Wie nennt man den Brechungswinkel? Das Gesetz der Lichtbrechung: Formulierung und praktische Anwendung

Unter dem Phänomen der Brechung einer Lichtwelle versteht man eine Änderung der Ausbreitungsrichtung der Front dieser Welle beim Übergang von einem transparenten Medium in ein anderes. Viele optische Instrumente und das menschliche Auge nutzen dieses Phänomen zur Erfüllung ihrer Funktionen. Der Artikel diskutiert die Gesetze der Lichtbrechung und ihre Verwendung in optischen Instrumenten.

Prozesse der Reflexion und Brechung von Licht

Bei der Betrachtung der Gesetze der Lichtbrechung ist auch das Phänomen der Reflexion zu erwähnen, da es eng mit diesem Phänomen zusammenhängt. Wenn Licht von einem transparenten Medium in ein anderes gelangt, laufen an der Grenzfläche zwischen diesen Medien gleichzeitig zwei Prozesse ab:

1. Ein Teil des Lichtstrahls wird in einem Winkel zurück in das erste Medium reflektiert, der dem Einfallswinkel des ursprünglichen Strahls an der Grenzfläche entspricht.
2. Der zweite Teil des Strahls dringt in das zweite Medium ein und breitet sich darin weiter aus.

Das oben Gesagte zeigt, dass die Intensität des anfänglichen Lichtstrahls immer größer sein wird als die des reflektierten und gebrochenen Lichts getrennt. Wie sich diese Intensität zwischen den Strahlen verteilt, hängt von den Eigenschaften der Medien und vom Einfallswinkel des Lichts an ihrer Grenzfläche ab.

Was ist die Essenz des Prozesses der Lichtbrechung?

Ein Teil des Lichtstrahls, der auf die Oberfläche zwischen zwei transparenten Medien fällt, breitet sich im zweiten Medium weiter aus, die Richtung seiner Ausbreitung weicht jedoch bereits um einen bestimmten Winkel von der ursprünglichen Richtung im 1. Medium ab. Dies ist das Phänomen der Lichtbrechung. Der physikalische Grund für dieses Phänomen ist die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Lichtwelle in verschiedenen Medien.

Denken Sie daran, dass Licht im Vakuum eine maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, die 299.792.458 m/s beträgt. In jedem Material ist diese Geschwindigkeit immer geringer und je größer die Dichte des Mediums, desto langsamer breitet sich die elektromagnetische Welle darin aus. Beispielsweise beträgt die Lichtgeschwindigkeit in Luft 299.705.543 m/s, in Wasser bei 20 °C beträgt sie bereits 224.844.349 m/s und in Diamant sinkt sie im Vergleich zur Geschwindigkeit im Vakuum um mehr als das Zweifache und beträgt 124.034.943 m /Mit.

Dieses Prinzip bietet eine geometrische Methode zum Auffinden der Wellenfront zu einem bestimmten Zeitpunkt. Das Huygens-Prinzip geht davon aus, dass jeder Punkt, den die Wellenfront erreicht, eine Quelle elektromagnetischer Sekundärwellen ist. Sie bewegen sich in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit und Frequenz. Die resultierende Wellenfront ist definiert als die Gesamtheit der Fronten aller Sekundärwellen. Mit anderen Worten: Die Vorderseite ist eine Fläche, die die Sphären aller Sekundärwellen berührt.

Eine Demonstration der Verwendung dieses geometrischen Prinzips zur Bestimmung der Wellenfront ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich ist, sind alle Kugelradien der Sekundärwellen (dargestellt durch Pfeile) gleich, da sich die Wellenfront in einem optisch homogenen Medium ausbreitet.

Anwendung des Huygens-Prinzips auf den Prozess der Lichtbrechung

Um das Gesetz der Lichtbrechung in der Physik zu verstehen, können Sie das Huygens-Prinzip verwenden. Betrachten wir einen bestimmten Lichtfluss, der auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien fällt, und die Bewegungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle im ersten Medium ist größer als im zweiten.

Sobald ein Teil der Front (links in der Abbildung unten) die Grenzfläche des Mediums erreicht, werden an jedem Punkt der Grenzfläche sekundäre Kugelwellen angeregt, die sich bereits im zweiten Medium ausbreiten. Da die Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium geringer ist als dieser Wert für das erste Medium, breitet sich der Teil der Front, der die Grenzfläche zwischen den Medien (rechts in der Abbildung) noch nicht erreicht hat, mit höherer Geschwindigkeit weiter aus als der Teil der Vorderseite (links), der bereits in das zweite Medium eingetreten ist. Durch Zeichnen von Kreisen von Sekundärwellen für jeden Punkt mit einem entsprechenden Radius gleich v*t, wobei t eine bestimmte Ausbreitungszeit der Sekundärwelle und v die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung im zweiten Medium ist, und anschließendes Zeichnen einer Tangente Krümmung aller Flächen der Sekundärwellen, so erhält man die Frontausbreitung des Lichts im zweiten Medium.

