Valguse murdumise nähtus on füüsikaline nähtus, mis ilmneb alati, kui laine liigub ühest materjalist teise, mille levimiskiirus muutub. Visuaalselt väljendub see selles, et laine levimise suund muutub.
Füüsika: valguse murdumine
Kui langev kiir tabab kahe meediumi vahelist liidest 90° nurga all, siis midagi ei juhtu, ta jätkab liikumist liidese suhtes täisnurga all samas suunas. Kui kiire langemisnurk erineb 90°-st, tekib valguse murdumise nähtus. See tekitab näiteks selliseid kummalisi efekte nagu osaliselt vette sukeldatud objekti näiv murd või kuumas liivakõrbes täheldatud miraažid.
Avastamise ajalugu
Esimesel sajandil pKr e. Vana-Kreeka geograaf ja astronoom Ptolemaios püüdis murdumise väärtust matemaatiliselt selgitada, kuid tema väljapakutud seadus osutus hiljem ebausaldusväärseks. 17. sajandil Hollandi matemaatik Willebrord Snell töötas välja seaduse, mis määras kindlaks langeva ja murdumisnurga suhtega seotud suuruse, mida hiljem hakati nimetama aine murdumisnäitajaks. Põhimõtteliselt on see indikaator seda suurem, mida rohkem aine suudab valgust murda. Vees olev pliiats on "katki", sest sealt tulevad kiired muudavad enne silmadeni jõudmist oma teekonda õhu-vee liidesel. Snelli pettumuseks ei suutnud ta kunagi selle mõju põhjust avastada.
1678. aastal töötas teine Hollandi teadlane Christiaan Huygens Snelli tähelepanekute selgitamiseks välja matemaatilise seose ja tegi ettepaneku, et valguse murdumise nähtus on tingitud erinevast kiirusest, millega kiir läbib kahte keskkonda. Huygens tegi kindlaks, et kahte erineva murdumisnäitajaga materjali läbiva valguse nurkade suhe peaks olema võrdne selle kiiruste suhtega igas materjalis. Seega oletas ta, et valgus liigub aeglasemalt läbi keskkonna, millel on suurem murdumisnäitaja. Teisisõnu, valguse kiirus läbi materjali on pöördvõrdeline selle murdumisnäitajaga. Kuigi seadus kinnitati hiljem eksperimentaalselt, polnud see paljude tolleaegsete teadlaste jaoks ilmne, kuna puudusid usaldusväärsed valgustusvahendid. Teadlastele tundus, et selle kiirus ei sõltu materjalist. Vaid 150 aastat pärast Huygensi surma mõõdeti valguse kiirust piisava täpsusega, et tõestada tema õigust.
Absoluutne murdumisnäitaja
Läbipaistva aine või materjali absoluutne murdumisnäitaja n on defineeritud kui suhteline kiirus, millega valgus läbib seda vaakumi kiiruse suhtes: n=c/v, kus c on valguse kiirus vaakumis ja v on valguse kiirus materjalis.
Ilmselgelt ei toimu valguse murdumist vaakumis, kus pole ühtegi ainet ja selles on absoluutnäitaja 1. Teiste läbipaistvate materjalide puhul on see väärtus suurem kui 1. Tundmatute materjalide indeksite arvutamiseks kasutatakse murdumisnäitajaid. valgust õhus (1,0003).
Snelli seadused
Tutvustame mõningaid määratlusi:
- langev kiir - kiir, mis läheneb kandja eraldamisele;
- löögipunkt – eralduspunkt, kuhu see tabab;
- murdunud kiir lahkub kandja eraldatusest;
- normaalne – jaotusega risti tõmmatud joon langemispunktis;
- langemisnurk - nurk normaal- ja langeva kiire vahel;
- Valgust saab defineerida kui nurka murdunud kiire ja normaalse vahel.
Vastavalt murdumisseadustele:
- Juhtuv, murdunud kiir ja normaal on samas tasapinnas.
- Langemis- ja murdumisnurkade siinuste suhe on võrdne teise ja esimese keskkonna murdumistegurite suhtega: sin i/sin r = n r /n i.
