Mida nimetatakse murdumisnurgaks? Valguse murdumise seadus: formuleerimine ja praktiline rakendamine

Valguslaine murdumise nähtuse all mõistetakse selle laine esiosa levimissuuna muutumist, kui see liigub ühest läbipaistvast keskkonnast teise. Paljud optilised instrumendid ja inimsilm kasutavad seda nähtust oma funktsioonide täitmiseks. Artiklis käsitletakse valguse murdumise seaduspärasusi ja nende kasutamist optilistes instrumentides.

Valguse peegelduse ja murdumise protsessid

Valguse murdumise seaduste küsimuse käsitlemisel tuleb mainida ka peegelduse nähtust, kuna see on selle nähtusega tihedalt seotud. Kui valgus liigub ühest läbipaistvast keskkonnast teise, toimub nende kandjate vahelisel liidesel sellega samaaegselt kaks protsessi:

1. Osa valgusvihust peegeldub tagasi esimesse keskkonda nurga all, mis on võrdne liidese esialgse kiire langemisnurgaga.
2. Kiire teine ​​osa siseneb teise keskkonda ja jätkab selles levimist.

Ülaltoodu näitab, et esialgse valgusvihu intensiivsus on alati suurem kui peegeldunud ja murdunud valgusel eraldi. See, kuidas see intensiivsus kiirte vahel jaotub, sõltub kandja omadustest ja valguse langemisnurgast nende liidesel.

Mis on valguse murdumise protsessi olemus?

Osa valgusvihust, mis langeb pinnale kahe läbipaistva kandja vahel, jätkab levimist teises keskkonnas, kuid selle levimise suund erineb juba teatud nurga võrra 1. keskkonna algsest suunast. See on valguse murdumise nähtus. Selle nähtuse füüsikaliseks põhjuseks on valguslaine levimiskiiruse erinevus erinevates keskkondades.

Tuletame meelde, et valguse maksimaalne levimiskiirus on vaakumis, see on 299 792 458 m/s. Igas materjalis on see kiirus alati väiksem ja mida suurem on keskkonna tihedus, seda aeglasemalt levib selles elektromagnetlaine. Näiteks õhus on valguse kiirus 299 705 543 m/s, 20 °C vees juba 224 844 349 m/s ja teemandis langeb see vaakumi kiirusega võrreldes enam kui 2 korda ja on 124 034 943 m. /Koos.

See põhimõte annab geomeetrilise meetodi lainefrondi leidmiseks igal ajahetkel. Huygensi põhimõte eeldab, et iga lainefrondi punkt on elektromagnetiliste sekundaarlainete allikas. Nad liiguvad igas suunas sama kiiruse ja sagedusega. Saadud lainefront on määratletud kui kõigi sekundaarlainete frontide kogum. Teisisõnu, esikülg on pind, mis puudutab kõigi sekundaarlainete sfääre.

Selle geomeetrilise printsiibi kasutamise demonstratsioon lainefrondi määramiseks on näidatud alloleval joonisel. Nagu sellelt diagrammil näha, on kõik sekundaarsete lainete sfääride raadiused (näidatud nooltega) ühesugused, kuna lainefront levib keskkonnas, mis on optilisest vaatepunktist homogeenne.

Huygensi põhimõtte rakendamine valguse murdumise protsessis

Valguse murdumise seaduse mõistmiseks füüsikas võite kasutada Huygensi põhimõtet. Vaatleme teatud valgusvoogu, mis langeb kahe meediumi liidesele ja elektromagnetlaine liikumiskiirus esimeses keskkonnas on suurem kui teises.

Niipea, kui osa esiosast (alloleval joonisel vasakul) jõuab kandja liideseni, hakkavad liidese igas punktis ergastama sekundaarsed sfäärilised lained, mis levivad juba teises keskkonnas. Kuna valguse kiirus teises keskkonnas on väiksem kui esimese kandja väärtus, jätkab esiosa osa, mis pole veel jõudnud kandjatevahelise liideseni (joonisel paremal), edasi levimist suurema kiirusega. kui esiosa (vasakul) osa, mis on juba sisenenud teise meediumisse . Joonistades iga punkti jaoks sekundaarlainete ringid, mille vastav raadius on võrdne v*t-ga, kus t on mingi konkreetne sekundaarlaine levimise aeg ja v on selle levimise kiirus teises keskkonnas ning seejärel joonestades puutuja kõvera sekundaarlainete kõikidele pindadele, võib saada valguse eesmise leviku teises keskkonnas.

