ماذا تسمى زاوية الانكسار؟ قانون انكسار الضوء: الصياغة والتطبيق العملي

وتفهم ظاهرة انكسار الموجة الضوئية على أنها تغير في اتجاه انتشار مقدمة هذه الموجة عند انتقالها من وسط شفاف إلى آخر. تستخدم العديد من الأجهزة البصرية والعين البشرية هذه الظاهرة لأداء وظائفها. يناقش المقال قوانين انكسار الضوء واستخدامها في الأجهزة البصرية.

عمليات انعكاس وانكسار الضوء

وعند النظر في مسألة قوانين انكسار الضوء، ينبغي أيضًا الإشارة إلى ظاهرة الانعكاس، لأنها ترتبط ارتباطًا وثيقًا بهذه الظاهرة. عندما ينتقل الضوء من وسط شفاف إلى آخر، فإنه عند السطح البيني بين هذه الوسائط تحدث عمليتان في وقت واحد:

1. ينعكس جزء من شعاع الضوء مرة أخرى إلى الوسط الأول بزاوية تساوي زاوية سقوط الشعاع الأولي على الواجهة.
2. يدخل الجزء الثاني من الحزمة إلى الوسط الثاني ويستمر في الانتشار فيه.

يشير ما سبق إلى أن شدة شعاع الضوء الأولي ستكون دائمًا أكبر من شدة الضوء المنعكس والمنكسر بشكل منفصل. تعتمد كيفية توزيع هذه الكثافة بين الحزم على خصائص الوسائط وعلى زاوية سقوط الضوء عند السطح البيني بينها.

ما هو جوهر عملية انكسار الضوء؟

يستمر جزء من شعاع الضوء الذي يسقط على السطح بين وسطين شفافين في الانتشار في الوسط الثاني، لكن اتجاه انتشاره سيختلف بالفعل عن الاتجاه الأصلي في الوسط الأول بزاوية معينة. هذه هي ظاهرة انكسار الضوء. والسبب المادي لهذه الظاهرة هو الاختلاف في سرعة انتشار موجة الضوء في الوسائط المختلفة.

تذكر أن سرعة انتشار الضوء القصوى في الفراغ تساوي 299,792,458 م/ث. في أي مادة، تكون هذه السرعة دائمًا أقل، وكلما زادت كثافة الوسط، كان انتشار الموجة الكهرومغناطيسية أبطأ فيه. على سبيل المثال، تبلغ سرعة الضوء في الهواء 299,705,543 م/ث، وفي الماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية تبلغ بالفعل 224,844,349 م/ث، وفي الألماس تنخفض السرعة بأكثر من مرتين مقارنة بالسرعة في الفراغ، وتبلغ 124,034,943 م. /مع.

يوفر هذا المبدأ طريقة هندسية للعثور على واجهة الموجة في أي وقت. يفترض مبدأ هيجنز أن كل نقطة تصل إليها مقدمة الموجة هي مصدر للموجات الثانوية الكهرومغناطيسية. يسافرون في جميع الاتجاهات بنفس السرعة والتردد. يتم تعريف جبهة الموجة الناتجة على أنها مجموع مقدمات جميع الموجات الثانوية. بمعنى آخر، الجبهة هي سطح يلامس مجالات جميع الموجات الثانوية.

يظهر في الشكل أدناه توضيح لاستخدام هذا المبدأ الهندسي لتحديد واجهة الموجة. كما يتبين من هذا الرسم البياني، فإن جميع أنصاف أقطار مجالات الموجات الثانوية (الموضحة بالأسهم) هي نفسها، لأن مقدمة الموجة تنتشر في وسط متجانس من وجهة نظر بصرية.

تطبيق مبدأ هيجنز على عملية انكسار الضوء

لفهم قانون انكسار الضوء في الفيزياء، يمكنك استخدام مبدأ هويجنز. لنتأمل تدفقًا ضوئيًا معينًا يسقط على السطح البيني بين وسطين، وتكون سرعة حركة الموجة الكهرومغناطيسية في الوسط الأول أكبر من سرعتها في الوسط الثاني.

بمجرد وصول جزء من المقدمة (على اليسار في الشكل أدناه) إلى واجهة الوسائط، تبدأ الموجات الكروية الثانوية في الإثارة عند كل نقطة من الواجهة، والتي ستنتشر بالفعل في الوسط الثاني. وبما أن سرعة الضوء في الوسط الثاني أقل من هذه القيمة بالنسبة للوسط الأول، فإن الجزء الأمامي الذي لم يصل بعد إلى السطح البيني بين الوسائط (على اليمين في الشكل) سيستمر في الانتشار بسرعة أعلى من الجزء الأمامي (يسار) الذي دخل بالفعل إلى الوسط الثاني . من خلال رسم دوائر من الموجات الثانوية لكل نقطة نصف قطرها المقابل يساوي v*t، حيث t هو وقت محدد لانتشار الموجة الثانوية، وv هي سرعة انتشارها في الوسط الثاني، ثم رسم مماس منحنى لجميع أسطح الموجات الثانوية، يمكن الحصول على الانتشار الأمامي للضوء في الوسط الثاني.