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, weicht diese Front um einen bestimmten Winkel von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung ab.

Beachten Sie, dass von einem Brechungsprozess keine Rede sein kann, wenn die Wellengeschwindigkeiten in beiden Medien gleich wären oder wenn das Licht senkrecht auf die Grenzfläche fällt.

Gesetze der Lichtbrechung

Diese Gesetze wurden experimentell ermittelt. Seien 1 und 2 zwei transparente Medien, deren Ausbreitungsgeschwindigkeiten elektromagnetischer Wellen gleich v 1 bzw. v 2 sind. Lassen Sie einen Lichtstrahl von Medium 1 in einem Winkel θ 1 zur Normalen auf die Grenzfläche fallen und breitet sich im zweiten Medium weiter in einem Winkel θ 2 zur Normalen der Grenzfläche aus. Dann lautet die Formulierung der Gesetze der Lichtbrechung wie folgt:

1. In derselben Ebene gibt es zwei Strahlen (einfallende und gebrochene) und eine Normale, die an der Grenzfläche zwischen den Medien 1 und 2 wiederhergestellt wird.
2. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten der Strahlausbreitung in den Medien 1 und 2 ist direkt proportional zum Verhältnis der Sinuswerte der Einfalls- und Brechungswinkel, d. h. sin(θ 1)/sin(θ 2) = v 1 /v 2.

Das zweite Gesetz heißt Snelliussches Gesetz. Wenn wir berücksichtigen, dass der Index oder Brechungsindex eines transparenten Mediums als das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu dieser Geschwindigkeit im Medium definiert ist, kann die Formel für das Lichtbrechungsgesetz wie folgt umgeschrieben werden: sin (θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1, wobei n 1 und n 2 die Brechungsindizes der Medien 1 bzw. 2 sind.

Die mathematische Formel des Gesetzes besagt also, dass das Produkt aus dem Sinus eines Winkels und dem Brechungsindex für ein bestimmtes Medium ein konstanter Wert ist. Unter Berücksichtigung der trigonometrischen Eigenschaften des Sinus können wir außerdem sagen, dass sich das Licht beim Durchgang durch die Grenzfläche der Normalen annähert, wenn v 1 > v 2, und umgekehrt.

Eine kurze Geschichte der Entdeckung des Gesetzes

Wer hat das Gesetz der Lichtbrechung entdeckt? Tatsächlich wurde es erstmals im 10. Jahrhundert vom mittelalterlichen Astrologen und Philosophen Ibn Sahl formuliert. Die zweite Entdeckung des Brechungsgesetzes erfolgte im 17. Jahrhundert durch den niederländischen Astronomen und Mathematiker Snell van Rooyen, weshalb das zweite Brechungsgesetz weltweit seinen Namen trägt.

Interessant ist, dass dieses Gesetz wenig später auch vom Franzosen Rene Descartes entdeckt wurde, weshalb es im französischsprachigen Raum seinen Namen trägt.

Beispielaufgabe

Alle Probleme zum Lichtbrechungsgesetz basieren auf der mathematischen Formulierung des Snelliusschen Gesetzes. Geben wir ein Beispiel für ein solches Problem: Es ist notwendig, den Ausbreitungswinkel der Lichtfront beim Übergang vom Diamanten zum Wasser zu ermitteln, vorausgesetzt, diese Front trifft in einem Winkel von 30 ° zur Normalen auf die Grenzfläche.

Um dieses Problem zu lösen, ist es notwendig, entweder die Brechungsindizes der betrachteten Medien oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in ihnen zu kennen. Unter Bezugnahme auf die Referenzdaten können wir schreiben: n 1 = 2,417 und n 2 = 1,333, wobei die Zahlen 1 und 2 Diamant bzw. Wasser bedeuten.

Wenn wir die erhaltenen Werte in die Formel einsetzen, erhalten wir: sin(30 o)/sin(θ 2) = 1,333/2,417 oder sin(θ 2) = 0,39 und θ 2 = 65,04 o, das heißt, der Balken wird sich bewegen deutlich vom Normalen entfernt.

Es ist interessant festzustellen, dass bei einem Einfallswinkel von mehr als 33,5 ° gemäß der Formel des Lichtbrechungsgesetzes kein gebrochener Strahl vorhanden wäre und die gesamte Lichtfront in den Diamanten zurückreflektiert würde Mittel. Dieser Effekt wird in der Physik als Totalreflexion bezeichnet.

