Billet 75.
Loven om lysreflektion: de indfaldende og reflekterede stråler, såvel som vinkelret på grænsefladen mellem de to medier, rekonstrueret ved strålens indfaldspunkt, ligger i samme plan (indfaldsplan). Refleksionsvinklen γ er lig med indfaldsvinklen α.
Loven om lysbrydning: de indfaldende og brudte stråler, såvel som vinkelret på grænsefladen mellem de to medier, rekonstrueret ved indfaldspunktet for strålen, ligger i samme plan. Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen α og sinus for brydningsvinklen β er en konstant værdi for to givne medier:
Lovene for refleksion og brydning er forklaret i bølgefysik. Ifølge bølgekoncepter er brydning en konsekvens af ændringer i bølgernes udbredelseshastighed, når de passerer fra et medium til et andet. Fysisk betydning af brydningsindekset er forholdet mellem udbredelseshastigheden af bølger i det første medium υ 1 og hastigheden af deres udbredelse i det andet medium υ 2:
Figur 3.1.1 illustrerer lovene for lysets refleksion og brydning.
Et medium med et lavere absolut brydningsindeks kaldes optisk mindre tæt.
Når lys går fra et optisk tættere medium til et optisk mindre tæt medium n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать totalreflektionsfænomen, altså forsvinden af den brydte stråle. Dette fænomen observeres ved indfaldsvinkler, der overstiger en vis kritisk vinkel α pr, som kaldes begrænsende vinkel for total intern refleksion(se fig. 3.1.2).
For indfaldsvinklen α = α pr sin β = 1; værdi sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Hvis det andet medium er luft (n 2 ≈ 1), så er det praktisk at omskrive formlen i formen
Fænomenet total intern refleksion bruges i mange optiske enheder. Den mest interessante og praktisk vigtige anvendelse er skabelsen af optiske fibre, som er tynde (fra flere mikrometer til millimeter) vilkårligt buede tråde lavet af optisk gennemsigtigt materiale (glas, kvarts). Lys, der falder ind på enden af lyslederen, kan bevæge sig langs den over lange afstande på grund af total intern refleksion fra sidefladerne (figur 3.1.3). Den videnskabelige og tekniske retning, der er involveret i udviklingen og anvendelsen af optiske lysledere, kaldes fiberoptik.
Spredning af lys (nedbrydning af lys)- dette er et fænomen forårsaget af afhængigheden af et stofs absolutte brydningsindeks af lysets frekvens (eller bølgelængde) (frekvensspredning), eller, det samme, afhængigheden af lysets fasehastighed i et stof af bølgelængde (eller frekvens). Det blev opdaget eksperimentelt af Newton omkring 1672, selvom det teoretisk set er ret godt forklaret meget senere.
Rumlig spredning kaldes mediets dielektriske konstanttensor afhængighed af bølgevektoren. Denne afhængighed forårsager en række fænomener kaldet rumlige polarisationseffekter.
Et af de mest klare eksempler på spredning - nedbrydning af hvidt lys når man passerer gennem et prisme (Newtons eksperiment). Essensen af spredningsfænomenet er forskellen i udbredelseshastigheden af lysstråler med forskellige bølgelængder i et gennemsigtigt stof - et optisk medium (mens lysets hastighed altid er den samme i et vakuum, uanset bølgelængde og derfor farve). Typisk er det sådan, at jo højere frekvensen af en lysbølge er, jo højere er brydningsindekset for mediet for den og jo lavere er bølgens hastighed i mediet:
Newtons eksperimenter Eksperiment med nedbrydning af hvidt lys til et spektrum: Newton rettede en stråle af sollys gennem et lille hul på et glasprisme. Når man ramte prismet, blev strålen brudt og på den modsatte væg gav et aflangt billede med en regnbueveksling af farver - et spektrum. Eksperimenter med passagen af monokromatisk lys gennem et prisme: Newton placerede rødt glas i en solstråles vej, bag hvilket han modtog monokromatisk lys (rødt), derefter et prisme og observerede på skærmen kun en rød plet fra lysstrålen. Erfaring med syntese (produktion) af hvidt lys: Først rettede Newton en stråle af sollys mod et prisme. Efter at have indsamlet de farvede stråler, der dukkede op fra prismet, ved hjælp af en samlelinse, modtog Newton et hvidt billede af et hul på en hvid væg i stedet for en farvet stribe. Newtons konklusioner:- et prisme ændrer ikke lys, men nedbryder det kun i dets komponenter - lysstråler, der er forskellige i farve, er forskellige i brydningsgraden; Violette stråler brydes stærkest, røde mindre kraftigt - rødt lys, der brydes mindre, har den højeste hastighed, og violet har mindst, hvorfor prismet nedbryder lyset. Afhængigheden af lysets brydningsindeks af dets farve kaldes dispersion.
Konklusioner:- et prisme nedbryder lys - hvidt lys er komplekst (sammensat) - violette stråler brydes stærkere end røde. Farven på en lysstråle bestemmes af dens vibrationsfrekvens. Når man bevæger sig fra et medie til et andet, ændres lysets hastighed og bølgelængde, men frekvensen, der bestemmer farven, forbliver konstant. Grænserne for hvidt lys og dets komponenter er normalt karakteriseret ved deres bølgelængder i vakuum. Hvidt lys er en samling af bølger med længder fra 380 til 760 nm.