Nagu jooniselt näha, kaldub see esiosa selle levimise algsest suunast teatud nurga võrra kõrvale.

Pange tähele, et kui lainete kiirused oleksid mõlemas keskkonnas võrdsed või kui valgus langes liidesega risti, siis murdumisprotsessist ei saaks rääkidagi.

Valguse murdumise seadused

Need seadused saadi eksperimentaalselt. Olgu 1 ja 2 kaks läbipaistvat kandjat, mille elektromagnetlainete levimiskiirused on vastavalt v 1 ja v 2. Laske valguskiirel langeda keskkonnast 1 liidesele nurga θ 1 normaalse suhtes ja teises keskkonnas jätkab selle levimist liidese normaalnurga θ 2 all. Siis on valguse murdumise seaduste sõnastus järgmine:

1. Samal tasapinnal on kaks kiirt (langev ja murdunud) ning meediumide 1 ja 2 vahelise liidese taastatakse normaalne.
2. Kiirte levimiskiiruste suhe keskkonnas 1 ja 2 on otseselt võrdeline langemis- ja murdumisnurkade siinuste suhtega, st sin(θ 1)/sin(θ 2) = v 1 /v 2.

Teist seadust nimetatakse Snelli seaduseks. Kui võtta arvesse, et läbipaistva keskkonna indeks ehk murdumisnäitaja on defineeritud kui valguse kiiruse vaakumis ja selle kiiruse suhe keskkonnas, siis saab valguse murdumise seaduse valemi ümber kirjutada järgmiselt: sin. (θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1, kus n 1 ja n 2 on vastavalt keskkonna 1 ja 2 murdumisnäitajad.

Seega näitab seaduse matemaatiline valem, et nurga siinuse ja konkreetse keskkonna murdumisnäitaja korrutis on konstantne väärtus. Veelgi enam, siinuse trigonomeetrilisi omadusi arvesse võttes võib öelda, et kui v 1 >v 2, siis valgus liidest läbides läheneb normaalväärtusele ja vastupidi.

Seaduse avastamise lühiajalugu

Kes avastas valguse murdumise seaduse? Tegelikult sõnastas selle esmakordselt keskaegne astroloog ja filosoof Ibn Sahl 10. sajandil. Seaduse teine ​​avastus leidis aset 17. sajandil ja selle tegi Hollandi astronoom ja matemaatik Snell van Rooyen, nii et kogu maailmas kannab teine ​​murdumisseadus tema nime.

Huvitav on märkida, et veidi hiljem avastas selle seaduse ka prantslane Rene Descartes, mistõttu prantsuskeelsetes maades kannab see tema nime.

Näidisülesanne

Kõik valguse murdumise seaduse probleemid põhinevad Snelli seaduse matemaatilisel sõnastusel. Toome näite sellisest probleemist: vaja on leida valgusfrondi levimisnurk selle üleminekul teemandilt veele, eeldusel, et see front tabab liidest 30 o nurga all normaalse suhtes.

Selle probleemi lahendamiseks on vaja teada kas vaadeldavate kandjate murdumisnäitajaid või elektromagnetlaine levimiskiirust neis. Viidates võrdlusandmetele saame kirjutada: n 1 = 2,417 ja n 2 = 1,333, kus numbrid 1 ja 2 tähistavad vastavalt teemanti ja vett.

Asendades saadud väärtused valemisse, saame: sin(30 o)/sin(θ 2) = 1,333/2,417 või sin(θ 2) = 0,39 ja θ 2 = 65,04 o, see tähendab, et kiir liigub normist oluliselt eemale.

Huvitav on märkida, et kui langemisnurk oleks suurem kui 33,5 o, siis valguse murdumise seaduse valemi kohaselt murdunud kiirt ei toimuks ja kogu valguse front peegelduks tagasi teemandisse. keskmine. Seda efekti nimetatakse füüsikas täielikuks sisepeegelduseks.