Wo gilt das Brechungsgesetz?

Die praktische Anwendung des Gesetzes der Lichtbrechung ist vielfältig. Man kann ohne Übertreibung sagen, dass die meisten optischen Instrumente nach diesem Gesetz arbeiten. Die Lichtbrechung in optischen Linsen wird in Instrumenten wie Mikroskopen, Teleskopen und Ferngläsern genutzt. Ohne die Existenz des Brechungseffekts wäre es für einen Menschen unmöglich, die Welt um ihn herum zu sehen, da der Glaskörper und die Augenlinse biologische Linsen sind, die die Funktion haben, den Lichtfluss auf einen Punkt auf dem empfindlichen Punkt zu fokussieren Netzhaut des Auges. Darüber hinaus findet das Gesetz der Totalreflexion in Lichtfasern Anwendung.

• Einfallswinkelα ist der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien, wiederhergestellt am Einfallspunkt (Abb. 1).

• Reflexionswinkelβ ist der Winkel zwischen dem reflektierten Lichtstrahl und der Senkrechten zur reflektierenden Oberfläche, wiederhergestellt am Einfallspunkt (siehe Abb. 1).

• Brechungswinkelγ ist der Winkel zwischen dem gebrochenen Lichtstrahl und der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien, wiederhergestellt am Einfallspunkt (siehe Abb. 1).

• Unter dem Balken Verstehen Sie die Linie, entlang der die Energie einer elektromagnetischen Welle übertragen wird. Lassen Sie uns vereinbaren, optische Strahlen grafisch darzustellen, indem wir geometrische Strahlen mit Pfeilen verwenden. In der geometrischen Optik wird die Wellennatur des Lichts nicht berücksichtigt (siehe Abb. 1).

• Strahlen, die von einem Punkt ausgehen, werden genannt abweichend, und diejenigen, die sich an einem Punkt versammeln - konvergent. Ein Beispiel für divergierende Strahlen ist das beobachtete Licht entfernter Sterne, und ein Beispiel für konvergierende Strahlen ist die Kombination von Strahlen, die von verschiedenen Objekten in die Pupille unseres Auges gelangen.

Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Lichtstrahlen wurden experimentell vier Grundgesetze der geometrischen Optik festgestellt:

• Gesetz der geradlinigen Ausbreitung von Licht;
• Gesetz der Unabhängigkeit der Lichtstrahlen;
• Gesetz der Reflexion von Lichtstrahlen;
• Gesetz der Brechung von Lichtstrahlen.

Lichtbrechung

Messungen haben gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit in Materie υ immer kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C.

• Lichtgeschwindigkeitsverhältnis im Vakuum C zu seiner Geschwindigkeit in einer gegebenen Umgebung wird υ genannt absoluter Brechungsindex:

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

Der Satz " absoluter Brechungsindex des Mediums„oft ersetzt durch“ Brechungsindex des Mediums».

Betrachten Sie einen Strahl, der auf eine flache Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien mit Brechungsindizes einfällt N 1 und N 2 in einem bestimmten Winkel α (Abb. 2).

• Die Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien nennt man Lichtbrechung.

Brechungsgesetze:

• Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels α zum Sinus des Brechungswinkels γ ist für zwei gegebene Medien ein konstanter Wert

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

• Der einfallende und der gebrochene Strahl liegen in derselben Ebene mit einer Senkrechten, die am Einfallspunkt des Strahls auf die Ebene der Grenzfläche zwischen den beiden Medien gezogen wird.

Zur Brechung wird es durchgeführt Prinzip der Reversibilität von Lichtstrahlen:

• ein Lichtstrahl, der sich entlang des Weges eines gebrochenen Strahls ausbreitet und an einem Punkt gebrochen wird Ö an der Grenzfläche zwischen den Medien breitet sich weiter entlang des Pfades des einfallenden Strahls aus.

Aus dem Brechungsgesetz folgt: Wenn das zweite Medium durch das erste Medium optisch dichter ist,

• diese. N 2 > N 1, dann α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha )(sin \gamma ) > 1 \right)\) (Abb. 3, a);
• Wenn N 2 < N 1, dann α< γ (рис. 3, б).

Die erste Erwähnung der Lichtbrechung in Wasser und Glas findet sich im Werk „Optik“ von Claudius Ptolemäus, das im 2. Jahrhundert n. Chr. veröffentlicht wurde. Das Gesetz der Lichtbrechung wurde 1620 vom niederländischen Wissenschaftler Willebrod Snellius experimentell festgestellt. Beachten Sie, dass das Brechungsgesetz unabhängig von Snell auch von Rene Descartes entdeckt wurde.