Billet 77.
Absorption af lys. Bouguers lov
Absorptionen af lys i et stof er forbundet med omdannelsen af energien fra bølgens elektromagnetiske felt til stoffets termiske energi (eller til energien fra sekundær fotoluminescerende stråling). Loven om lysabsorption (Bouguers lov) har formen:
jeg=jeg 0 exp(- x),(1)
Hvor jeg 0 , jeg-lysintensitet ved indgangen (x=0) og efterlader laget af medium tykkelse X, - absorptionskoefficient, det afhænger af .
Til dielektrikum =10 -1 10 -5 m -1 , for metaller =10 5 10 7 m -1 , Derfor er metaller uigennemsigtige for lys.
Afhængighed ( ) forklarer farven på absorberende kroppe. For eksempel vil glas, der absorberer rødt lys dårligt, se rødt ud, når det belyses med hvidt lys.
Spredning af lys. Rayleighs lov
Diffraktion af lys kan forekomme i et optisk inhomogent medium, for eksempel i et grumset miljø (røg, tåge, støvet luft osv.). Ved at diffraktere på mediets inhomogeniteter skaber lysbølger et diffraktionsmønster karakteriseret ved en ret ensartet fordeling af intensitet i alle retninger.
Denne diffraktion ved små inhomogeniteter kaldes spredning af lys.
Dette fænomen observeres, når en smal stråle af sollys passerer gennem støvet luft, spreder sig på støvpartikler og bliver synlig.
Hvis størrelserne af inhomogeniteter er små sammenlignet med bølgelængden (ikke mere end 0,1 ), så viser intensiteten af det spredte lys sig at være omvendt proportional med bølgelængdens fjerde potens, dvs.
jeg diss ~ 1/ 4 , (2)
denne afhængighed kaldes Rayleighs lov.
Lysspredning observeres også i rene medier, der ikke indeholder fremmede partikler. For eksempel kan det forekomme ved udsving (tilfældige afvigelser) af tæthed, anisotropi eller koncentration. Denne form for spredning kaldes molekylær spredning. Det forklarer for eksempel himlens blå farve. Ifølge (2) er blå og blå stråler spredt stærkere end røde og gule, fordi har en kortere bølgelængde, og derved forårsager himlens blå farve.
Billet 78.
Polarisering af lys- et sæt bølgeoptiske fænomener, hvor den tværgående natur af elektromagnetiske lysbølger manifesteres. Tværgående bølge- mediets partikler svinger i retninger vinkelret på bølgens udbredelsesretning ( Fig.1).
Fig.1 Tværgående bølge
Elektromagnetisk lysbølge plan polariseret(lineær polarisering), hvis svingningsretningerne for vektorerne E og B er strengt faste og ligger i bestemte planer ( Fig.1). En plan polariseret lysbølge kaldes plan polariseret(lineært polariseret) lys. Upolariseret(naturlig) bølge - en elektromagnetisk lysbølge, hvor svingningsretningerne af vektorerne E og B i denne bølge kan ligge i et hvilket som helst plan vinkelret på hastighedsvektoren v. Upolariseret lys- lysbølger, hvor svingningsretningerne for vektorerne E og B ændrer sig kaotisk, således at alle svingningsretninger i planer vinkelret på bølgeudbredelsesstrålen er lige sandsynlige ( Fig.2).
Fig.2 Upolariseret lys
Polariserede bølger- hvor retningerne af vektorerne E og B forbliver uændrede i rummet eller ændres i henhold til en bestemt lov. Stråling, hvor retningen af vektor E ændres kaotisk - upolariseret. Et eksempel på sådan stråling er termisk stråling (kaotisk fordelte atomer og elektroner). Polariseringsplan- dette er et plan vinkelret på retningen af svingninger af vektoren E. Hovedmekanismen for forekomsten af polariseret stråling er spredning af stråling af elektroner, atomer, molekyler og støvpartikler.
1.2. Typer af polarisering Der er tre typer af polarisering. Lad os give dem definitioner. 1. Lineær Opstår, hvis den elektriske vektor E bevarer sin position i rummet. Det ser ud til at fremhæve det plan, hvor vektor E svinger. 2. Cirkulære Dette er polarisering, der opstår, når den elektriske vektor E roterer rundt i bølgeudbredelsesretningen med en vinkelhastighed svarende til bølgens vinkelfrekvens, mens dens absolutte værdi bevares. Denne polarisering karakteriserer rotationsretningen af vektoren E i et plan vinkelret på sigtelinjen. Et eksempel er cyklotronstråling (et system af elektroner, der roterer i et magnetfelt). 3. Ellipseformet Det opstår, når størrelsen af den elektriske vektor E ændres, så den beskriver en ellipse (rotation af vektoren E). Elliptisk og cirkulær polarisering kan være højrehåndet (vektor E roterer med uret, når man kigger mod udbredelsesbølgen) og venstrehåndet (vektor E roterer mod uret, når man kigger mod udbredelsesbølgen).
I virkeligheden forekommer det oftest delvis polarisering (delvist polariserede elektromagnetiske bølger). Kvantitativt er det karakteriseret ved en vis mængde kaldet grad af polarisering R, som er defineret som: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Hvor Imax,Immin- den højeste og laveste tæthed af elektromagnetisk energiflux gennem analysatoren (Polaroid, Nicolas prisme...). I praksis beskrives strålingspolarisering ofte ved Stokes-parametre (de bestemmer strålingsfluxer med en given polarisationsretning).