وكما يتبين من الشكل، فإن هذه الجبهة سوف تنحرف بزاوية معينة عن الاتجاه الأصلي لانتشارها.

لاحظ أنه إذا كانت سرعات الموجات متساوية في كلا الوسطين، أو إذا سقط الضوء بشكل عمودي على السطح البيني، فلا يمكن الحديث عن عملية الانكسار.

قوانين انكسار الضوء

تم الحصول على هذه القوانين تجريبيا. ليكن 1 و 2 وسطين شفافين، سرعات انتشار الموجات الكهرومغناطيسية فيها تساوي v 1 و v 2 على التوالي. دع شعاع الضوء يسقط من الوسط 1 على الواجهة بزاوية θ 1 إلى العمودي، وفي الوسط الثاني يستمر في الانتشار بزاوية θ 2 إلى العمودي على الواجهة. ومن ثم تكون صياغة قوانين انكسار الضوء على النحو التالي:

1. في نفس المستوى سيكون هناك شعاعان (حادث ومنكسر) واستعادة طبيعية للواجهة بين الوسائط 1 و 2.
2. ستكون نسبة سرعات انتشار الحزمة في الوسائط 1 و 2 متناسبة طرديًا مع نسبة جيب زوايا السقوط والانكسار، أي sin(θ 1)/sin(θ 2) = v 1 /v 2.

القانون الثاني يسمى قانون سنيل. إذا أخذنا في الاعتبار أن معامل أو معامل الانكسار للوسط الشفاف يعرف بأنه نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى هذه السرعة في الوسط، فيمكن إعادة كتابة صيغة قانون انكسار الضوء على النحو التالي: (θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1، حيث n 1 و n 2 هما مؤشرا الانكسار للوسائط 1 و2، على التوالي.

وبالتالي، فإن الصيغة الرياضية للقانون تشير إلى أن منتج جيب الزاوية ومعامل الانكسار لوسط معين هو قيمة ثابتة. علاوة على ذلك، مع الأخذ في الاعتبار الخصائص المثلثية للجيب، يمكننا القول أنه إذا كان v 1 > v 2، فإن الضوء سيقترب من الوضع الطبيعي عند المرور عبر الواجهة، والعكس صحيح.

تاريخ موجز لاكتشاف القانون

من هو مكتشف قانون انكسار الضوء؟ في الواقع، تم صياغتها لأول مرة من قبل المنجم والفيلسوف في العصور الوسطى ابن سهل في القرن العاشر. الاكتشاف الثاني للقانون حدث في القرن السابع عشر، وقد تم ذلك على يد عالم الفلك والرياضيات الهولندي سنيل فان روين، لذلك في جميع أنحاء العالم يحمل قانون الانكسار الثاني اسمه.

ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أنه بعد ذلك بقليل اكتشف الفرنسي رينيه ديكارت هذا القانون أيضًا، ولهذا السبب يحمل اسمه في البلدان الناطقة بالفرنسية.

مهمة عينة

تعتمد جميع المسائل المتعلقة بقانون انكسار الضوء على الصيغة الرياضية لقانون سنيل. ولنعطي مثالا على مثل هذه المشكلة: من الضروري إيجاد زاوية انتشار الجبهة الضوئية أثناء انتقالها من الماس إلى الماء، على أن تصطدم هذه الجبهة بالواجهة بزاوية 30 درجة إلى الوضع الطبيعي.

لحل هذه المشكلة، من الضروري معرفة مؤشرات الانكسار للوسائط قيد النظر، أو سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية فيها. وبالرجوع إلى البيانات المرجعية، يمكننا أن نكتب: n 1 = 2.417 و n 2 = 1.333، حيث يشير الرقمان 1 و 2 إلى الماس والماء، على التوالي.

باستبدال القيم التي تم الحصول عليها في الصيغة، نحصل على: sin(30 o)/sin(θ 2) = 1.333/2.417 أو sin(θ 2) = 0.39 و θ 2 = 65.04 o، أي أن الشعاع سيتحرك بعيداً عن الوضع الطبيعي بشكل ملحوظ.

ومن المثير للاهتمام ملاحظة أنه إذا كانت زاوية السقوط أكبر من 33.5 درجة، فوفقًا لصيغة قانون انكسار الضوء، لن يكون هناك شعاع منكسر، وستنعكس جبهة الضوء بأكملها مرة أخرى داخل الماسة واسطة. ويعرف هذا التأثير في الفيزياء بالانعكاس الداخلي الكلي.