Das Gesetz der Lichtbrechung ermöglicht es uns, den Strahlengang in verschiedenen optischen Systemen zu berechnen.

An der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien wird üblicherweise gleichzeitig mit der Brechung eine Wellenreflexion beobachtet. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Summe der reflektierten Energien W o und gebrochen W np der Wellen ist gleich der Energie der einfallenden Welle W N:

W n = W np + W o.

Totale Reflexion

Wie oben erwähnt, wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes Medium gelangt ( N 1 > N 2) wird der Brechungswinkel γ größer als der Einfallswinkel α (siehe Abb. 3, b).

Mit zunehmendem Einfallswinkel α (Abb. 4) beträgt der Brechungswinkel ab einem bestimmten Wert α 3 γ = 90°, d. h. Licht dringt nicht in das zweite Medium ein. Bei Winkeln größer als α 3 wird das Licht nur reflektiert. Energie der gebrochenen Welle Wnp in diesem Fall wird sie gleich Null und die Energie der reflektierten Welle wird gleich der Energie der einfallenden Welle sein: W n = W o. Folglich wird ab diesem Einfallswinkel α 3 (im Folgenden mit α 0 bezeichnet) die gesamte Lichtenergie von der Grenzfläche zwischen diesen Medien reflektiert.

Dieses Phänomen wird Totalreflexion genannt (siehe Abb. 4).

• Der Winkel α 0, bei dem die Totalreflexion beginnt, heißt Grenzwinkel der Totalreflexion.

Der Wert des Winkels α 0 ergibt sich aus dem Brechungsgesetz, sofern der Brechungswinkel γ = 90° ist:

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

Literatur

Zhilko, V.V. Physik: Lehrbuch. Handbuch für die Allgemeinbildung der 11. Klasse. Schule aus dem Russischen Sprache Ausbildung / V.V. Zhilko, L.G. - Minsk: Nar. Asveta, 2009. - S. 91-96.

 4.1. Grundbegriffe und Gesetze der geometrischen Optik

 Gesetze der Lichtbrechung. Brechungsindex.
 Erstes Brechungsgesetz:
der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die am Einfallspunkt rekonstruierte Senkrechte zur Grenzfläche liegen in derselben Ebene (siehe Abb. 9).


 Zweites Brechungsgesetz:
Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für zwei gegebene Medien ein konstanter Wert und wird als relativer Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten bezeichnet.

  Der relative Brechungsindex gibt an, wie oft sich die Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium von der Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium unterscheidet:

 Totale Reflexion.
Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes übergeht und die Bedingung α > α 0 erfüllt ist, wobei α 0 der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, gelangt das Licht überhaupt nicht in das zweite Medium. Es wird vollständig von der Schnittstelle reflektiert und verbleibt im ersten Medium. In diesem Fall ergibt sich aus dem Gesetz der Lichtreflexion folgender Zusammenhang:

 4.2. Grundbegriffe und Gesetze der Wellenoptik

Das Phänomen der Lichtbrechung.

Trifft ein Lichtstrahl auf eine Fläche, die zwei transparente Medien unterschiedlicher optischer Dichte, beispielsweise Luft und Wasser, trennt, so wird ein Teil des Lichts von dieser Fläche reflektiert und der andere Teil dringt in das zweite Medium ein. Beim Übergang von einem Medium in ein anderes ändert ein Lichtstrahl an der Grenze dieser Medien seine Richtung. Dieses Phänomen wird Lichtbrechung genannt.

Schauen wir uns die Lichtbrechung genauer an. Abbildung n zeigt: einfallender Strahl JSC, gebrochener Strahl OB und senkrecht CD, vom Aufprallpunkt erholt UM zur Oberfläche, die zwei verschiedene Umgebungen trennt. Ecke AOC- Einfallswinkel, Winkel Geburtsdatum- Brechungswinkel. Brechungswinkel Geburtsdatum kleiner als der Einfallswinkel AOC.

Ein Lichtstrahl bei Der Übergang von Luft zu Wasser ändert seine Richtung und nähert sich der Senkrechten CD. Wasser ist ein Medium, das optisch dichter ist als Luft. Wenn Wasser durch ein anderes transparentes Medium ersetzt wird, das optisch dichter als Luft ist, nähert sich der gebrochene Strahl ebenfalls der Senkrechten. Daher können wir sagen: Kommt Licht von einem optisch weniger dichten Medium zu einem dichteren Medium, dann ist der Brechungswinkel immer kleiner als der Einfallswinkel.