Billet 79.
Hvis naturligt lys falder på grænsefladen mellem to dielektrika (for eksempel luft og glas), så reflekteres en del af det, og en del af det brydes og spredes i det andet medium. Ved at installere en analysator (for eksempel turmalin) i banen for de reflekterede og brydte stråler sikrer vi, at de reflekterede og brydte stråler er delvist polariseret: når analysatoren roteres rundt om strålerne, øges og svækkes lysintensiteten periodisk ( fuldstændig quenching observeres ikke!). Yderligere undersøgelser viste, at i den reflekterede stråle dominerer vibrationer vinkelret på indfaldsplanet (de er angivet med prikker i fig. 275), mens i den brudte stråle dominerer vibrationer parallelt med indfaldsplanet (afbildet med pile).
Graden af polarisering (graden af adskillelse af lysbølger med en vis orientering af den elektriske (og magnetiske) vektor) afhænger af strålernes indfaldsvinkel og brydningsindekset. skotsk fysiker D. Brewster(1781-1868) installeret lov, ifølge hvilken ved indfaldsvinklen jeg B (Brewster-vinkel), bestemt af relationen
(n 21 - brydningsindeks for det andet medium i forhold til det første), den reflekterede stråle er planpolariseret(indeholder kun vibrationer vinkelret på indfaldsplanet) (Fig. 276). Den brudte stråle ved indfaldsvinklenjeg B polariseret til det maksimale, men ikke fuldstændigt.
Hvis lys rammer en grænseflade ved Brewster-vinklen, så de reflekterede og brudte stråler indbyrdes vinkelret(tg jeg B = synd jeg B/cos jeg B, n 21 = synd jeg B / synd jeg 2 (jeg 2 - brydningsvinkel), hvorfra cos jeg B = synd jeg 2). Derfor, jeg B + jeg 2 = /2, men jeg’ B= jeg B (refleksionens lov), derfor jeg’ B+ jeg 2 = /2.
Graden af polarisering af reflekteret og brudt lys ved forskellige indfaldsvinkler kan beregnes ud fra Maxwells ligninger, hvis vi tager hensyn til grænsebetingelserne for det elektromagnetiske felt i grænsefladen mellem to isotrope dielektrika (den såkaldte Fresnel-formler).
Graden af polarisering af brudt lys kan øges betydeligt (ved multipel brydning, forudsat at lyset indfalder hver gang på grænsefladen ved Brewster-vinklen). Hvis for eksempel til glas ( n= 1.53) polariseringsgraden af den brydte stråle er 15%, så efter brydning i 8-10 glasplader overlejret på hinanden, vil lyset, der kommer ud fra et sådant system, være næsten fuldstændig polariseret. Sådan en samling af plader kaldes fod. Foden kan bruges til at analysere polariseret lys både under dets refleksion og under dets brydning.
Billet 79 (til Spur)
Som erfaring viser, under lysets brydning og refleksion, viser det sig, at det brydte og reflekterede lys er polariseret, og refleksionen. lys kan være fuldstændig polariseret ved en vis indfaldsvinkel, men tilfældigt. lys er altid delvist polariseret Ud fra Frinells formler kan det påvises, at refleksion. Lys polariseres i et plan vinkelret på indfaldsplanet og brydes. lyset er polariseret i et plan parallelt med indfaldsplanet.
Indfaldsvinklen, hvor reflektionen lyset er fuldstændig polariseret kaldes Brewster-vinklen Brewster-vinklen bestemmes ud fra Brewsters lov: - Brewsters lov I dette tilfælde er vinklen mellem refleksionerne. og brydning. stråler vil være ens For et luft-glas system er Brewster-vinklen ens For at opnå god polarisering, dvs. , ved lysbrydning bruges mange spiselige overflader, som kaldes Stoletovs Stop.
Billet 80.
Erfaring viser, at når lys interagerer med stof, er hovedeffekten (fysiologisk, fotokemisk, fotoelektrisk osv.) forårsaget af svingninger af vektoren, som i denne henseende nogle gange kaldes lysvektoren. For at beskrive lyspolariseringsmønstrene overvåges vektorens adfærd derfor.
Planet dannet af vektorerne og kaldes polariseringsplanet.
Hvis vektoroscillationer forekommer i et fast plan, kaldes et sådant lys (stråle) lineært polariseret. Det er konventionelt betegnet som følger. Hvis strålen er polariseret i et vinkelret plan (i planet xoz, se fig. 2 i anden forelæsning), så er den udpeget.
Naturligt lys (fra almindelige kilder, solen) består af bølger, der har forskellige, kaotisk fordelte polariseringsplaner (se fig. 3).
Naturligt lys er nogle gange konventionelt betegnet som sådan. Det kaldes også ikke-polariseret.
Hvis vektoren roterer, mens bølgen udbreder sig, og enden af vektoren beskriver en cirkel, så kaldes et sådant lys cirkulært polariseret, og polariseringen kaldes cirkulært eller cirkulært (højre eller venstre). Der er også elliptisk polarisering.
Der er optiske enheder (film, plader osv.) - polarisatorer, som udvinder lineært polariseret lys eller delvist polariseret lys fra naturligt lys.