Kus kehtib murdumisseadus?

Valguse murdumise seaduse praktiline rakendamine on mitmekesine. Liialdamata võib öelda, et enamik optilisi instrumente töötab selle seaduse alusel. Valguse murdumist optilistes läätsedes kasutatakse sellistes instrumentides nagu mikroskoobid, teleskoobid ja binoklid. Ilma murdumisefekti olemasoluta oleks inimesel võimatu ümbritsevat maailma näha, sest klaaskeha ja silmalääts on bioloogilised läätsed, mis täidavad valgusvoo fokuseerimise funktsiooni tundlikul asuvasse punkti. silma võrkkesta. Lisaks leiab valguskiudude puhul rakendust täieliku sisepeegelduse seadus.

• Langemisnurkα on langeva valguskiire ja kahe keskkonna vahelise liidese vahelise risti vaheline nurk, mis on taastatud langemispunktis (joonis 1).

• Peegeldusnurkβ on langemispunktis taastatud nurk peegeldunud valguskiire ja peegelduva pinnaga risti oleva valguskiire vahel (vt joonis 1).

• Murdumisnurkγ on nurk murdunud valguskiire ja kahe keskkonna vahelise liidesega risti oleva nurga vahel, mis on taastatud langemispunktis (vt joonis 1).

• Tala all mõista joont, mida mööda elektromagnetlaine energia kandub. Leppigem kokku optiliste kiirte kujutamises graafiliselt, kasutades nooltega geomeetrilisi kiiri. Geomeetrilises optikas ei võeta arvesse valguse lainelist olemust (vt joonis 1).

• Ühest punktist lähtuvaid kiiri nimetatakse lahknev ja need, kes kogunevad ühel hetkel - koonduv. Lahknevate kiirte näide on kaugete tähtede vaadeldav valgus ja koonduvate kiirte näide erinevatest objektidest meie silma pupilli sisenevate kiirte kombinatsioon.

Valguskiirte omaduste uurimisel pandi eksperimentaalselt paika neli geomeetrilise optika põhiseadust:

• valguse sirgjoonelise levimise seadus;
• valguskiirte sõltumatuse seadus;
• valguskiirte peegelduse seadus;
• valguskiirte murdumise seadus.

Valguse murdumine

Mõõtmised on näidanud, et valguse kiirus aines υ on alati väiksem kui valguse kiirus vaakumis c.

• Valguse kiiruse suhe vaakumis c selle kiirusele antud keskkonnas nimetatakse υ absoluutne murdumisnäitaja:

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

Fraas " söötme absoluutne murdumisnäitaja" sageli asendatakse " söötme murdumisnäitaja».

Vaatleme kiirte langemist tasasel liidesel kahe läbipaistva murdumisnäitaja vahel n 1 ja n 2 teatud nurga α all (joon. 2).

• Nimetatakse valguskiire levimissuuna muutumist kahe kandja vahelise liidese läbimisel valguse murdumine.

Murdumise seadused:

• langemisnurga α siinuse ja murdumisnurga γ siinuse suhe on kahe antud keskkonna konstantne väärtus

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

• langevad ja murdunud kiired asuvad samal tasapinnal, kus kiir langemispunktis on tõmmatud risti kahe keskkonna vahelise liidese tasapinnaga.

Refraktsiooni jaoks viiakse see läbi valguskiirte pöörduvuse põhimõte:

• valguskiir, mis levib piki murdunud kiire rada, murdub punktis O kandjate vahelises liideses levib edasi mööda langeva kiire teekonda.

Murdumise seadusest järeldub, et kui teine ​​keskkond on läbi esimese keskkonna optiliselt tihedam,

• need. n 2 > n 1, siis α > γ \(\left(\frac(n_2)(n_1) > 1, \;\;\; \frac(sin \alpha )(sin \gamma ) > 1 \right)\) (joon. 3, a);
• Kui n 2 < n 1, siis α< γ (рис. 3, б).