Experimente zeigen, dass bei gleichem Einfallswinkel der Brechungswinkel umso kleiner ist, je optisch dichter das Medium ist, in das der Strahl eindringt.
Wenn ein Spiegel auf dem Weg des gebrochenen Strahls senkrecht zum Strahl platziert wird, wird das Licht vom Spiegel reflektiert und gelangt in Richtung des einfallenden Strahls aus dem Wasser in die Luft. Folglich sind einfallende und gebrochene Strahlen ebenso reversibel wie einfallende und reflektierte Strahlen.
Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein weniger dichtes Medium gelangt, ist der Brechungswinkel des Strahls größer als der Einfallswinkel.

Machen wir zu Hause ein kleines Experiment. Ich bin zu Hause ein kleines Experiment. Bin Wenn Sie einen Bleistift in ein Glas Wasser stecken, scheint er kaputt zu sein. E Dies kann nur dadurch erklärt werden, dass die vom Stift ausgehenden Lichtstrahlen im Wasser eine andere Richtung haben als in der Luft, d. h. die Lichtbrechung erfolgt an der Grenze zwischen Luft und Wasser. Beim Übergang von Licht von einem Medium zum anderen wird ein Teil des auf das Medium einfallenden Lichts an der Grenzfläche reflektiert. Der Rest des Lichts dringt in die neue Umgebung ein. Fällt Licht in einem anderen als geraden Winkel auf die Grenzfläche, ändert der Lichtstrahl seine Richtung von der Grenzfläche aus.
Dies wird als Phänomen der Lichtbrechung bezeichnet. Das Phänomen der Lichtbrechung wird an der Grenze zweier transparenter Medien beobachtet und erklärt sich aus der unterschiedlichen Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in verschiedenen Medien. Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit etwa 300.000 km/s, in allen anderen

Mit edah, es ist kleiner.

Das Bild unten zeigt einen Strahl, der sich von Luft zu Wasser bewegt. Der Winkel heißt Einfallswinkel des Strahls, A - Brechungswinkel. Beachten Sie, dass sich der Strahl im Wasser der Normalen annähert. Dies geschieht immer dann, wenn der Strahl auf ein Medium trifft, in dem die Lichtgeschwindigkeit geringer ist. Wenn sich Licht von einem Medium in ein anderes ausbreitet, wo die Lichtgeschwindigkeit größer ist, dann weicht es von der Normalen ab.

Die Brechung ist für eine Reihe bekannter optischer Täuschungen verantwortlich. Für einen Beobachter am Ufer scheint es beispielsweise, dass eine Person, die hüfttiefes Wasser betreten hat, kürzere Beine hat.

Gesetze der Lichtbrechung.

Aus allem, was gesagt wurde, schließen wir:
1 . An der Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher optischer Dichte ändert ein Lichtstrahl beim Übergang von einem Medium in ein anderes seine Richtung.
2. Wenn ein Lichtstrahl in ein Medium mit größerer Größe eindringtBrechungswinkel der optischen Dichtegeringerer Einfallswinkel; wenn ein Lichtstrahl durchgehtvon einem optisch dichteren Medium zu einem weniger dichten Mediumdichter Brechungswinkel größer als der Einfallswinkelnia.
Die Lichtbrechung geht mit einer Reflexion einher, und mit zunehmendem Einfallswinkel nimmt die Helligkeit des reflektierten Strahls zu und der gebrochene Strahl wird schwächer. Dies kann man durch Experimentieren erkennen in der Abbildung dargestellt. MIT Daher trägt der reflektierte Strahl umso mehr Lichtenergie mit sich, je größer der Einfallswinkel ist.

Lassen MN- die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien, zum Beispiel Luft und Wasser, JSC- einfallender Strahl, OB- gebrochener Strahl, - Einfallswinkel, - Brechungswinkel, - Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium, - Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im zweiten Medium.

Das erste Brechungsgesetz lautet wie folgt: Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für diese beiden Medien ein konstanter Wert:

, wobei der relative Brechungsindex (der Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten) ist.

Der zweite Hauptsatz der Lichtbrechung ist dem zweiten Hauptsatz der Lichtreflexion sehr ähnlich:

der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die Senkrechte zum Einfallspunkt des Strahls liegen in derselben Ebene.

Absoluter Brechungsindex.

Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist fast gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: mit m/s.

Wenn Licht aus einem Vakuum in ein Medium eindringt, dann

wobei n der absolute Brechungsindex ist dieser Umgebung. Der relative Brechungsindex zweier Medien hängt mit den absoluten Brechungsindizes dieser Medien zusammen, wobei und jeweils die absoluten Brechungsindizes des ersten und zweiten Mediums sind.