Polarisatorer, der bruges til at analysere lysets polarisering kaldes analysatorer.
Polarisatorens (eller analysatorens) plan er polarisationsplanet for lyset, der transmitteres af polarisatoren (eller analysatoren).
Lad lineært polariseret lys med amplitude falde på en polarisator (eller analysator) E 0 . Amplituden af det transmitterede lys vil være lig med E=E 0 cos j og intensitet jeg=jeg 0 cos 2 j.
Denne formel udtrykker Malus lov:
Intensiteten af lineært polariseret lys, der passerer gennem analysatoren, er proportional med kvadratet på vinklens cosinus j mellem oscillationsplanet for det indfaldende lys og analysatorens plan.
Billet 80 (for spur)
Polarisatorer er enheder, der gør det muligt at opnå polariseret lys. Analysatorer er enheder, der kan bruges til at analysere, om lys er polariseret eller ej. Strukturelt er en polarisator og en analysator en og samme Zn Malus. Lad intensitetslys falde på polarisator, hvis lyset er naturligt -th, så er alle retninger af vektor E lige sandsynlige. Hver vektor kan dekomponeres i to indbyrdes vinkelrette komponenter: den ene er parallel med polarisatorens polarisationsplan, og den anden er vinkelret på det.
Det er klart, at intensiteten af lyset, der kommer ud fra polarisatoren, vil være den samme. Lad os betegne intensiteten af lyset, der kommer ud fra polarisatoren med (). Hvis en analysator placeres på banen for det polariserede lys, hvis hovedplan gør en vinkel med polarisatorens hovedplan, så er intensiteten af lyset, der kommer fra analysatoren, bestemt af loven.
Billet 81.
Mens han studerede gløden af en opløsning af uransalte under påvirkning af radiumstråler, henledte den sovjetiske fysiker P. A. Cherenkov opmærksomheden på det faktum, at vandet selv også gløder, hvor der ikke er uransalte. Det viste sig, at når stråler (se Gamma-stråling) ledes gennem rene væsker, begynder de alle at gløde. S. I. Vavilov, under hvis ledelse P. A. Cherenkov arbejdede, antog, at gløden var forbundet med bevægelsen af elektroner slået ud af atomer af radiumkvanter. Gløden var faktisk stærkt afhængig af retningen af det magnetiske felt i væsken (dette tydede på, at det var forårsaget af elektronernes bevægelse).
Men hvorfor udsender elektroner, der bevæger sig i en væske, lys? Det korrekte svar på dette spørgsmål blev givet i 1937 af sovjetiske fysikere I.E. Tamm og I.M. Frank.
En elektron, der bevæger sig i et stof, interagerer med atomerne omkring det. Under indflydelse af dets elektriske felt forskydes atomare elektroner og kerner i modsatte retninger - mediet er polariseret. Polariseret og derefter vender tilbage til deres oprindelige tilstand, udsender atomerne i mediet, der er placeret langs elektronbanen, elektromagnetiske lysbølger. Hvis hastigheden af elektronen v er mindre end lysets udbredelseshastighed i mediet (brydningsindekset), så vil det elektromagnetiske felt overhale elektronen, og stoffet vil nå at polarisere i rummet foran elektronen. Polariseringen af mediet foran og bagved elektronen er modsat i retning, og strålingen fra modsat polariserede atomer "tilføjes", "slukker" hinanden. Når atomer, der endnu ikke er nået af en elektron, ikke når at polarisere, og stråling vises rettet langs et smalt konisk lag med en spids, der falder sammen med den bevægelige elektron og en vinkel ved spidsen c. Udseendet af lys "keglen" og strålingstilstanden kan fås ud fra de generelle principper for bølgeudbredelse.
Ris. 1. Mekanisme for bølgefrontdannelse
Lad elektronen bevæge sig langs aksen OE (se fig. 1) af en meget smal tom kanal i et homogent gennemsigtigt stof med et brydningsindeks (den tomme kanal er nødvendig for at kollisioner mellem elektronen og atomer ikke tages i betragtning i teoretiske overvejelser). Ethvert punkt på linjen OE, der successivt er optaget af en elektron, vil være centrum for lysemission. Bølger, der udgår fra på hinanden følgende punkter O, D, E interfererer med hinanden og forstærkes, hvis faseforskellen mellem dem er nul (se Interferens). Denne betingelse er opfyldt for en retning, der danner en vinkel på 0 med elektronens bane. Vinkel 0 bestemmes af relationen:.
Lad os faktisk betragte to bølger, der udsendes i en retning i en vinkel på 0 til elektronhastigheden fra to punkter af banen - punkt O og punkt D, adskilt af en afstand . Ved punkt B, liggende på linje BE, vinkelret på OB, første bølge på - efter tidspunkt Til punkt F, liggende på linje BE, vil en bølge udsendt fra punktet ankomme på tidspunktet efter bølgen er udsendt fra punkt O Disse to bølger vil være i fase, dvs. den rette linje vil være en bølgefront, hvis disse tider er ens:. Det giver betingelsen om tidernes ligestilling. I alle retninger, for hvilke, lyset vil blive slukket på grund af interferens af bølger udsendt fra sektioner af banen adskilt af en afstand D. Værdien af D bestemmes af den åbenlyse ligning, hvor T er perioden for lysoscillationer. Denne ligning har altid en løsning hvis.