أين ينطبق قانون الانكسار؟

يتنوع التطبيق العملي لقانون انكسار الضوء. ويمكن القول دون مبالغة أن معظم الأجهزة البصرية تعمل وفق هذا القانون. يُستخدم انكسار الضوء في العدسات البصرية في أدوات مثل المجاهر والتلسكوبات والمناظير. وبدون وجود التأثير الانكساري يستحيل على الإنسان أن يرى العالم من حوله، لأن الجسم الزجاجي وعدسة العين هما عدسات بيولوجية تؤدي وظيفة تركيز تدفق الضوء إلى نقطة ما على المنطقة الحساسة. شبكية العين. وبالإضافة إلى ذلك، فإن قانون الانعكاس الداخلي الكلي يجد تطبيقه في الألياف الضوئية.

• زاوية السقوطα هي الزاوية بين شعاع الضوء الساقط والعمودي على السطح البيني بين الوسيطين، والتي يتم استعادتها عند نقطة السقوط (الشكل 1).

• زاوية الانعكاسβ هي الزاوية بين شعاع الضوء المنعكس والعمودي على السطح العاكس، والتي يتم استعادتها عند نقطة السقوط (انظر الشكل 1).

• زاوية الانكسارγ هي الزاوية بين شعاع الضوء المنكسر والعمودي على السطح البيني بين الوسيطين، والتي يتم استعادتها عند نقطة السقوط (انظر الشكل 1).

• تحت الشعاعفهم الخط الذي تنتقل عبره طاقة الموجة الكهرومغناطيسية. دعونا نتفق على تصوير الأشعة الضوئية بيانياً باستخدام الأشعة الهندسية مع الأسهم. في البصريات الهندسية، لا تؤخذ الطبيعة الموجية للضوء بعين الاعتبار (انظر الشكل 1).

• تسمى الأشعة المنبعثة من نقطة واحدة متشعب، والذين يتجمعون في نقطة واحدة - متقاربة. مثال على الأشعة المتباينة هو الضوء المرصود من النجوم البعيدة، ومثال على الأشعة المتقاربة هو مزيج من الأشعة التي تدخل إلى حدقة أعيننا من أجسام مختلفة.

عند دراسة خصائص الأشعة الضوئية، تم وضع أربعة قوانين أساسية للبصريات الهندسية بشكل تجريبي:

• قانون الانتشار المستقيم للضوء.
• قانون استقلال الأشعة الضوئية.
• قانون انعكاس أشعة الضوء.
• قانون انكسار أشعة الضوء.

انكسار الضوء

أظهرت القياسات أن سرعة الضوء في المادة υ تكون دائمًا أقل من سرعة الضوء في الفراغ ج.

• نسبة سرعة الضوء في الفراغ جلسرعته في بيئة معينة υ يسمى معامل الانكسار المطلق:

\(n=\frac(c)(\upsilon).\)

الجملة " معامل الانكسار المطلق للوسط"غالبا ما يتم استبداله ب" معامل الانكسار للوسط».

خذ بعين الاعتبار سقوط شعاع على واجهة مسطحة بين وسطين شفافين لهما معاملات انكسار ن 1 و ن 2 بزاوية معينة α (الشكل 2).

• يسمى التغيير في اتجاه انتشار شعاع الضوء عند المرور عبر الواجهة بين وسطين انكسار الضوء.

قوانين الانكسار:

• نسبة جيب زاوية السقوط α إلى جيب زاوية الانكسار γ هي قيمة ثابتة لاثنين من الوسائط المعطاة

\(\frac(sin \alpha )(sin \gamma )=\frac(n_2)(n_1).\)

• تقع الأشعة الساقطة والمنكسرة في نفس المستوى مع رسم عمودي عند نقطة سقوط الشعاع على مستوى السطح البيني بين الوسيطين.

للانكسار يتم تنفيذه مبدأ انعكاس أشعة الضوء:

• شعاع من الضوء ينتشر على طول مسار الشعاع المنكسر، وينكسر عند نقطة ما ياعند السطح البيني بين الوسائط، ينتشر بشكل أكبر على طول مسار الشعاع الساقط.

ويترتب على قانون الانكسار أنه إذا كان الوسط الثاني أكثر كثافة بصريا خلال الوسط الأول،

• أولئك. ن 2 > ن 1، ثم α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha )(sin \gamma ) > 1 \right)\) (الشكل 1). 3، أ)؛
• لو ن 2 < ن 1، ثم ألفا< γ (рис. 3, б).

تم العثور على أول ذكر لانكسار الضوء في الماء والزجاج في عمل كلوديوس بطليموس "البصريات"، المنشور في القرن الثاني الميلادي. تم إنشاء قانون انكسار الضوء بشكل تجريبي في عام 1620 من قبل العالم الهولندي ويليبرود سنيليوس. لاحظ أنه، بشكل مستقل عن سنيل، تم اكتشاف قانون الانكسار أيضًا بواسطة رينيه ديكارت.

يسمح لنا قانون انكسار الضوء بحساب مسار الأشعة في الأنظمة البصرية المختلفة.