Esimest korda mainitakse valguse murdumist vees ja klaasis Claudius Ptolemaiose teoses “Optika”, mis avaldati 2. sajandil pKr. Valguse murdumise seaduse kehtestas katseliselt 1620. aastal Hollandi teadlane Willebrod Snellius. Pange tähele, et Snellist sõltumatult avastas murdumisseaduse ka Rene Descartes.

Valguse murdumise seadus võimaldab meil arvutada kiirte teekonda erinevates optilistes süsteemides.

Kahe läbipaistva kandja vahelisel liidesel täheldatakse laine peegeldust tavaliselt samaaegselt murdumisega. Vastavalt energia jäävuse seadusele on peegeldunud energiate summa W o ja murdunud W lainete np võrdub langeva laine energiaga W n:

W n = W np + W o.

Täielik peegeldus

Nagu eespool mainitud, kui valgus liigub optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedasse keskkonda ( n 1 > n 2) muutub murdumisnurk γ suuremaks kui langemisnurk α (vt joonis 3, b).

Kui langemisnurk α suureneb (joonis 4), muutub teatud väärtuse α 3 korral murdumisnurk γ = 90°, st valgus ei pääse teise keskkonda. Nurkade korral, mis on suuremad kui α 3, peegeldub valgus ainult. Murdunud laineenergia Wnp sel juhul võrdub see nulliga ja peegeldunud laine energia võrdub langeva laine energiaga: W n = W o. Järelikult, alates sellest langemisnurgast α 3 (edaspidi tähistatakse α 0), peegeldub kogu valgusenergia nende kandjate vaheliselt liideselt.

Seda nähtust nimetatakse täielikuks peegelduseks (vt joonis 4).

• Nurka α 0, mille juures algab täielik peegeldus, nimetatakse täieliku peegelduse piirav nurk.

Nurga α 0 väärtus määratakse murdumisseaduse järgi tingimusel, et murdumisnurk γ = 90°:

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

Kirjandus

Zhilko, V.V. Füüsika: õpik. 11. klassi üldhariduse käsiraamat. kool vene keelest keel koolitus / V.V., L.G. Markovich. - Minsk: Nar. Asveta, 2009. - lk 91-96.

 4.1. Geomeetrilise optika põhimõisted ja seadused

 Valguse murdumise seadused. Murdumisnäitaja.
 Esimene murdumisseadus:
langev kiir, murdunud kiir ja liidese langemispunktis rekonstrueeritud rist asetsevad samal tasapinnal (vt joonis 9).


 Teine murdumise seadus:
langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on kahe antud keskkonna jaoks konstantne väärtus ja seda nimetatakse teise keskkonna suhteliseks murdumisnäitajaks esimese suhtes.

  Suhteline murdumisnäitaja näitab, mitu korda erineb valguse kiirus esimeses keskkonnas valguse kiirusest teises keskkonnas:

 Täielik peegeldus.
Kui valgus liigub optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähemtihedasse, siis tingimuse α > α 0 täitmisel, kus α 0 on täieliku peegelduse piirnurk, ei satu valgus teise keskkonda üldse. See kajastub täielikult liidesest ja jääb esimesse meediumisse. Sel juhul annab valguse peegelduse seadus järgmise seose:

 4.2. Laineoptika põhimõisted ja seadused

Valguse murdumise nähtus.

Kui valguskiir langeb pinnale, mis eraldab kaks erineva optilise tihedusega läbipaistvat keskkonda, näiteks õhku ja vett, siis osa valgusest peegeldub sellelt pinnalt ja teine ​​osa tungib teise keskkonda. Ühest keskkonnast teise üleminekul muudab valguskiir suunda nende keskkonna piiridel. Seda nähtust nimetatakse valguse murdumiseks.

Vaatame lähemalt valguse murdumist. Joonisel n on kujutatud: langev kiir JSC, murdunud kiir OB ja risti CD, löögikohast taastunud KOHTA kahte erinevat keskkonda eraldavale pinnale. Nurk AOC- langemisnurk, nurk DOB- murdumisnurk. Murdumisnurk DOB väiksem kui langemisnurk AOC.