Hvis , så eksisterer den retning, som de udsendte bølger, når de interfererer, forstærkes, ikke og kan ikke være større end 1.
Ris. 2. Fordeling af lydbølger og dannelse af en stødbølge under kropsbevægelse
Stråling observeres kun hvis .
Eksperimentelt flyver elektroner i en begrænset rumvinkel, med en vis spredning i hastighed, og som et resultat forplanter stråling sig i et konisk lag nær hovedretningen bestemt af vinklen.
I vores overvejelse forsømte vi elektronafmatningen. Dette er ganske acceptabelt, da tabene på grund af Vavilov-Cerenkov-stråling er små, og til en første tilnærmelse kan vi antage, at energien tabt af elektronen ikke påvirker dens hastighed, og den bevæger sig ensartet. Dette er den grundlæggende forskel og usædvanlighed ved Vavilov-Cherenkov-strålingen. Typisk udsender ladninger, mens de oplever betydelig acceleration.
En elektron, der overgår sit lys, ligner et fly, der flyver med en hastighed, der er større end lydens hastighed. I dette tilfælde forplanter sig også en konisk choklydbølge foran flyet (se fig. 2).
Lysbrydning- et fænomen, hvor en lysstråle, der passerer fra et medium til et andet, ændrer retning ved grænsen af disse medier.
Brydning af lys sker i henhold til følgende lov:
De indfaldende og brudte stråler og vinkelret trukket til grænsefladen mellem de to medier ved indfaldspunktet for strålen ligger i samme plan. Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er en konstant værdi for to medier:
,
Hvor α
- indfaldsvinkel,
β
- brydningsvinkel,
n - en konstant værdi uafhængig af indfaldsvinklen.
Når indfaldsvinklen ændres, ændres brydningsvinklen også. Jo større indfaldsvinklen er, jo større er brydningsvinklen.
Hvis lys kommer fra et optisk mindre tæt medium til et mere tæt medium, så er brydningsvinklen altid mindre end indfaldsvinklen: β < α.
En lysstråle rettet vinkelret på grænsefladen mellem to medier passerer fra et medium til et andet uden brydning.
et stofs absolutte brydningsindeks- en værdi lig med forholdet mellem lysets fasehastigheder (elektromagnetiske bølger) i vakuum og i et givet miljø n=c/v
Mængden n inkluderet i brydningsloven kaldes det relative brydningsindeks for et par medier.
Værdien n er det relative brydningsindeks for medium B i forhold til medium A, og n" = 1/n er det relative brydningsindeks for medium A i forhold til medium B.
Denne værdi er alt andet lige større end enheden, når strålen går fra et tættere medium til et mindre tæt medium, og mindre end enheden, når strålen går fra et mindre tæt medium til et tættere medium (f.eks. fra en gas eller fra et vakuum til en væske eller et fast stof). Der er undtagelser fra denne regel, og derfor er det sædvanligt at kalde et medium optisk mere eller mindre tæt end et andet.
En stråle, der falder fra luftløst rum på overfladen af et medium B, brydes stærkere, end når den falder på den fra et andet medium A; Brydningsindekset for en stråle, der falder ind på et medium fra luftfrit rum, kaldes dets absolutte brydningsindeks.
(Absolut - i forhold til vakuum.
Relativt - i forhold til ethvert andet stof (f.eks. den samme luft).
Den relative indikator for to stoffer er forholdet mellem deres absolutte indikatorer.)
Total intern refleksion- intern refleksion, forudsat at indfaldsvinklen overstiger en vis kritisk vinkel. I dette tilfælde reflekteres den indfaldende bølge fuldstændigt, og værdien af refleksionskoefficienten overstiger dens højeste værdier for polerede overflader. Refleksionen af total intern refleksion er uafhængig af bølgelængde.
I optik observeres dette fænomen for en bred vifte af elektromagnetisk stråling, herunder røntgenområdet.
I geometrisk optik er fænomenet forklaret inden for rammerne af Snells lov. I betragtning af, at brydningsvinklen ikke kan overstige 90°, finder vi, at ved en indfaldsvinkel, hvis sinus er større end forholdet mellem det lavere brydningsindeks og det større indeks, skal den elektromagnetiske bølge reflekteres fuldstændigt ind i det første medium.
I overensstemmelse med bølgeteorien om fænomenet trænger den elektromagnetiske bølge stadig ind i det andet medium - den såkaldte "ikke-ensartede bølge" forplanter sig der, som henfalder eksponentielt og ikke bærer energi med sig. Den karakteristiske penetrationsdybde af en inhomogen bølge i det andet medium er af størrelsesordenen bølgelængden.
Love for lysbrydning.
Ud fra alt det der er blevet sagt konkluderer vi:
1 . Ved grænsefladen mellem to medier med forskellige optiske tætheder ændrer en lysstråle sin retning, når den passerer fra et medium til et andet.
2. Når en lysstråle passerer ind i et medium med en højere optisk tæthed, er brydningsvinklen mindre end indfaldsvinklen; Når en lysstråle går fra et optisk tættere medium til et mindre tæt medium, er brydningsvinklen større end indfaldsvinklen.
Lysets brydning er ledsaget af refleksion, og med en stigning i indfaldsvinklen øges lysstyrken af den reflekterede stråle, og den brydte stråle svækkes. Dette kan ses ved at udføre forsøget vist på figuren. Følgelig bærer den reflekterede stråle mere lysenergi med sig, jo større indfaldsvinklen er.
