrinės izotropinės terpės. Poliarizacija atsiranda, kai fotonai praeina per stiklą.

Poliarizacijos efektas

Dalinė poliarizacija stebima, kai šviesos srauto kritimo kampas ties dviejų dielektrikų riba skiriasi nuo nulio.

Poliarizacijos laipsnis priklauso nuo to, kokie buvo kritimo kampai (Brewsterio dėsnis).

Pilnas vidinis atspindys

Baigiant mūsų trumpą ekskursiją, tokį efektą vis tiek reikia vertinti kaip visišką vidinį atspindį.

Viso ekrano reiškinys Kad šis efektas atsirastų, būtina padidinti šviesos srauto kritimo kampą, kai jis pereina iš tankesnės į mažiau tankią terpės sąsajoje tarp medžiagų. Esant situacijai, kai šis parametras viršija tam tikrą ribinę vertę, fotonai, patenkantys ant šios atkarpos ribos, bus visiškai atspindėti. Tiesą sakant, tai bus mūsų trokštamas reiškinys.

Be jo buvo neįmanoma pagaminti šviesolaidžio.

Praktinis šviesos srauto elgsenos pritaikymas davė daug, sukuriant įvairius techninius prietaisus, pagerinančius mūsų gyvenimą. Tuo pačiu metu šviesa žmonijai dar neatskleidė visų savo galimybių, o praktinis jos potencialas dar nėra iki galo išnaudotas.

Kaip savo rankomis pasidaryti popierinę lempą
Kaip patikrinti LED juostos veikimą