عند السطح البيني بين وسطين شفافين، يُلاحظ عادةً انعكاس الموجة في وقت واحد مع الانكسار. وفقا لقانون حفظ الطاقة، فإن مجموع الطاقات المنعكسة دبليوس والمنكسر دبليو np للموجات يساوي طاقة الموجة الساقطة دبليون:

ث ن = ث نب + ث س.

الانعكاس الكلي

كما ذكرنا سابقًا، عندما ينتقل الضوء من وسط أكثر كثافة بصريًا إلى وسط أقل كثافة بصريًا ( ن 1 > ن(الشكل 2)، تصبح زاوية الانكسار γ أكبر من زاوية السقوط α (انظر الشكل 3، ب).

مع زيادة زاوية السقوط α (الشكل 4)، عند قيمة معينة α 3، ستصبح زاوية الانكسار γ = 90°، أي لن يدخل الضوء إلى الوسط الثاني. عند زوايا أكبر من α 3 سوف ينعكس الضوء فقط. طاقة الأمواج المنكسرة Wnpوفي هذه الحالة تصبح صفراً، وتكون طاقة الموجة المنعكسة مساوية لطاقة الموجة الساقطة واحداً: ث ن = ث س. وبالتالي، بدءًا من زاوية السقوط هذه α 3 (يشار إليها فيما بعد بـ α 0)، تنعكس كل الطاقة الضوئية من السطح البيني بين هذه الوسائط.

وتسمى هذه الظاهرة الانعكاس الكلي (انظر الشكل 4).

• تسمى الزاوية α 0 التي يبدأ عندها الانعكاس الكلي الحد من زاوية الانعكاس الكلي.

يتم تحديد قيمة الزاوية α 0 من قانون الانكسار، بشرط أن تكون زاوية الانكسار γ = 90°:

\(\sin \alpha_(0) = \frac(n_(2))(n_(1)) \;\;\; \left(n_(2)< n_{1} \right).\)

الأدب

زيلكو، ف.ف. الفيزياء: كتاب مدرسي. دليل التعليم العام للصف الحادي عشر. مدرسة من الروسية لغة تدريب / في.جيلكو، إل.جي. - مينسك: نار. أسفيتا، 2009. - ص 91-96.

 4.1. المفاهيم والقوانين الأساسية للبصريات الهندسية

 قوانين انكسار الضوء. معامل الانكسار.
 قانون الانكسار الأول:
يقع الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمودي المعاد بناؤه عند نقطة السقوط على السطح البيني في نفس المستوى (انظر الشكل 9).


 قانون الانكسار الثاني:
نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار هي قيمة ثابتة لوسيطين محددين وتسمى معامل الانكسار النسبي للوسط الثاني بالنسبة إلى الأول.

  يوضح معامل الانكسار النسبي عدد المرات التي تختلف فيها سرعة الضوء في الوسط الأول عن سرعة الضوء في الوسط الثاني:

 الانعكاس الكلي.
إذا مر الضوء من وسط أكثر كثافة بصريًا إلى وسط أقل كثافة بصريًا، فإذا تم استيفاء الشرط α > α 0، حيث α 0 هي الزاوية الحدية للانعكاس الكلي، فلن يدخل الضوء إلى الوسط الثاني على الإطلاق. سوف ينعكس بالكامل من الواجهة ويبقى في الوسيط الأول. وفي هذه الحالة فإن قانون انعكاس الضوء يعطي العلاقة التالية:

 4.2. المفاهيم والقوانين الأساسية للبصريات الموجية

ظاهرة انكسار الضوء.

إذا سقط شعاع ضوئي على سطح يفصل بين وسطين شفافين لهما كثافات بصرية مختلفة، كالهواء والماء مثلاً، فإن جزءاً من الضوء ينعكس عن هذا السطح، ويخترق الجزء الآخر الوسط الثاني. عند المرور من وسط إلى آخر، يتغير اتجاه شعاع الضوء عند حدود هذه الوسائط. وتسمى هذه الظاهرة انكسار الضوء.

دعونا نلقي نظرة فاحصة على انكسار الضوء. يوضح الشكل ن: الشعاع الساقط هيئة الأوراق المالية،شعاع منكسر أوبوعمودي قرص مضغوط,تعافى من نقطة التأثير عنإلى السطح الذي يفصل بين بيئتين مختلفتين. ركن شركة نفط الجنوب- زاوية السقوط، الزاوية تاريخ الميلاد- زاوية الانكسار. زاوية الانكسار تاريخ الميلادأقل من زاوية السقوط شركة نفط الجنوب.

شعاع من الضوء فيالانتقال من الهواء إلى الماء يغير اتجاهه، ويقترب من العمودي قرص مضغوط.الماء وسط أكثر كثافة بصريا من الهواء. إذا تم استبدال الماء بوسط شفاف آخر، أكثر كثافة بصريًا من الهواء، فإن الشعاع المنكسر سيقترب أيضًا من العمودي. ولذلك يمكننا القول: إذا كان الضوء يأتي من وسط أقل كثافة بصريا إلى وسط أكثر كثافة، فإن زاوية الانكسار تكون دائما أقل من زاوية السقوط.