Snelli valguse murdumisseadus kirjeldab seost kahe laine nurkade ja kahe keskkonna murdumisnäitajate vahel. Kui laine liigub vähem murduvast keskkonnast (näiteks õhk) murdumisvõimelisemasse keskkonda (näiteks vesi), siis selle kiirus väheneb. Vastupidi, kui valgus läheb veest õhku, siis kiirus suureneb. esimeses keskkonnas võrreldes normaalsega ja murdumisnurk teises erineb proportsionaalselt nende kahe aine murdumisnäitajate erinevusega. Kui laine läheb madala koefitsiendiga keskkonnast kõrgema koefitsiendiga keskkonda, siis see paindub normaalse poole. Ja kui see on vastupidi, siis see kustutatakse.
Suhteline murdumisnäitaja
Näitab, et langeva ja murdunud nurga siinuste suhe on võrdne konstandiga, mis tähistab suhet mõlemas keskkonnas.
sin i/sin r = n r /n i =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r
Suhet n r /n i nimetatakse nende ainete suhteliseks murdumisnäitajaks.
Igapäevaelus täheldatakse sageli mitmeid nähtusi, mis tulenevad murdumisest. "Katkine" pliiatsiefekt on üks levinumaid. Silmad ja aju järgivad kiiri vette tagasi, nagu need ei murduks, vaid tuleksid objektilt sirgjooneliselt, luues virtuaalse pildi, mis ilmub madalamal sügavusel.
Dispersioon
Hoolikad mõõtmised näitavad, et valguse murdumist mõjutab suuresti kiirguse lainepikkus või selle värvus. Teisisõnu, ainel on palju, mis võivad värvi või lainepikkuse muutumisel muutuda.
See muutus toimub kõigis läbipaistvates keskkondades ja seda nimetatakse dispersiooniks. Konkreetse materjali dispersiooniaste sõltub sellest, kui palju selle murdumisnäitaja lainepikkusega muutub. Lainepikkuse suurenedes muutub valguse murdumise nähtus vähem väljendunud. Seda kinnitab tõsiasi, et violetne murdub rohkem kui punane, kuna selle lainepikkus on lühem. Tänu hajumisele tavalises klaasis toimub teatud valguse jagunemine selle komponentideks.
Valguse lagunemine
17. sajandi lõpus viis Sir Isaac Newton läbi rea katseid, mis viisid tema nähtava spektri avastamiseni ja näitasid, et valge valgus koosneb järjestatud värvide massiivist, mis ulatub violetsest sinise, rohelise, kollase, oranži ja lõpuks. punasega. Pimedas ruumis töötades asetas Newton klaasprisma kitsasse tala, mis tungis läbi aknaluukide ava. Prisma läbimisel valgus murdus – klaas projitseerib selle järjestatud spektri kujul ekraanile.
Newton jõudis järeldusele, et valge valgus koosneb erinevate värvide segust ja prisma "hajutab" valget valgust, murdes iga värvi erineva nurga all. Newton ei suutnud värve eraldada, viies need läbi teise prisma. Kuid kui ta asetas teise prisma esimesele väga lähedale nii, et kõik hajutatud värvid sisenesid teise prismasse, avastas teadlane, et värvid ühinesid uuesti, moodustades taas valge valguse. See avastus tõestas veenvalt spektrit, mida saab hõlpsasti jagada ja kombineerida.
Dispersiooninähtus mängib võtmerolli paljudes erinevates nähtustes. Vikerkaared tekivad valguse murdumisel vihmapiiskades, tekitades suurejoonelise spektraalse lagunemise, mis sarnaneb prismas leiduvale.
Kriitiline nurk ja täielik sisepeegeldus
Kõrgema murdumisnäitajaga keskkonna läbimisel madalama murdumisnäitajaga keskkonda määrab lainete teekonna langemisnurk kahe materjali eraldumise suhtes. Kui langemisnurk ületab teatud väärtuse (olenevalt kahe materjali murdumisnäitajast), jõuab see punkti, kus valgus ei murdu madalama indeksiga keskkonda.
Kriitiline (või piirav) nurk on defineeritud kui langemisnurk, mille tulemuseks on 90° murdumisnurk. Teisisõnu, seni, kuni langemisnurk on kriitilisest nurgast väiksem, toimub murdumine ja kui see on sellega võrdne, siis murdunud kiir liigub mööda kohta, kus kaks materjali eralduvad. Kui langemisnurk ületab kriitilist nurka, peegeldub valgus tagasi. Seda nähtust nimetatakse täielikuks sisepeegelduseks. Selle kasutamise näideteks on teemandid ja teemantlõige soodustab täielikku sisemist peegeldust. Enamik teemandi ülaosa kaudu sisenevaid kiiri peegeldub, kuni jõuavad ülemise pinnani. See annabki teemantidele nende särava sära. Optiline kiud koosneb klaasist "karvadest", mis on nii õhukesed, et kui valgus ühest otsast siseneb, ei saa see välja pääseda. Ja alles siis, kui kiir jõuab teise otsa, võib see kiust lahkuda.