Valguskiir juuresüleminek õhust vette muudab suunda, lähenedes risti CD. Vesi on keskmisest optiliselt tihedam kui õhk. Kui vesi asendada mõne muu läbipaistva keskkonnaga, mis on optiliselt õhust tihedam, läheneb murdunud kiir samuti risti. Seetõttu võime öelda: kui valgus tuleb optiliselt vähemtihedast keskkonnast tihedamasse keskkonda, siis on murdumisnurk alati väiksem kui langemisnurk.

Katsed näitavad, et sama langemisnurga korral on murdumisnurk väiksem, mida optiliselt tihedam on keskkond, millesse kiir tungib.
Kui peegel asetada murdunud kiire teele kiirtega risti, siis peegeldub valgus peeglist ja tuleb langeva kiire suunas veest õhku. Järelikult on langevad ja murdunud kiired pöörduvad samamoodi nagu langevad ja peegeldunud kiired pöörduvad.
Kui valgus tuleb optiliselt tihedamast keskkonnast vähem tihedasse keskkonda, siis on kiire murdumisnurk suurem kui langemisnurk.

Teeme kodus väikese katse. m kodus väike katse. olen Kui paned pliiatsi veeklaasi, tundub see katkine. E seda saab seletada vaid sellega, et pliiatsist tulevad valguskiired on vees erineva suunaga kui õhus, st valguse murdumine toimub õhu ja vee piiril. Kui valgus liigub ühest keskkonnast teise, peegeldub osa sellele langevast valgusest liidesel. Ülejäänud valgus tungib uude keskkonda. Kui valgus langeb liidese suhtes muu nurga all kui sirge, muudab valguskiir liidesest oma suunda.
Seda nimetatakse valguse murdumise nähtuseks. Valguse murdumise nähtust täheldatakse kahe läbipaistva keskkonna piiril ja see on seletatav valguse erineva levimiskiirusega erinevates keskkondades. Vaakumis on valguse kiirus ligikaudu 300 000 km/s, kõigis teistes

Koos jah, see on väiksem.

Alloleval pildil on õhust vette liikuv kiir. Nurka nimetatakse kiire langemisnurk, A - murdumisnurk. Pange tähele, et vees läheneb valgusvihk normaalsele. See juhtub alati, kui kiir tabab keskkonda, kus valguse kiirus on aeglasem. Kui valgus levib ühest keskkonnast teise, kus valguse kiirus on suurem, siis see kaldub normaalsest kõrvale.

Murdumine on vastutav mitmete tuntud optiliste illusioonide eest. Näiteks kaldal vaatlejale tundub, et vöökohani vette sattunud inimesel on jalad lühemad.

Valguse murdumise seadused.

Kõigest öeldust järeldame:
1 . Kahe erineva optilise tihedusega meediumi vahelisel liidesel muudab valguskiir ühest keskkonnast teise üleminekul oma suunda.
2. Kui valguskiir läheb keskkonda suuremaoptilise tiheduse murdumisnurkväiksem langemisnurk; kui valguskiir mööduboptiliselt tihedamast keskkonnast vähem tihedale keskkonnaletihe murdumisnurk on suurem kui langemisnurknia.
Valguse murdumisega kaasneb peegeldus ja langemisnurga suurenemisega peegeldunud kiire heledus suureneb ja murdunud kiir nõrgeneb. Seda saab katsetades näha näidatud joonisel. KOOS Seetõttu kannab peegeldunud kiir ära rohkem valgusenergiat, seda suurem on langemisnurk.

Lase MN- liides kahe läbipaistva kandja, näiteks õhu ja vee, vahel, JSC- langev kiir, OB- murdunud kiir, - langemisnurk, - murdumisnurk, - valguse levimise kiirus esimeses keskkonnas, - valguse levimise kiirus teises keskkonnas.

Esimene murdumisseadus kõlab järgmiselt: langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on nende kahe keskkonna konstantne väärtus:

, kus on suhteline murdumisnäitaja (teise keskkonna murdumisnäitaja esimese suhtes).

Valguse murdumise teine ​​seadus on väga sarnane valguse peegelduse teise seadusega:

langev kiir, murdunud kiir ja kiirte langemispunktiga tõmmatud rist asetsevad samal tasapinnal.

Absoluutne murdumisnäitaja.

Valguse kiirus õhus on peaaegu sama, mis valguse kiirus vaakumis: m/s-ga.