Absolute Brechungsindizes des Lichts:

Substanz

Diamant 2,42. Quarz 1,54. Luft (unter normalen Bedingungen) 1,00029. Ethylalkohol 1,36. Wasser 1.33. Eis 1.31. Terpentin 1,47. Quarzglas 1,46. 1,52 CZK. Leichter Feuerstein 1,58. Natriumchlorid (Salz) 1,53.

(Wie wir später sehen werden, ist der Brechungsindex N variiert je nach Wellenlänge des Lichts etwas – nur im Vakuum behält es einen konstanten Wert. Daher entsprechen die in der Tabelle angegebenen Daten gelbem Licht mit einer Wellenlänge von .)

Da sich beispielsweise bei einem Diamanten Licht mit einer Geschwindigkeit ausbreitet

Optische Dichte des Mediums.

Wenn der absolute Brechungsindex des ersten Mediums kleiner ist als der absolute Brechungsindex des zweiten Mediums, dann hat das erste Medium eine geringere optische Dichte als das zweite und > . Die optische Dichte eines Mediums darf nicht mit der Dichte eines Stoffes verwechselt werden.

Durchgang von Licht durch eine planparallele Platte und ein Prisma.

Der Lichtdurchgang durch transparente Körper unterschiedlicher Form ist von großer praktischer Bedeutung. Betrachten wir die einfachsten Fälle.
Lassen Sie uns einen Lichtstrahl durch eine dicke planparallele Platte (eine Platte, die durch parallele Kanten begrenzt ist) richten. Beim Durchgang durch die Platte wird ein Lichtstrahl zweimal gebrochen: einmal beim Eintritt in die Platte, das zweite Mal beim Austritt aus der Platte in die Luft.

Ein Lichtstrahl, der die Platte durchdringt, bleibt parallel zu seiner ursprünglichen Richtung und verschiebt sich nur geringfügig. Diese Verschiebung ist umso größer, je dicker die Platte und je größer der Einfallswinkel ist. Das Ausmaß der Verschiebung hängt auch vom Material ab, aus dem die Platte besteht.
Ein Beispiel für eine planparallele Platte ist Fensterglas. Aber wenn wir Objekte durch Glas untersuchen, bemerken wir keine Veränderungen in ihrer Position und Form, weil das Glas dünn ist; Lichtstrahlen passieren Fensterglas bewegt sich leicht.
Wenn Sie ein Objekt durch ein Prisma betrachten, erscheint das Objekt verschoben. Ein von einem Objekt kommender Lichtstrahl fällt an einem Punkt auf ein Prisma A, bricht und geht in das Prisma hinein in die Richtung AB Die zweite Fläche des Prismas erreicht. Der Lichtstrahl wird erneut gebrochen und in Richtung der Basis des Prismas abgelenkt. Daher scheint der Strahl von einem Punkt zu kommen. gelegen Basierend auf der Fortsetzung des Strahls BC scheint das Objekt zum Scheitelpunkt des Winkels verschoben zu sein, der durch die brechenden Flächen des Prismas gebildet wird.

Vollständige Lichtreflexion.

Ein schöner Anblick ist der Brunnen, dessen austretende Wasserstrahlen von innen beleuchtet werden. (Dies kann unter normalen Bedingungen durch die Durchführung des folgenden Experiments Nr. 1 dargestellt werden). Lassen Sie uns dieses Phänomen weiter unten etwas erklären.

Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes Medium gelangt, wird das Phänomen der Totalreflexion des Lichts beobachtet. Der Brechungswinkel ist in diesem Fall größer im Vergleich zum Einfallswinkel (Abb. 141). Mit zunehmendem Einfallswinkel der Lichtstrahlen von der Quelle S an der Schnittstelle zwischen zwei Medien MN Es wird ein Moment kommen, in dem der Strahl gebrochen wird wird entlang der Schnittstelle zwischen zwei Medien gehen, das heißt = 90°.

Der Einfallswinkel, der dem Brechungswinkel = 90° entspricht, wird Grenzwinkel der Totalreflexion genannt.

Wenn dieser Winkel überschritten wird, verlassen die Strahlen das erste Medium überhaupt nicht; es wird nur das Phänomen der Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen zwei Medien beobachtet.

Aus dem ersten Brechungsgesetz:

Seit damals.

Wenn das zweite Medium Luft (Vakuum) ist, wo dann? N - der absolute Brechungsindex des Mediums, aus dem die Strahlen kommen.