تظهر التجارب أنه عند نفس زاوية السقوط، تكون زاوية الانكسار أصغر، وكلما زادت كثافة الوسط الذي تخترقه الحزمة.
إذا وُضعت مرآة على مسار الشعاع المنكسر عموديًا على الشعاع، فإن الضوء سينعكس من المرآة ويخرج من الماء إلى الهواء في اتجاه الشعاع الساقط. وبالتالي، فإن الأشعة الساقطة والمنكسرة قابلة للعكس بنفس الطريقة التي يمكن بها عكس الأشعة الساقطة والمنعكسة.
إذا كان الضوء يأتي من وسط أكثر كثافة بصريا إلى وسط أقل كثافة، فإن زاوية انكسار الشعاع أكبر من زاوية السقوط.

دعونا نقوم بتجربة صغيرة في المنزل. م في المنزل تجربة صغيرة. أكون إذا وضعت قلم رصاص في كوب من الماء، فسوف يبدو مكسوراً. هولا يمكن تفسير ذلك إلا من خلال حقيقة أن أشعة الضوء القادمة من قلم الرصاص لها اتجاه مختلف في الماء عنها في الهواء، أي أن انكسار الضوء يحدث عند حدود الهواء والماء. عندما ينتقل الضوء من وسط إلى آخر، ينعكس جزء من الضوء الساقط عليه على السطح البيني. يخترق باقي الضوء البيئة الجديدة. إذا سقط الضوء بزاوية غير مستقيمة على الواجهة، فإن شعاع الضوء يغير اتجاهه من الواجهة.
وهذا ما يسمى بظاهرة انكسار الضوء. يتم ملاحظة ظاهرة انكسار الضوء عند حدود وسطين شفافين ويتم تفسيرها باختلاف سرعة انتشار الضوء في الوسائط المختلفة. وفي الفراغ تبلغ سرعة الضوء حوالي 300000 كم/ث،في كل الآخرين

مع إيده هو أصغر.

الصورة أدناه توضح شعاع يتحرك من الهواء إلى الماء. تسمى الزاوية زاوية سقوط الشعاع،أ - زاوية الانكسار.لاحظ أنه في الماء يقترب الشعاع من المعدل الطبيعي. يحدث هذا عندما يضرب الشعاع وسطًا تكون فيه سرعة الضوء أبطأ. إذا انتقل الضوء من وسط إلى آخر، حيث تكون سرعة الضوء أكبر، فإنه ينحرف عن الوضع الطبيعي.

الانكسار هو المسؤول عن عدد من الأوهام البصرية المعروفة. على سبيل المثال، بالنسبة لمراقب على الشاطئ، يبدو أن الشخص الذي دخل المياه حتى الخصر لديه أرجل أقصر.

قوانين انكسار الضوء.

ومن كل ما قيل نستنتج:
1 . عند السطح البيني بين وسطين لهما كثافات بصرية مختلفة، يغير شعاع الضوء اتجاهه عند مروره من وسط إلى آخر.
2. عندما يمر شعاع الضوء إلى وسط أكبر منهزاوية انكسار الكثافة البصريةزاوية سقوط أقل؛ عندما يمر شعاع من الضوءمن وسط أكثر كثافة بصريا إلى وسط أقل كثافةزاوية انكسار كثيفة أكبر من زاوية السقوطنيا.
ويصاحب انكسار الضوء انعكاس، ومع زيادة زاوية السقوط يزداد سطوع الشعاع المنعكس، ويضعف الشعاع المنكسر. ويمكن ملاحظة ذلك من خلال التجربة يظهر في الشكل. معولذلك، فإن الشعاع المنعكس يحمل المزيد من الطاقة الضوئية، كلما زادت زاوية السقوط.

يترك مينيسوتا- السطح البيني بين وسطين شفافين، مثل الهواء والماء، هيئة الأوراق المالية- الشعاع الساقط، أوب- الشعاع المنكسر، - زاوية السقوط، - زاوية الانكسار، - سرعة انتشار الضوء في الوسط الأول، - سرعة انتشار الضوء في الوسط الثاني.

يبدو قانون الانكسار الأول كما يلي: نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار هي قيمة ثابتة لهاتين الوسيطتين:

، أين هو معامل الانكسار النسبي (معامل الانكسار للوسط الثاني بالنسبة إلى الأول).

القانون الثاني لانكسار الضوء يشبه إلى حد كبير القانون الثاني لانعكاس الضوء:

الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والمتعامد المرسوم على نقطة سقوط الشعاع يقعون في نفس المستوى.

معامل الانكسار المطلق.

سرعة الضوء في الهواء تساوي تقريبًا سرعة الضوء في الفراغ: مع م / ث.