Lade MN- grænsefladen mellem to gennemsigtige medier, for eksempel luft og vand, JSC- indfaldende stråle, OB- brudt stråle, - indfaldsvinkel, - brydningsvinkel, - lysets udbredelseshastighed i det første medium, - lysets udbredelseshastighed i det andet medium.
Når du løser problemer i optik, skal du ofte kende brydningsindekset for glas, vand eller et andet stof. Desuden kan både absolutte og relative værdier af denne mængde bruges i forskellige situationer.
To typer brydningsindeks
Lad os først tale om, hvad dette tal viser: hvordan retningen af lysudbredelse ændrer sig i et eller andet gennemsigtigt medium. Desuden kan en elektromagnetisk bølge komme fra et vakuum, og så vil brydningsindekset for glas eller andet stof blive kaldt absolut. I de fleste tilfælde ligger dens værdi i området fra 1 til 2. Kun i meget sjældne tilfælde er brydningsindekset større end to.
Hvis der foran objektet er et medium tættere end vakuum, så taler de om en relativ værdi. Og det beregnes som forholdet mellem to absolutte værdier. For eksempel vil det relative brydningsindeks for vandglas være lig med kvotienten af de absolutte værdier for glas og vand.
Under alle omstændigheder er det angivet med det latinske bogstav "en" - n. Denne værdi opnås ved at dividere de samme værdier med hinanden, derfor er det simpelthen en koefficient, der ikke har noget navn.
Hvilken formel kan du bruge til at beregne brydningsindekset?
Hvis vi tager indfaldsvinklen som "alfa" og brydningsvinklen som "beta", så ser formlen for den absolutte værdi af brydningsindekset således ud: n = sin α/sin β. I engelsksproget litteratur kan man ofte finde en anden betegnelse. Når indfaldsvinklen er i, og brydningsvinklen er r.
Der er en anden formel for, hvordan man beregner lysets brydningsindeks i glas og andre gennemsigtige medier. Det er relateret til lysets hastighed i et vakuum og det samme, men i det pågældende stof.
Så ser det sådan ud: n = c/νλ. Her er c lysets hastighed i et vakuum, ν er dets hastighed i et transparent medium, og λ er bølgelængden.
Hvad afhænger brydningsindekset af?
Det bestemmes af den hastighed, hvormed lyset forplanter sig i det pågældende medium. Luft i denne henseende er meget tæt på et vakuum, så lysbølger forplanter sig i det praktisk talt uden at afvige fra deres oprindelige retning. Derfor, hvis brydningsindekset for glas-luft eller ethvert andet stof, der grænser op til luft, bestemmes, så tages sidstnævnte konventionelt som et vakuum.
Ethvert andet miljø har sine egne karakteristika. De har forskellige tætheder, de har deres egen temperatur, samt elastiske spændinger. Alt dette påvirker resultatet af lysbrydningen af stoffet.
Lysets egenskaber spiller en vigtig rolle i at ændre retningen af bølgeudbredelsen. Hvidt lys består af mange farver, fra rød til violet. Hver del af spektret brydes på sin egen måde. Desuden vil værdien af indikatoren for bølgen af den røde del af spektret altid være mindre end resten. For eksempel varierer brydningsindekset for TF-1-glas fra henholdsvis 1,6421 til 1,67298 fra den røde til den violette del af spektret.
Eksempler på værdier for forskellige stoffer
Her er værdierne af absolutte værdier, det vil sige brydningsindekset, når en stråle passerer fra et vakuum (som svarer til luft) gennem et andet stof.
Disse tal vil være nødvendige, hvis det er nødvendigt at bestemme brydningsindekset for glas i forhold til andre medier.
Hvilke andre mængder bruges til at løse problemer?
Total refleksion. Det observeres, når lys går fra et tættere medium til et mindre tæt medium. Her, ved en bestemt indfaldsvinkel, sker brydningen i en ret vinkel. Det vil sige, at strålen glider langs grænsen af to medier.
Den begrænsende vinkel for total refleksion er dens minimumsværdi, hvor lyset ikke slipper ud i et mindre tæt medium. Mindre af det betyder brydning, og mere betyder refleksion i det samme medium, som lyset bevægede sig fra.
Opgave nr. 1
Tilstand. Glasets brydningsindeks har en værdi på 1,52. Det er nødvendigt at bestemme den begrænsende vinkel, hvor lyset reflekteres fuldstændigt fra grænsefladen mellem overflader: glas med luft, vand med luft, glas med vand.
Du skal bruge brydningsindeksdataene for vand i tabellen. Det tages lig med enhed for luft.
Løsningen i alle tre tilfælde kommer ned til beregninger ved hjælp af formlen:
sin α 0 /sin β = n 1 /n 2, hvor n 2 refererer til det medium, hvorfra lyset forplanter sig, og n 1, hvor det trænger ind.
Bogstavet α 0 angiver grænsevinklen. Værdien af vinklen β er 90 grader. Det vil sige, at dens sinus vil være én.
For det første tilfælde: sin α 0 = 1 /n glas, så viser grænsevinklen sig at være lig med arcsinus af 1 /n glas. 1/1,52 = 0,6579. Vinklen er 41,14º.