Die Erklärung des in Ihrem Experiment beobachteten Phänomens ist recht einfach. Ein Lichtstrahl verläuft entlang eines Wasserstrahls und trifft in einem Winkel, der größer als der Grenzwinkel ist, auf eine gekrümmte Oberfläche, erfährt eine Totalreflexion und trifft dann erneut in einem Winkel, der wiederum größer als der Grenzwinkel ist, auf die gegenüberliegende Seite des Stroms. Der Strahl verläuft also entlang des Strahls und biegt sich mit ihm mit.

Würde das Licht jedoch vollständig im Inneren des Strahls reflektiert, wäre es von außen nicht sichtbar. Ein Teil des Lichts wird durch Wasser, Luftblasen und verschiedene darin vorhandene Verunreinigungen sowie durch die unebene Oberfläche des Strahls gestreut und ist daher von außen sichtbar.

Vorgänge, die mit Licht in Zusammenhang stehen, sind ein wichtiger Bestandteil der Physik und umgeben uns überall in unserem Alltag. Am wichtigsten sind dabei die Gesetze der Lichtreflexion und -brechung, auf denen die moderne Optik basiert. Die Lichtbrechung ist ein wichtiger Teil der modernen Wissenschaft.

Verzerrungseffekt

In diesem Artikel erfahren Sie, was das Phänomen der Lichtbrechung ist, wie das Brechungsgesetz aussieht und was sich daraus ergibt.

Grundlagen eines physikalischen Phänomens

Wenn ein Strahl auf eine Oberfläche fällt, die durch zwei transparente Substanzen mit unterschiedlicher optischer Dichte getrennt ist (z. B. verschiedene Gläser oder in Wasser), werden einige der Strahlen reflektiert und andere dringen in die zweite Struktur ein (z. B. sie vermehren sich in Wasser oder Glas). Beim Übergang von einem Medium in ein anderes ändert ein Strahl typischerweise seine Richtung. Dies ist das Phänomen der Lichtbrechung.
Die Reflexion und Brechung von Licht ist im Wasser besonders sichtbar.

Verzerrungseffekt im Wasser

Wenn man Dinge im Wasser betrachtet, erscheinen sie verzerrt. Dies macht sich besonders an der Grenze zwischen Luft und Wasser bemerkbar. Optisch wirken Unterwasserobjekte leicht abgelenkt. Das beschriebene physikalische Phänomen ist genau der Grund dafür, dass alle Objekte im Wasser verzerrt erscheinen. Wenn die Strahlen auf das Glas treffen, ist dieser Effekt weniger spürbar.
Lichtbrechung ist ein physikalisches Phänomen, das durch eine Änderung der Bewegungsrichtung eines Sonnenstrahls in dem Moment gekennzeichnet ist, in dem er sich von einem Medium (einer Struktur) in ein anderes bewegt.
Um diesen Prozess besser zu verstehen, betrachten wir das Beispiel eines Strahls, der aus der Luft auf Wasser trifft (ähnlich wie bei Glas). Durch Zeichnen einer senkrechten Linie entlang der Grenzfläche kann der Brechungs- und Rückkehrwinkel des Lichtstrahls gemessen werden. Dieser Index (Brechungswinkel) ändert sich, wenn die Strömung in das Wasser (im Inneren des Glases) eindringt.
Beachten Sie! Unter diesem Parameter versteht man den Winkel, den eine Senkrechte zur Trennung zweier Stoffe bildet, wenn ein Strahl von der ersten Struktur zur zweiten durchdringt.

Strahldurchgang

Der gleiche Indikator ist typisch für andere Umgebungen. Es wurde festgestellt, dass dieser Indikator von der Dichte des Stoffes abhängt. Fällt der Strahl von einer weniger dichten auf eine dichtere Struktur, ist der erzeugte Verzerrungswinkel größer. Und wenn es umgekehrt ist, dann ist es weniger.
Gleichzeitig wird sich auch eine Änderung der Abwärtsneigung auf diesen Indikator auswirken. Aber die Beziehung zwischen ihnen bleibt nicht konstant. Gleichzeitig bleibt das Verhältnis ihrer Sinuswerte ein konstanter Wert, der sich in der folgenden Formel widerspiegelt: sinα / sinγ = n, wobei:

• n ist ein konstanter Wert, der für jeden spezifischen Stoff (Luft, Glas, Wasser usw.) beschrieben wird. Daher kann dieser Wert anhand spezieller Tabellen ermittelt werden;
• α – Einfallswinkel;
• γ – Brechungswinkel.

Um dieses physikalische Phänomen zu bestimmen, wurde das Brechungsgesetz geschaffen.