إذا دخل الضوء من الفراغ إلى وسط ما

حيث n هو معامل الانكسار المطلقمن هذه البيئة. يرتبط معامل الانكسار النسبي لوسائطين بمؤشرات الانكسار المطلقة لهذه الوسائط، حيث تكون، على التوالي، مؤشرات الانكسار المطلق للوسائط الأولى والثانية.

معاملات الانكسار المطلقة للضوء:

مادة

الماس 2.42. الكوارتز 1.54. الهواء (في الظروف العادية) 1.00029. الكحول الإيثيلي 1.36. الماء 1.33. الجليد 1.31. زيت التربنتين 1.47. الكوارتز المنصهر 1.46. كرونة تشيكية 1.52. الصوان الخفيف 1.58. كلوريد الصوديوم (الملح) 1.53.

(كما سنرى لاحقاً معامل الانكسار ن يختلف إلى حد ما اعتمادًا على الطول الموجي للضوء - فهو يحتفظ بقيمة ثابتة فقط في الفراغ. ولذلك، فإن البيانات الواردة في الجدول تتوافق مع الضوء الأصفر الذي يبلغ طوله الموجي .)

على سبيل المثال، بالنسبة للماس، ينتقل الضوء داخل الماس بسرعة

الكثافة البصرية للوسط.

إذا كان معامل الانكسار المطلق للوسط الأول أقل من معامل الانكسار المطلق للوسط الثاني، فإن الوسط الأول له كثافة بصرية أقل من الثانية و> . لا ينبغي الخلط بين الكثافة البصرية للوسط وكثافة المادة.

مرور الضوء من خلال لوحة متوازية المستوى ومنشور.

إن مرور الضوء عبر الأجسام الشفافة ذات الأشكال المختلفة له أهمية عملية كبيرة. دعونا نفكر في أبسط الحالات.
دعونا نوجه شعاعًا من الضوء عبر صفيحة سميكة متوازية المستوى (صفيحة تحدها حواف متوازية). عند المرور عبر اللوحة، ينكسر شعاع الضوء مرتين: مرة عند دخول اللوحة، والمرة الثانية عند الخروج من اللوحة في الهواء.

يظل شعاع الضوء الذي يمر عبر اللوحة موازيًا لاتجاهه الأصلي ولا يتحرك إلا قليلاً. ويكون هذا الإزاحة أكبر كلما زادت سماكة اللوحة وكلما زادت زاوية السقوط. يعتمد مقدار الإزاحة أيضًا على المادة التي صنعت منها اللوحة.
مثال على لوحة متوازية المستوى هو زجاج النافذة. لكن عند رؤية الأشياء من خلال الزجاج، لا نلاحظ تغيرات في موقعها وشكلها لأن الزجاج رقيق؛ أشعة الضوء تمر يتحرك زجاج النافذة قليلاً.
إذا نظرت إلى كائن ما من خلال منشور، فسيظهر الكائن مزاحًا. يسقط شعاع ضوئي صادر من جسم ما على منشور عند نقطة ما أ،ينكسر ويدخل داخل المنشور في الاتجاه AB بعد أن وصل إلى الوجه الثاني للمنشور. ينكسر شعاع الضوء مرة أخرى، وينحرف نحو قاعدة المنشور. ولذلك، يبدو أن الشعاع يأتي من نقطة ما. تقعبناءً على استمرارية الشعاع BC، أي أن الجسم يبدو وكأنه ينزاح إلى قمة الزاوية التي تشكلها الوجوه الانكسارية للمنشور.

انعكاس كامل للضوء.

والمنظر الجميل هو النافورة التي تضاء نفاثاتها المنبعثة من الداخل. (ويمكن تصوير ذلك في ظل الظروف العادية عن طريق إجراء التجربة التالية رقم 1). دعونا نشرح هذه الظاهرة أدناه قليلا.

عندما ينتقل الضوء من وسط أكثر كثافة بصريا إلى وسط أقل كثافة بصريا، نلاحظ ظاهرة الانعكاس الكلي للضوء. زاوية الانكسار في هذه الحالة أكبر مقارنة بزاوية السقوط (الشكل 141). كلما زادت زاوية سقوط الأشعة الضوئية من المصدر سإلى الواجهة بين اثنين من الوسائط مينيسوتاستأتي لحظة ينكسر فيها الشعاع سوف تذهب على طول الواجهة بين اثنين من الوسائط، وهذا هو = 90 درجة.

وتسمى زاوية السقوط المقابلة لزاوية الانكسار = 90 درجة بالزاوية الحدية للانعكاس الكلي.

فإذا تم تجاوز هذه الزاوية فإن الأشعة لن تترك الوسط الأول إطلاقاً، بل ستلاحظ فقط ظاهرة انعكاس الضوء من السطح البيني بين الوسطين.

من قانون الانكسار الأول:

منذ ذلك الحين.