Kui valgus siseneb vaakumist mõnda keskkonda, siis

kus n on absoluutne murdumisnäitaja sellest keskkonnast. Kahe kandja suhteline murdumisnäitaja on seotud nende kandjate absoluutsete murdumisnäitajatega, kus ja on vastavalt esimese ja teise kandja absoluutsed murdumisnäitajad.

Valguse absoluutsed murdumisnäitajad:

Aine

Teemant 2.42. Kvarts 1,54. Õhk (tavalistes tingimustes) 1,00029. Etüülalkohol 1,36. Vesi 1.33. Jää 1.31. Tärpentin 1,47. Sulatatud kvarts 1,46. 1,52 CZK. Kerge tulekivi 1,58. Naatriumkloriid (sool) 1,53.

(Nagu me hiljem näeme, murdumisnäitaja n varieerub mõnevõrra sõltuvalt valguse lainepikkusest - see säilitab konstantse väärtuse ainult vaakumis. Seetõttu vastavad tabelis toodud andmed kollasele valgusele lainepikkusega .)

Näiteks, kuna teemandi puhul liigub valgus teemandis kiirusega

Söötme optiline tihedus.

Kui esimese keskkonna absoluutne murdumisnäitaja on väiksem kui teise keskkonna absoluutne murdumisnäitaja, siis on esimese keskkonna optiline tihedus väiksem kui teisel ja > . Söötme optilist tihedust ei tohiks segi ajada aine tihedusega.

Valguse läbimine tasapinnalise paralleelse plaadi ja prisma kaudu.

Valguse läbimine läbi erineva kujuga läbipaistvate kehade on väga praktilise tähtsusega. Vaatleme lihtsamaid juhtumeid.
Suuname valgusvihu läbi paksu tasapinnalise paralleelse plaadi (plaadi, mida piiravad paralleelsed servad). Plaati läbides murdub valguskiir kaks korda: üks kord plaadile sisenedes, teine ​​kord plaadist õhku väljudes.

Plaati läbiv valguskiir jääb algse suunaga paralleelseks ja nihkub vaid veidi. See nihe on seda suurem, mida paksem on plaat ja mida suurem on langemisnurk. Nihke suurus sõltub ka materjalist, millest plaat on valmistatud.
Tasapinnalise paralleelse plaadi näide on aknaklaas. Aga esemeid läbi klaasi vaadates ei märka me muutusi nende asukohas ja kujus, kuna klaas on õhuke; mööduvad valguskiired aknaklaas liigub kergelt.
Kui vaatate objekti läbi prisma, näib objekt olevat nihkunud. Objektilt tulev valguskiir langeb mingis punktis prismale A, murdub ja läheb prisma sees suunas AB Jõudnud prisma teise tahuni. valguskiir murdub veel kord, kaldudes prisma aluse poole. Seetõttu näib kiir tulevat punktist. asub põhineb kiire BC jätkumisel, st objekt näib olevat nihkunud prisma murdumispindade poolt moodustatud nurga tippu.

Täielik valguse peegeldus.

Kaunis vaatemäng on purskkaev, mille väljapaiskuvad joad on seestpoolt valgustatud. (Seda saab normaalsetes tingimustes kujutada, tehes järgmise katse nr 1). Selgitame seda nähtust veidi allpool.

Kui valgus liigub optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedasse keskkonda, täheldatakse valguse täieliku peegelduse nähtust. Murdumise nurk on sel juhul suurem kui langemisnurk (joon. 141). Kui allikast lähtuvate valguskiirte langemisnurk suureneb S kahe meediumi vahelise liidese juurde MN saabub hetk, mil kiir murdub läheb mööda kahe meediumi vahelist liidest, st = 90°.

Langemisnurka, mis vastab murdumisnurgale = 90°, nimetatakse täieliku peegelduse piirnurgaks.

Kui see nurk on ületatud, siis kiired esimesest keskkonnast üldse ei lahku, jälgitakse vaid valguse peegeldumist kahe kandja liidesest.

Esimesest murdumise seadusest:

Sellest ajast.

Kui teine ​​keskkond on õhk (vaakum), siis kus n - selle keskkonna absoluutne murdumisnäitaja, millest kiired tulevad.