Mõista ja hallata
Optilised instrumendid, alates mikroskoopidest ja teleskoopidest kuni kaamerate, videoprojektorite ja isegi inimsilmani, tuginevad asjaolule, et valgust saab teravustada, murda ja peegeldada.
Murdumine tekitab laias valikus nähtusi, sealhulgas miraaže, vikerkaarte ja optilisi illusioone. Refraktsioon muudab paksu õllekruusi täidlasemaks ja päike loojub paar minutit hiljem kui tegelikult. Miljonid inimesed kasutavad prillide ja kontaktläätsede abil nägemisdefektide parandamiseks murdumisjõudu. Neid valguse omadusi mõistes ja nendega manipuleerides saame näha palja silmaga nähtamatuid detaile, olgu need siis mikroskoobi slaidil või kauges galaktikas.
Valguse murdumise nähtust teadis Aristoteles. Ptolemaios püüdis kehtestada seadust kvantitatiivselt, mõõtes valguse langemis- ja murdumisnurki. Teadlane tegi aga vale järelduse, et murdumisnurk on võrdeline langemisnurgaga. Pärast teda tehti veel mitmeid katseid seadust kehtestada Hollandi teadlase Snelliuse katse 17. sajandil.
Valguse murdumise seadus on üks neljast optika põhiseadusest, mis avastati empiiriliselt juba enne valguse olemuse kindlakstegemist. Need on seadused:
- valguse sirgjooneline levimine;
- valguskiirte sõltumatus;
- valguse peegeldumine peegelpinnalt;
- valguse murdumine kahe läbipaistva aine piiril.
Kõik need seadused on piiratud kohaldamisalaga ja ligikaudsed. Valguse olemuse väljaselgitamisel on suur tähtsus nende seaduste piiride ja kohaldamistingimuste selgitamisel.
Seaduse avaldus
Langev valguskiir, murdunud kiir ja kahe läbipaistva kandja liidesega risti asetsevad samal tasapinnal (joonis 1). Sel juhul on langemisnurk () ja murdumisnurk () seotud seosega:
kus on nurkadest sõltumatu konstantne väärtus, mida nimetatakse murdumisnäitajaks. Täpsemalt, avaldises (1) kasutatakse selle aine suhtelist murdumisnäitajat, milles murdunud valgus levib, võrreldes keskkonnaga, milles langev valguslaine levis:
kus on teise keskkonna absoluutne murdumisnäitaja, on esimese aine absoluutne murdumisnäitaja; — valguse levimise faasikiirus esimeses keskkonnas; — valguse levimise faasikiirus teises aines. Juhul, kui title=" Renderdab QuickLaTeX.com" height="16" width="60" style="vertical-align: -4px;">, то вторая среда считается оптически более плотной, чем первая.!}
Võttes arvesse avaldist (2), kirjutatakse murdumisseadus mõnikord järgmiselt:
Avaldise (3) sümmeetriast järeldub valguskiirte pöörduvus. Kui pöörata murdunud kiir (joonis 1) ümber ja panna see liidesele nurga all langema, siis keskkonnas (1) läheb see mööda langevat kiirt vastupidises suunas.
Kui valguslaine levib kõrgema murdumisnäitajaga ainest madalama murdumisnäitajaga keskkonda, siis on murdumisnurk suurem kui langemisnurk.
Kui langemisnurk suureneb, suureneb ka murdumisnurk. See toimub seni, kuni teatud langemisnurga juures, mida nimetatakse piirnurgaks (), muutub murdumisnurk võrdseks 900-ga. Kui langemisnurk on suurem kui piirnurk (), siis peegeldub kogu langev valgus Piirava langemisnurga jaoks teisendatakse avaldis (1 ) valemiks:
kus võrrand (4) rahuldab nurga väärtused juures See tähendab, et täieliku peegelduse nähtus on võimalik, kui valgus siseneb optiliselt tihedamast ainest optiliselt vähemtihedasse ainesse.