I det andet tilfælde, når du bestemmer arcsine, skal du erstatte værdien af brydningsindekset for vand. Fraktionen 1 /n af vand vil have værdien 1/1,33 = 0,7519. Dette er buegangen af vinklen 48,75º.
Det tredje tilfælde er beskrevet ved forholdet mellem n vand og n glas. Arcsinus skal beregnes for brøken: 1,33/1,52, det vil sige tallet 0,875. Vi finder værdien af grænsevinklen ved dens bue: 61,05º.
Svar: 41,14º, 48,75º, 61,05º.
Opgave nr. 2
Tilstand. Et glasprisme nedsænkes i et kar med vand. Dens brydningsindeks er 1,5. Et prisme er baseret på en retvinklet trekant. Det større ben er placeret vinkelret på bunden, og det andet er parallelt med det. En lysstråle falder normalt på prismets overside. Hvad skal være den mindste vinkel mellem et vandret ben og hypotenusen, for at lys kan nå benet, der er placeret vinkelret på bunden af karret og forlade prismet?
For at strålen kan forlade prismet på den beskrevne måde, skal den falde i en maksimal vinkel på den indre flade (den, der er hypotenusen af trekanten i prismets tværsnit). Denne begrænsende vinkel viser sig at være lig med den ønskede vinkel i den retvinklede trekant. Fra loven om lysbrydning viser det sig, at sinus af grænsevinklen divideret med sinus på 90 grader er lig med forholdet mellem to brydningsindeks: vand til glas.
Beregninger fører til følgende værdi for grænsevinklen: 62º30´.
Processer, der er forbundet med lys, er en vigtig komponent i fysikken og omgiver os overalt i vores hverdag. Det vigtigste i denne situation er lovene for refleksion og brydning af lys, som moderne optik er baseret på. Lysets brydning er en vigtig del af moderne videnskab.
Forvrængning effekt
Denne artikel vil fortælle dig, hvad fænomenet lysbrydning er, samt hvordan brydningsloven ser ud, og hvad der følger af den.
Grundlæggende om et fysisk fænomen
Når en stråle falder på en overflade, der er adskilt af to transparente stoffer, der har forskellige optiske tætheder (f.eks. forskellige glas eller i vand), vil nogle af strålerne blive reflekteret, og nogle vil trænge ind i den anden struktur (f.eks. de vil formere sig i vand eller glas). Når man bevæger sig fra et medium til et andet, ændrer en stråle typisk sin retning. Dette er fænomenet lysbrydning.
Refleksion og brydning af lys er især synlig i vand.
Forvrængningseffekt i vand
Ser man på ting i vand, ser de forvrænget ud. Dette er især mærkbart ved grænsen mellem luft og vand. Visuelt ser undervandsobjekter ud til at være lidt afbøjet. Det beskrevne fysiske fænomen er netop årsagen til, at alle genstande fremstår forvrængede i vand. Når strålerne rammer glasset, er denne effekt mindre mærkbar.
Brydning af lys er et fysisk fænomen, der er karakteriseret ved en ændring i bevægelsesretningen for en solstråle i det øjeblik, den bevæger sig fra et medie (struktur) til et andet.
For at forbedre vores forståelse af denne proces, overveje et eksempel på en stråle, der rammer vand fra luft (på samme måde for glas). Ved at tegne en vinkelret linje langs grænsefladen kan lysstrålens brydningsvinkel og retur måles. Dette indeks (brydningsvinkel) vil ændre sig, når strømmen trænger ind i vandet (inde i glasset).
Bemærk! Denne parameter forstås som den vinkel, der dannes af en vinkelret trukket til adskillelsen af to stoffer, når en stråle trænger ind fra den første struktur til den anden.
Strålepassage
Den samme indikator er typisk for andre miljøer. Det er blevet fastslået, at denne indikator afhænger af stoffets densitet. Hvis strålen falder fra en mindre tæt til en tættere struktur, vil den dannede forvrængningsvinkel være større. Og hvis det er omvendt, så er det mindre.
Samtidig vil en ændring i faldets hældning også påvirke denne indikator. Men forholdet mellem dem forbliver ikke konstant. Samtidig vil forholdet mellem deres sinus forblive en konstant værdi, hvilket afspejles af følgende formel: sinα / sinγ = n, hvor:
- n er en konstant værdi, der er beskrevet for hvert specifikt stof (luft, glas, vand osv.). Derfor, hvad denne værdi vil være, kan bestemmes ved hjælp af specielle tabeller;
- α – indfaldsvinkel;
- γ – brydningsvinkel.
For at bestemme dette fysiske fænomen blev brydningsloven skabt.
Fysisk lov
Loven om brydning af lysstrømme giver os mulighed for at bestemme karakteristikaene for gennemsigtige stoffer. Selve loven består af to bestemmelser:
- Første del. Strålen (indfaldet, modificeret) og vinkelret, som blev genoprettet ved indfaldspunktet på grænsen, for eksempel af luft og vand (glas osv.), vil være placeret i samme plan;
- Anden del. Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus af samme vinkel dannet ved krydsning af grænsen vil være en konstant værdi.
Beskrivelse af loven
I dette tilfælde, i det øjeblik strålen forlader den anden struktur i den første (for eksempel når lysstrømmen passerer fra luften, gennem glasset og tilbage til luften), vil der også forekomme en forvrængningseffekt.
