З'ява праламлення святла - гэта ... Закон праламлення святла

З'ява праламлення святла - гэта фізічная з'ява, якое адбываецца кожны раз, калі хваля перамяшчаецца з аднаго матэрыялу ў іншай, у якім яе хуткасць распаўсюджвання змяняецца. Візуальна яно выяўляецца ў тым, што змяняецца напрамак распаўсюджвання хвалі.

Фізіка: праламленне святла

Калі які падае прамень трапляе на падзел паміж двума асяроддзямі пад вуглом 90 °, то нічога не адбываецца, ён працягвае свой рух у тым жа кірунку пад прамым вуглом да мяжы падзелу. Калі кут падзення прамяня адрозніваецца ад 90 °, адбываецца з'ява праламлення святла. Гэта, напрыклад, вырабляе такія дзіўныя эфекты, як ўяўны залом аб'екта, часткова пагружанага ў ваду або міражы, назіраныя ў гарачай пясчанай пустыні.

Гісторыя адкрыцця

У першым стагоддзі н. э. старажытнагрэцкі географ і астраном Пталямей паспрабаваў матэматычна растлумачыць велічыню рэфракцыі, але прапанаваны ім закон пазней апынуўся ненадзейным. У XVII ст. галандскі матэматык Виллеброрд Снелл распрацаваў закон, які вызначаў велічыню, звязаную з стаўленнем падальнага і пераломленага кутоў, якая ў далейшым была названая паказчыкам рэфракцыі рэчывы. Па сутнасці, чым больш рэчыва здольна пераламляць святло, тым больш гэты паказчык. Аловак у вадзе «зламаны», таму што прамяні, якія ідуць ад яго, змяняюць свой шлях на мяжы падзелу паветра-вада перш, чым дасягаюць вачэй. На расчараванне Снелла, яму так і не ўдалося выявіць прычыну гэтага эфекту.

У 1678 годзе яшчэ адзін галандскі навуковец Хрысціян Гюйгенс распрацаваў матэматычную залежнасць, якая тлумачыць назірання Снеллиуса і выказаў меркаванне, што з'ява праламлення святла - гэта вынік рознай хуткасці, з якой прамень праходзіць праз дзве асяроддзя. Гюйгенс вызначыў, што стаўленне кутоў праходжання святла праз два матэрыялы з рознымі паказчыкамі рэфракцыі павінна быць роўным адносінах яго хуткасцяў у кожным матэрыяле. Такім чынам, ён пастуляваць, што праз асяроддзя, якiя маюць большы каэфіцыент праламлення, святло рухаецца павольней. Інакш кажучы, хуткасць святла праз матэрыял зваротна прапарцыйная яго паказчыку пераламлення. Хоць пасля закон быў эксперыментальна пацверджаны, для многіх даследчыкаў таго часу гэта не было відавочным, т. К. Адсутнічалі надзейныя сродкі вымярэння хуткасці святла. Навукоўцам здавалася, што яго хуткасць не залежыць ад матэрыялу. Толькі праз 150 гадоў пасля смерці Гюйгенса хуткасць святла была вымераная з дастатковай дакладнасцю, даказвае яго правату.

Абсалютны паказчык рэфракцыі

Абсалютны паказчык праламлення n празрыстага рэчывы або матэрыялу вызначаецца як адносная хуткасць, пры якой святло праходзіць праз яго адносна хуткасці ў вакууме: n = c / v, дзе з - хуткасць святла ў вакууме, а v - у матэрыяле.

Відавочна, што праламленне святла ў вакууме, пазбаўленым любога рэчыва, адсутнічае, і ў ім абсалютны паказчык роўны 1. Для іншых празрыстых матэрыялаў гэта значэнне больш 1. Для разліку паказчыкаў невядомых матэрыялаў можа выкарыстоўвацца праламленне святла ў паветры (1,0003).