إذا كان الوسط الثاني هو الهواء (الفراغ)، فأين ن - معامل الانكسار المطلق للوسط الذي تأتي منه الأشعة.

إن تفسير الظاهرة التي لوحظت في تجربتك بسيط للغاية. يمر شعاع الضوء على طول تيار من الماء ويضرب سطحًا منحنيًا بزاوية أكبر من الزاوية الحدية، فيختبر انعكاسًا داخليًا كليًا، ثم يضرب مرة أخرى الجانب الآخر من التيار بزاوية أكبر من الزاوية الحدية مرة أخرى. لذلك يمر الشعاع على طول الطائرة، والانحناء معها.

أما لو انعكس الضوء بالكامل داخل النفث، فلن يكون مرئيًا من الخارج. ويتناثر جزء من الضوء بفعل الماء وفقاعات الهواء والشوائب المختلفة الموجودة فيه، وكذلك بسبب عدم استواء سطح النفاث فيكون مرئيا من الخارج.

تعد العمليات المرتبطة بالضوء عنصرًا مهمًا في الفيزياء وتحيط بنا في كل مكان في حياتنا اليومية. والأهم في هذه الحالة هو قوانين انعكاس وانكسار الضوء، التي تقوم عليها البصريات الحديثة. يعد انكسار الضوء جزءًا مهمًا من العلم الحديث.

تأثير التشويه

ستخبرك هذه المقالة ما هي ظاهرة انكسار الضوء، وكذلك كيف يبدو قانون الانكسار وما يتبعه.

أساسيات الظاهرة الفيزيائية

عندما يسقط شعاع على سطح يفصل بين مادتين شفافتين لهما كثافات بصرية مختلفة (على سبيل المثال، نظارات مختلفة أو في الماء)، فإن بعض الأشعة سوف تنعكس، وبعضها سوف يخترق البنية الثانية (على سبيل المثال، سوف تنتشر في الماء أو الزجاج). عند الانتقال من وسط إلى آخر، عادةً ما يغير الشعاع اتجاهه. هذه هي ظاهرة انكسار الضوء.
يظهر انعكاس وانكسار الضوء بشكل خاص في الماء.

تأثير التشويه في الماء

عند النظر إلى الأشياء في الماء، تبدو مشوهة. هذا ملحوظ بشكل خاص عند الحدود بين الهواء والماء. بصريًا، تبدو الأجسام الموجودة تحت الماء وكأنها منحرفة قليلاً. إن الظاهرة الفيزيائية الموصوفة هي بالتحديد السبب وراء ظهور جميع الأشياء مشوهة في الماء. عندما تضرب الأشعة الزجاج، يكون هذا التأثير أقل وضوحًا.
انكسار الضوء هو ظاهرة فيزيائية تتميز بتغير اتجاه حركة الشعاع الشمسي لحظة انتقاله من وسط (بنية) إلى آخر.
لتحسين فهمنا لهذه العملية، فكر في مثال لشعاع يضرب الماء من الهواء (وبالمثل بالنسبة للزجاج). ومن خلال رسم خط عمودي على طول الواجهة، يمكن قياس زاوية الانكسار وعودة شعاع الضوء. سيتغير هذا المؤشر (زاوية الانكسار) عندما يخترق التدفق الماء (داخل الزجاج).
ملحوظة! تُفهم هذه المعلمة على أنها الزاوية التي يشكلها خط عمودي مرسوم على فصل مادتين عندما يخترق شعاع من الهيكل الأول إلى الثاني.

ممر الشعاع

نفس المؤشر نموذجي للبيئات الأخرى. وقد ثبت أن هذا المؤشر يعتمد على كثافة المادة. إذا سقط الشعاع من بنية أقل كثافة إلى بنية أكثر كثافة، فإن زاوية التشوه الناتجة ستكون أكبر. وإذا كان العكس فهو أقل.
وفي الوقت نفسه، فإن التغيير في منحدر الانخفاض سيؤثر أيضًا على هذا المؤشر. لكن العلاقة بينهما لا تبقى ثابتة. وفي الوقت نفسه، ستبقى نسبة جيبيها قيمة ثابتة، وهو ما تنعكس بالصيغة التالية: sinα / sinγ = n، حيث:

• n هي قيمة ثابتة موصوفة لكل مادة محددة (الهواء، الزجاج، الماء، إلخ). لذلك، يمكن تحديد هذه القيمة باستخدام جداول خاصة؛
• α – زاوية الإصابة؛
• γ – زاوية الانكسار.

ولتحديد هذه الظاهرة الفيزيائية، تم إنشاء قانون الانكسار.

القانون الفيزيائي

يسمح لنا قانون انكسار تدفقات الضوء بتحديد خصائص المواد الشفافة. ويتكون القانون نفسه من حكمين:

• الجزء الاول. سيتم وضع الشعاع (الحادث، المعدل) والعمودي، الذي تم استعادته عند نقطة السقوط على الحدود، على سبيل المثال، الهواء والماء (الزجاج، وما إلى ذلك)، في نفس المستوى؛
• الجزء الثاني. ستكون نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب نفس الزاوية المتكونة عند عبور الحدود قيمة ثابتة.