En vigtig parameter for forskellige objekter
Hovedindikatoren i denne situation er forholdet mellem sinus af indfaldsvinklen og en lignende parameter, men for forvrængning. Som det følger af loven beskrevet ovenfor, er denne indikator en konstant værdi.
Desuden, når værdien af faldhældningen ændres, vil den samme situation være typisk for en lignende indikator. Denne parameter er af stor betydning, fordi den er en integreret egenskab for gennemsigtige stoffer.
Indikatorer for forskellige objekter
Takket være denne parameter kan du ret effektivt skelne mellem glastyper såvel som forskellige ædelsten. Det er også vigtigt for at bestemme lysets hastighed i forskellige miljøer.
Bemærk! Den højeste hastighed af lysstrømmen er i et vakuum.
Når du flytter fra et stof til et andet, vil dets hastighed falde. For eksempel, i diamant, som har det højeste brydningsindeks, vil fotonudbredelseshastigheden være 2,42 gange højere end luftens. I vand vil de sprede sig 1,33 gange langsommere. For forskellige typer glas varierer denne parameter fra 1,4 til 2,2.
Bemærk! Nogle glas har et brydningsindeks på 2,2, hvilket er meget tæt på diamant (2,4). Derfor er det ikke altid muligt at skelne et stykke glas fra en ægte diamant.
Optisk tæthed af stoffer
Lys kan trænge igennem forskellige stoffer, som er karakteriseret ved forskellige optiske tætheder. Som vi sagde tidligere, ved hjælp af denne lov kan du bestemme densitetskarakteristikken for mediet (strukturen). Jo tættere den er, jo langsommere er den hastighed, hvormed lyset vil forplante sig gennem det. For eksempel vil glas eller vand være mere optisk tæt end luft.
Ud over at denne parameter er en konstant værdi, afspejler den også forholdet mellem lysets hastighed i to stoffer. Den fysiske betydning kan vises som følgende formel:
Denne indikator fortæller, hvordan fotonernes udbredelseshastighed ændres, når de bevæger sig fra et stof til et andet.
En anden vigtig indikator
Når en lysstrøm bevæger sig gennem gennemsigtige genstande, er dens polarisering mulig. Det observeres under passagen af en lysflux fra dielektriske isotrope medier. Polarisering opstår, når fotoner passerer gennem glas.
Polarisationseffekt
Delvis polarisering observeres, når indfaldsvinklen af lysfluxen ved grænsen af to dielektrika adskiller sig fra nul. Graden af polarisering afhænger af, hvad indfaldsvinklerne var (Brewsters lov).
Fuld intern refleksion
Som afslutning på vores korte udflugt er det stadig nødvendigt at betragte en sådan effekt som fuld intern refleksion.
Fænomenet fuld visning
For at denne effekt skal fremstå, er det nødvendigt at øge indfaldsvinklen for lysstrømmen i det øjeblik, hvor den skifter fra et mere tæt til et mindre tæt medium ved grænsefladen mellem stoffer. I en situation, hvor denne parameter overskrider en vis grænseværdi, vil fotoner, der falder ind på grænsen af dette afsnit, blive fuldstændig reflekteret. Faktisk vil dette være vores ønskede fænomen. Uden den var det umuligt at lave fiberoptik.
Konklusion
Den praktiske anvendelse af opførsel af lysflux har givet meget, og skabt en række tekniske enheder til at forbedre vores liv. Samtidig har lys endnu ikke afsløret alle dets muligheder for menneskeheden, og dets praktiske potentiale er endnu ikke fuldt ud realiseret.
Sådan laver du en papirlampe med dine egne hænder Sådan kontrollerer du ydeevnen af en LED-strimmel
BRYDNINGSINDEKS(brydningsindeks) - optisk. karakteristisk for det miljø, der er forbundet med lysets brydning ved grænsefladen mellem to transparente optisk homogene og isotrope medier under dets overgang fra et medium til et andet og på grund af forskellen i fasehastighederne for lysudbredelse i mediet. Værdien af P. p. er lig med forholdet mellem disse hastigheder. i forhold
P. p. af disse miljøer. Hvis lyset falder på det andet eller første medium fra (hvor er lysets hastighed Med), derefter mængderne absolutte pp af disse gennemsnit. I dette tilfælde kan en brydningsloven skrives på formen hvor og er indfalds- og brydningsvinklerne.
Størrelsen af den absolutte effektfaktor afhænger af stoffets natur og struktur, dets aggregeringstilstand, temperatur, tryk osv. Ved høje intensiteter afhænger effektfaktoren af lysets intensitet (se. ikke-lineær optik). I en række stoffer ændrer P. sig under påvirkning af ydre påvirkninger. elektrisk felter ( Kerr effekt- i væsker og gasser; elektro-optisk Pockels effekt- i krystaller).
For et givet medium afhænger absorptionsbåndet af lysbølgelængden l, og i området for absorptionsbånd er denne afhængighed unormal (se fig. Lys spredning).I røntgen. region, er effektfaktoren for næsten alle medier tæt på 1, i det synlige område for væsker og faste stoffer er den omkring 1,5; i IR-regionen for en række transparente medier 4.0 (til Ge).
Lit.: Landsberg G.S., Optik, 5. udgave, M., 1976; Sivukhin D.V., Generelt kursus, 2. udgave, [bd. 4] - Optics, M., 1985. V. I. Malyshev,