законы Снеллиуса

Ўвядзем некаторыя вызначэння:

• які падае прамень - прамень, які набліжаецца да падзелу асяроддзяў;
• кропка падзення - кропка падзелу, у якую ён трапляе;
• праламлення прамень пакідае падзел асяроддзяў;
• нармаль - лінія, праведзеная перпендыкулярна да падзелу ў кропцы падзення;
• кут падзення - кут паміж нармаллю і падальным прамянём;
• вызначыць кут праламлення святла можна як кут паміж праламлення промнем і нармаллю.

Паводле законаў рэфракцыі:

1. Які падае, праламленне прамень і нармаль знаходзяцца ў адной плоскасці.
2. Стаўленне сінусам кутоў падзення і рэфракцыі роўна стаўленню каэфіцыентаў рэфракцыі другой і першай асяроддзя: sin i / sin r = _n r / _n i.

Закон праламлення святла (Снеллиуса) апісвае ўзаемасувязь паміж кутамі двух хваль і паказчыкамі рэфракцыі двух асяроддзяў. Калі хваля пераходзіць з менш рефракционной асяроддзя (напрыклад, паветра) у больш пераламляюцца (напрыклад, ваду), яе хуткасць падае. Наадварот, калі святло пераходзіць з вады ў паветра, хуткасць павялічваецца. Кут падзення ў першай асяроддзі ў адносінах да нармалі і кут рэфракцыі ў другой будуць адрознівацца прапарцыйна розніцы ў паказчыках праламлення паміж гэтымі двума рэчывамі. Калі хваля пераходзіць з асяроддзя з нізкім каэфіцыентам ў сераду з больш высокім, то яна выгінаецца ў кірунку да нармалі. А калі наадварот, то яна выдаляецца.

Адносны паказчык рэфракцыі

Закон праламлення святла паказвае, што стаўленне сінусам падальнага і пераломленага кутоў роўна канстанта, якая ўяўляе сабой стаўленне хуткасцяў святла ў абедзвюх асяроддзях.

sin i / sin r = _n r / _n i = (c / _v r) / (c / _v i) = _v i / _v r

Стаўленне _n r / _n i называецца адносным каэфіцыентам праламлення для дадзеных рэчываў.

Шэраг з'яў, якія з'яўляюцца вынікам рэфракцыі, часта назіраюцца ў паўсядзённым жыцці. Эфект «зламанага» алоўка - адно з самых распаўсюджаных. Вочы і мозг ідуць за прамянямі назад у ваду, як быццам яны не пераламляюцца, а прыходзяць ад аб'екта па прамой лініі, ствараючы віртуальны вобраз, які з'яўляецца на меншай глыбіні.

дысперсія

Дбайныя вымярэння паказваюць, што на праламленне святла даўжыня хвалі выпраменьвання або яго колер аказваюць вялікі ўплыў. Іншымі словамі, рэчыва мае шмат паказчыкаў праламлення, якія могуць адрознівацца пры змене колеру або даўжыні хвалі.

Такое змяненне мае месца ва ўсіх празрыстых асяроддзях і носіць назву дысперсіі. Ступень дысперсіі канкрэтнага матэрыялу залежыць ад таго, наколькі паказчык рэфракцыі змяняецца з даўжынёй хвалі. З ростам даўжыні хвалі становіцца менш выяўленым з'ява праламлення святла. Гэта пацвярджаецца тым, што фіялетавы рефрагирует больш чырвонага, так як яго даўжыня хвалі карацей. Дзякуючы дысперсіі ў звычайным шкле адбываецца вядомае расшчапленне святла на яго складнікі.

разлажэнне святла

У канцы XVII стагоддзя сэр Ісаак Ньютан правёў серыю эксперыментаў, якія прывялі да яго адкрыцця бачнага спектру, і паказаў, што белы свет складаецца з спарадкаванага масіва кветак, пачынаючы ад фіялетавага праз сіні, зялёны, жоўты, аранжавы і заканчваючы чырвоным. Працуючы ў цёмным пакоі, Ньютан змяшчаў шкляны прызму ў вузкі прамень, якое пранікала праз адтуліну ў аконных аканіцах. Пры праходжанні праз прызму адбывалася праламленне святла - шкло праецыраваць яго на экран у выглядзе спарадкаванага спектру.