Teie katses täheldatud nähtuse seletus on üsna lihtne. Valguskiir liigub mööda veejoa ja tabab kõverat pinda piiravast nurgast suurema nurga all, kogeb täielikku sisemist peegeldust ja tabab siis uuesti voolu vastaskülge nurga all, mis on jälle suurem kui piirav nurk. Nii et kiir liigub mööda joa, paindudes koos sellega.

Aga kui valgus peegelduks täielikult joa sees, siis ei oleks see väljast näha. Osa valgusest hajub vee, õhumullide ja selles sisalduvate erinevate lisandite tõttu, samuti joa ebaühtlase pinna tõttu, nii et see on väljastpoolt nähtav.

Valgusega seotud protsessid on füüsika oluline komponent ja ümbritsevad meid kõikjal meie igapäevaelus. Olulisemad selles olukorras on valguse peegelduse ja murdumise seadused, millel põhineb kaasaegne optika. Valguse murdumine on kaasaegse teaduse oluline osa.

Moonutuse efekt

See artikkel räägib teile, mis on valguse murdumise nähtus, kuidas näeb välja murdumisseadus ja mis sellest tuleneb.

Füüsikalise nähtuse põhitõed

Kui kiir langeb pinnale, mis on eraldatud kahe erineva optilise tihedusega läbipaistva ainega (näiteks erinevad klaasid või vees), siis osa kiirtest peegeldub ja osa tungib teise struktuuri (näiteks nad levivad vees või klaasis). Ühest keskkonnast teise liikudes muudab kiir tavaliselt oma suunda. See on valguse murdumise nähtus.
Valguse peegeldumine ja murdumine on eriti nähtav vees.

Moonutav efekt vees

Vees olevaid asju vaadates tunduvad need moonutatud. See on eriti märgatav õhu ja vee piiril. Visuaalselt paistavad veealused objektid veidi kõrvale kalduvat. Kirjeldatud füüsikaline nähtus on just põhjus, miks kõik objektid paistavad vees moonutatuna. Kui kiired klaasi tabavad, on see efekt vähem märgatav.
Valguse murdumine on füüsikaline nähtus, mida iseloomustab päikesekiire liikumissuuna muutumine hetkel, mil see liigub ühest keskkonnast (struktuurist) teise.
Sellest protsessist arusaamise parandamiseks vaadake näidet, kuidas kiir tabab vett õhust (sarnaselt klaasi puhul). Joonistades piki liidest risti asetsevat joont, saab mõõta valguskiire murdumisnurka ja tagasipöördumist. See indeks (murdumisnurk) muutub, kui vool tungib vette (klaasi sees).
Märge! Selle parameetri all mõistetakse nurka, mille moodustab kahe aine eraldamise suhtes tõmmatud risti, kui kiir tungib esimesest konstruktsioonist teise.

Tala läbipääs

Sama näitaja on tüüpiline ka teistele keskkondadele. On kindlaks tehtud, et see näitaja sõltub aine tihedusest. Kui tala langeb vähem tihedalt struktuurilt tihedamale, on tekitatud moonutusnurk suurem. Ja kui see on vastupidi, siis on see vähem.
Samas mõjutab seda näitajat ka languse kalde muutus. Kuid nendevaheline suhe ei jää püsivaks. Samal ajal jääb nende siinuste suhe konstantseks väärtuseks, mis kajastub järgmises valemis: sinα / sinγ = n, kus:

• n on konstantne väärtus, mida kirjeldatakse iga konkreetse aine (õhk, klaas, vesi jne) kohta. Seetõttu saab selle väärtuse kindlaks määrata spetsiaalsete tabelite abil;
• α – langemisnurk;
• γ – murdumisnurk.

Selle füüsikalise nähtuse määramiseks loodi murdumisseadus.

Füüsiline seadus

Valgusvoogude murdumisseadus võimaldab määrata läbipaistvate ainete omadusi. Seadus ise koosneb kahest sättest:

• Esimene osa. Tala (intsident, modifitseeritud) ja rist, mis taastati langemispunktis näiteks õhu ja vee (klaasi jne) piiril, asuvad samas tasapinnas;
• Teine osa. Piiri ületamisel tekkiva langemisnurga siinuse ja sama nurga siinuse suhe on konstantne väärtus.