وصف القانون

في هذه الحالة، في اللحظة التي يخرج فيها الشعاع من الهيكل الثاني إلى الأول (على سبيل المثال، عندما يمر تدفق الضوء من الهواء، عبر الزجاج ويعود إلى الهواء)، سيحدث أيضًا تأثير تشويه.

معلمة مهمة لكائنات مختلفة

المؤشر الرئيسي في هذه الحالة هو نسبة جيب زاوية السقوط إلى معلمة مماثلة، ولكن للتشويه. على النحو التالي من القانون الموصوف أعلاه، فإن هذا المؤشر هو قيمة ثابتة.
علاوة على ذلك، عندما تتغير قيمة منحدر الانخفاض، سيكون الوضع نفسه نموذجيًا لمؤشر مماثل. هذه المعلمة ذات أهمية كبيرة لأنها خاصية متكاملة للمواد الشفافة.

مؤشرات لكائنات مختلفة

بفضل هذه المعلمة، يمكنك التمييز بفعالية بين أنواع الزجاج، وكذلك الأحجار الكريمة المختلفة. ومن المهم أيضًا تحديد سرعة الضوء في البيئات المختلفة.

ملحوظة! أعلى سرعة لتدفق الضوء تكون في الفراغ.

عند الانتقال من مادة إلى أخرى تقل سرعتها. على سبيل المثال، الماس، الذي يتمتع بأعلى معامل انكسار، سيكون له سرعة انتشار فوتون أعلى بـ 2.42 مرة من سرعة انتشار الهواء. وفي الماء، سوف تنتشر بشكل أبطأ بمقدار 1.33 مرة. بالنسبة لأنواع مختلفة من الزجاج، تتراوح هذه المعلمة من 1.4 إلى 2.2.

ملحوظة! تحتوي بعض النظارات على معامل انكسار يبلغ 2.2، وهو قريب جدًا من الماس (2.4). لذلك، ليس من الممكن دائمًا التمييز بين قطعة الزجاج والماس الحقيقي.

الكثافة البصرية للمواد

يمكن للضوء أن يخترق المواد المختلفة التي تتميز بكثافات بصرية مختلفة. وكما قلنا سابقًا، باستخدام هذا القانون يمكنك تحديد خاصية الكثافة للوسط (البنية). كلما كانت أكثر كثافة، كانت سرعة انتشار الضوء من خلالها أبطأ. على سبيل المثال، سيكون الزجاج أو الماء أكثر كثافة بصريًا من الهواء.
وبالإضافة إلى أن هذه المعلمة قيمة ثابتة، فإنها تعكس أيضًا نسبة سرعة الضوء في مادتين. يمكن عرض المعنى المادي بالصيغة التالية:

يبين هذا المؤشر كيف تتغير سرعة انتشار الفوتونات عند الانتقال من مادة إلى أخرى.

مؤشر مهم آخر

عندما يتحرك تدفق الضوء عبر الأجسام الشفافة، يكون استقطابه ممكنًا. يتم ملاحظته أثناء مرور تدفق الضوء من الوسائط المتناحية العازلة. يحدث الاستقطاب عندما تمر الفوتونات عبر الزجاج.

تأثير الاستقطاب

يُلاحظ الاستقطاب الجزئي عندما تختلف زاوية حدوث تدفق الضوء عند حدود عازلين كهربائيين عن الصفر. تعتمد درجة الاستقطاب على زوايا السقوط (قانون بروستر).

انعكاس داخلي كامل

في ختام رحلتنا القصيرة، لا يزال من الضروري اعتبار مثل هذا التأثير بمثابة انعكاس داخلي كامل.

ظاهرة العرض الكامل

لكي يظهر هذا التأثير، من الضروري زيادة زاوية حدوث تدفق الضوء في لحظة انتقاله من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة عند السطح البيني بين المواد. في الحالة التي تتجاوز فيها هذه المعلمة قيمة حدية معينة، فإن الفوتونات الساقطة على حدود هذا القسم سوف تنعكس بالكامل. في الواقع، ستكون هذه هي الظاهرة التي نريدها. وبدونها، كان من المستحيل صنع الألياف الضوئية.

خاتمة

لقد أعطى التطبيق العملي لسلوك تدفق الضوء الكثير، مما أدى إلى إنشاء مجموعة متنوعة من الأجهزة التقنية لتحسين حياتنا. وفي الوقت نفسه، لم يكشف الضوء بعد عن كل إمكانياته للبشرية، كما أن إمكاناته العملية لم تتحقق بالكامل بعد.

كيف تصنع مصباحًا ورقيًا بيديك
كيفية التحقق من أداء شريط LED