Ньютан прыйшоў да высновы аб тым, што белы свет складаецца з сумесі розных колераў, а таксама, што прызма «раскідвае» белае святло, ламаючы кожны колер пад іншым вуглом. Ньютан не змог падзяліць колеру, прапускаючы іх праз другую прызму. Але калі ён паставіў другую прызму вельмі блізка да першай такім чынам, што ўсе диспергированные колеру ўвайшлі ў другую прызму, навуковец усталяваў, што колеры рекомбинируют, зноў утвараючы белы свет. Гэты адкрыццё пераканаўча даказала спектральны склад святла, які можа быць лёгка падзелены і злучаны.

З'ява дысперсіі гуляе ключавую ролю ў вялікім ліку разнастайных з'яў. Вясёлка ўзнікае ў выніку праламлення святла ў кроплях дажджу, вырабляючы ўражлівае відовішча спектральнага раскладання, падобнае таму, якое адбываецца ў прызме.

Крытычны кут і поўнае ўнутранае адлюстраванне

Пры праходжанні праз сераду з больш высокім паказьнікам рэфракцыі ў сераду з больш нізкім шлях руху хваль вызначаецца вуглом падзення адносна падзелу двух матэрыялаў. Калі кут падзення перавышае вызначанае значэнне (залежыць ад паказчыка рэфракцыі двух матэрыялаў), ён дасягае пункту, калі святло праламляецца ў сераду з больш нізкім паказчыкам.

Крытычны (або гранічны) кут вызначаецца як кут падзення, выніковы ў кут рэфракцыі, роўны 90 °. Іншымі словамі, пакуль кут падзення менш крытычнага, рэфракцыі адбываецца, а калі ён роўны яму, то праламлення прамень праходзіць уздоўж месцы падзелу двух матэрыялаў. Калі кут падзення перавышае крытычны, то святло адлюстроўваецца назад. З'ява гэта носіць назву поўнага ўнутранага адлюстравання. Прыклады яго выкарыстання - алмазы і аптычныя валакна. Агранка алмаза спрыяе поўнага ўнутранага адлюстравання. Большасць прамянёў, якія ўваходзяць скрозь верхнюю частку брыльянта, будзе адлюстроўвацца, пакуль яны не дасягнуць верхняй паверхні. Менавіта гэта дае дыяментамі іх яркі бляск. Аптычнае валакно ўяўляе сабой шкляныя «валасы», настолькі тонкія, што калі святло ўваходзіць у адзін канец, ён не можа выйсці вонкі. І толькі калі прамень дасягне другога канца, ён зможа пакінуць валакно.

Разумець і кіраваць

Аптычныя прыборы, пачынаючы ад мікраскопаў і тэлескопаў да фотакамер, відэапраектараў, і нават чалавечае вока належаць на той факт, што святло можа быць сфакусаваны, Пераламляючыся і адлюстраваны.

Рэфракцыі вырабляе шырокі спектр з'яў, у тым ліку міражы, вясёлкі, аптычныя ілюзіі. З-за праламлення таўстасценных гуртка піва здаецца больш поўнай, а сонца садзіцца на некалькі хвілін пазней, чым на самай справе. Мільёны людзей выкарыстоўваюць сілу рэфракцыі, каб выправіць дэфекты гледжання з дапамогай ачкоў і кантактных лінзаў. Дзякуючы разуменню гэтых уласцівасцяў святла і кіраванні імі, мы можам убачыць дэталі, нябачныя няўзброеным вокам, незалежна ад таго, ці знаходзяцца яны на прадметным шкле мікраскопа або ў далёкай галактыцы.