Seaduse kirjeldus

Sel juhul ilmneb hetkel, kui kiir väljub teisest konstruktsioonist esimesse (näiteks kui valgusvoog läheb õhust, läbi klaasi ja tagasi õhku), tekib ka moonutusefekt.

Oluline parameeter erinevate objektide jaoks

Peamine näitaja selles olukorras on langemisnurga siinuse suhe sarnasesse parameetrisse, kuid moonutuste jaoks. Nagu ülalkirjeldatud seadusest tuleneb, on see näitaja konstantne väärtus.
Pealegi, kui languskalde väärtus muutub, on sama olukord tüüpiline sarnase näitaja puhul. See parameeter on väga oluline, kuna see on läbipaistvate ainete lahutamatu omadus.

Erinevate objektide indikaatorid

Tänu sellele parameetrile saate üsna tõhusalt eristada klaasitüüpe, aga ka erinevaid vääriskive. See on oluline ka valguse kiiruse määramiseks erinevates keskkondades.

Märge! Suurim valgusvoo kiirus on vaakumis.

Ühelt ainelt teisele liikudes selle kiirus väheneb. Näiteks teemandis, millel on kõrgeim murdumisnäitaja, on footonite levimiskiirus 2,42 korda suurem kui õhul. Vees levivad nad 1,33 korda aeglasemalt. Erinevat tüüpi klaaside puhul on see parameeter vahemikus 1,4 kuni 2,2.

Märge! Mõne klaasi murdumisnäitaja on 2,2, mis on väga lähedane teemandile (2,4). Seetõttu pole alati võimalik klaasitükki ehtsast teemandist eristada.

Ainete optiline tihedus

Valgus võib tungida läbi erinevate ainete, mida iseloomustavad erinevad optilised tihedused. Nagu me varem ütlesime, saate selle seaduse abil määrata keskkonnale (struktuurile) iseloomuliku tiheduse. Mida tihedam see on, seda aeglasemalt levib valgus sellest läbi. Näiteks klaas või vesi on optiliselt tihedam kui õhk.
Lisaks sellele, et see parameeter on konstantne väärtus, peegeldab see ka kahe aine valguse kiiruse suhet. Füüsilist tähendust saab kuvada järgmise valemiga:

See indikaator näitab, kuidas footonite levimiskiirus muutub ühelt ainelt teisele liikumisel.

Teine oluline näitaja

Kui valgusvoog liigub läbi läbipaistvate objektide, on selle polarisatsioon võimalik. Seda täheldatakse valgusvoo läbimisel dielektrilisest isotroopsest keskkonnast. Polarisatsioon tekib siis, kui footonid läbivad klaasi.

Polarisatsiooniefekt

Osalist polarisatsiooni täheldatakse siis, kui valgusvoo langemisnurk kahe dielektriku piiril erineb nullist. Polarisatsiooniaste sõltub sellest, millised olid langemisnurgad (Brewsteri seadus).

Täielik sisemine peegeldus

Lühiekskursiooni lõpetuseks tuleb sellist efekti siiski käsitleda kui täielikku sisemist peegeldust.

Täisekraani nähtus

Selle efekti ilmnemiseks on vaja suurendada valgusvoo langemisnurka selle ülemineku hetkel tihedamast keskkonnast vähem tihedale keskkonnale ainete vahelisel liidesel. Olukorras, kus see parameeter ületab teatud piirväärtuse, peegelduvad selle lõigu piirile sattunud footonid täielikult. Tegelikult on see meie soovitud nähtus. Ilma selleta oli fiiberoptika valmistamine võimatu.

Järeldus

Valgusvoo käitumise praktiline rakendamine on andnud palju, luues mitmesuguseid tehnilisi seadmeid meie elu parandamiseks. Samal ajal ei ole valgus inimkonnale veel kõiki oma võimalusi paljastanud ja selle praktiline potentsiaal pole veel täielikult realiseerunud.

Kuidas oma kätega paberist lampi teha
Kuidas kontrollida LED-riba jõudlust