Physikalisches Gesetz

Das Gesetz der Lichtbrechung ermöglicht es uns, die Eigenschaften transparenter Substanzen zu bestimmen. Das Gesetz selbst besteht aus zwei Bestimmungen:

• Erster Teil. Der Strahl (einfallend, modifiziert) und die Senkrechte, die am Einfallspunkt an der Grenze beispielsweise von Luft und Wasser (Glas usw.) wiederhergestellt wurde, liegen in derselben Ebene;
• Der zweite Teil. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus desselben Winkels, der beim Überqueren der Grenze gebildet wird, ist ein konstanter Wert.

Beschreibung des Gesetzes

In diesem Fall tritt in dem Moment, in dem der Strahl aus der zweiten Struktur in die erste austritt (z. B. wenn der Lichtstrom von der Luft durch das Glas und zurück in die Luft gelangt), ebenfalls ein Verzerrungseffekt auf.

Ein wichtiger Parameter für verschiedene Objekte

Der Hauptindikator in dieser Situation ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zu einem ähnlichen Parameter, jedoch mit Verzerrung. Wie aus dem oben beschriebenen Gesetz hervorgeht, ist dieser Indikator ein konstanter Wert.
Wenn sich außerdem der Wert der Abfallsteigung ändert, ist die gleiche Situation typisch für einen ähnlichen Indikator. Dieser Parameter ist von großer Bedeutung, da er ein integrales Merkmal transparenter Stoffe ist.

Indikatoren für verschiedene Objekte

Dank dieses Parameters können Sie sehr effektiv zwischen Glasarten und verschiedenen Edelsteinen unterscheiden. Es ist auch wichtig, um die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Umgebungen zu bestimmen.

Beachten Sie! Die höchste Geschwindigkeit des Lichtflusses herrscht im Vakuum.

Beim Übergang von einem Stoff zum anderen verringert sich seine Geschwindigkeit. Beispielsweise ist in Diamant, der den höchsten Brechungsindex hat, die Geschwindigkeit der Photonenausbreitung 2,42-mal höher als die von Luft. Im Wasser breiten sie sich 1,33-mal langsamer aus. Für verschiedene Glasarten liegt dieser Parameter zwischen 1,4 und 2,2.

Beachten Sie! Einige Gläser haben einen Brechungsindex von 2,2, was dem von Diamant (2,4) sehr nahe kommt. Daher ist es nicht immer möglich, ein Stück Glas von einem echten Diamanten zu unterscheiden.

Optische Dichte von Stoffen

Licht kann verschiedene Stoffe durchdringen, die sich durch unterschiedliche optische Dichten auszeichnen. Wie bereits erwähnt, können Sie mit diesem Gesetz die Dichteeigenschaft des Mediums (Struktur) bestimmen. Je dichter es ist, desto langsamer breitet sich Licht durch es aus. Beispielsweise sind Glas oder Wasser optisch dichter als Luft.
Abgesehen davon, dass dieser Parameter ein konstanter Wert ist, spiegelt er auch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in zwei Substanzen wider. Die physikalische Bedeutung kann als folgende Formel dargestellt werden:

Dieser Indikator gibt an, wie sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen ändert, wenn sie von einer Substanz zur anderen wechseln.

Ein weiterer wichtiger Indikator

Wenn sich ein Lichtstrom durch transparente Objekte bewegt, ist seine Polarisation möglich. Es wird beim Durchgang eines Lichtstroms aus dielektrischen isotropen Medien beobachtet. Polarisation tritt auf, wenn Photonen Glas passieren.

Polarisationseffekt

Eine partielle Polarisation wird beobachtet, wenn der Einfallswinkel des Lichtflusses an der Grenze zweier Dielektrika von Null abweicht. Der Grad der Polarisation hängt von den Einfallswinkeln ab (Brewster-Gesetz).

Volle innere Reflexion

Zum Abschluss unserer kurzen Exkursion ist es noch notwendig, einen solchen Effekt als vollständige interne Reflexion zu betrachten.

Das Phänomen der Volldarstellung

Damit dieser Effekt auftritt, ist es notwendig, den Einfallswinkel des Lichtstroms im Moment seines Übergangs von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium an der Grenzfläche zwischen Stoffen zu vergrößern. In einer Situation, in der dieser Parameter einen bestimmten Grenzwert überschreitet, werden an der Grenze dieses Abschnitts einfallende Photonen vollständig reflektiert. Tatsächlich wird dies unser gewünschtes Phänomen sein. Ohne sie wäre die Herstellung von Glasfasern nicht möglich.

Abschluss

Die praktische Anwendung des Lichtflussverhaltens hat viel gebracht und eine Vielzahl technischer Geräte zur Verbesserung unseres Lebens geschaffen. Gleichzeitig hat das Licht der Menschheit noch nicht alle seine Möglichkeiten offenbart und sein praktisches Potenzial ist noch nicht vollständig ausgeschöpft.

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