Murdumisseaduse kohaldamise tingimused
Valguse murdumise seadust nimetatakse Snelli seaduseks. Seda tehakse monokromaatilise valguse jaoks, mille lainepikkus on palju suurem kui selle levimiskeskkonna molekulidevahelised kaugused.
Murdumisseadust rikutakse, kui kahte keskkonda eraldava pinna suurus on väike ja tekib difraktsiooninähtus. Lisaks ei kehti Snelli seadus, kui esinevad mittelineaarsed nähtused, mis võivad ilmneda suure valgustugevuse korral.
Näited probleemide lahendamisest
NÄIDE 1
| Harjutus | Kui suur on vedeliku murdumisnäitaja (), kui klaas-vedeliku piirile langev valguskiir peegeldub täielikult? Sel juhul on täieliku peegelduse piirnurk võrdne , klaasi murdumisnäitaja on võrdne |
| Lahendus | Probleemi lahendamise aluseks on Snelli seadus, mille kirjutame kujul:
Avaldame soovitud väärtuse () valemist (1.1), saame: Teeme arvutused: |
| Vastus |
NÄIDE 2
| Harjutus | Kahe läbipaistva murdumisnäitaja plaadi vahel on murdumisnäitajaga läbipaistva aine kiht (joon. 2). Valguskiir langeb esimese plaadi ja aine vahelisele liidesele nurga all (piiravast nurgast väiksem). Liikudes ainekihilt teisele plaadile, langeb see sellele nurga all. Näidake, et kiir murdub sellises süsteemis, nagu poleks plaatide vahel kihti. |
Kahe läbipaistva keskkonna liideses koos valguse peegeldusega täheldatakse valguse murdumist, mis läheb teise keskkonda, muudab selle levimise suunda.
Valguskiire murdumine toimub siis, kui see langeb liidese kaldus nurga all (kuigi ärge lugege alati täieliku sisemise peegelduse kohta). Kui kiir langeb pinnaga risti, siis teises keskkonnas ei toimu murdumist, säilitab kiir oma suuna ja läheb ka pinnaga risti.
4.3.1 Murdumise seadus (erijuhtum)
Alustame erijuhtumist, kui üheks meediaks on õhk. Täpselt selline olukord esineb valdava enamiku probleemide puhul. Arutleme murdumisseaduse vastava erijuhtumi üle ja alles siis anname selle kõige üldisema sõnastuse.
Oletame, et õhus liikuv valguskiir langeb kaldu klaasi, vee või mõne muu läbipaistva keskkonna pinnale. Söötmesse sisenemisel kiir murdub ja selle edasine teekond on näidatud joonisel 4.11.
kolmapäeval O
Riis. 4.11. Kiire murdumine õhk-keskkonna liidesel
Juhtumipunktis O tõmmatakse kandja pinnale risti (või, nagu öeldakse, tavaline) CD. Kiirt AO, nagu varemgi, nimetatakse langevaks kiireks ning langeva kiire ja normaalse vaheline nurk on langemisnurk. Ray OB on murdunud kiir; Murduva kiire ja pinnanormaali vahelist nurka nimetatakse murdumisnurgaks.
Igasugust läbipaistvat keskkonda iseloomustab väärtus n, mida nimetatakse selle keskkonna murdumisnäitajaks. Erinevate kandjate murdumisnäitajad on toodud tabelites. Näiteks klaasi puhul n = 1;6 ja vee puhul n = 1;33. Üldiselt on mis tahes keskkonnas n > 1; Murdumisnäitaja on võrdne ühtsusega ainult vaakumis. Õhu puhul n = 1,0003, seetõttu võime õhu puhul piisava täpsusega ülesannetes eeldada n = 1 (optikas ei erine õhk eriti vaakumist).
Murdumise seadus (üleminek ¾õhk-keskkond¿).
1) Langev kiir, murdunud kiir ja langemispunktis tõmmatud pinna normaal asuvad samal tasapinnal.
2) Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne murdumisnäitajaga
keskkond:
Kuna n > 1, siis seosest (4.1) järeldub, et sin > sin, st > murdumisnurk on väiksem kui langemisnurk. Pidage meeles: liikudes õhust keskkonda, läheb kiir pärast murdumist normaalsele lähemale.
Murdumisnäitaja on otseselt seotud valguse levimise kiirusega v antud keskkonnas. See kiirus on alati väiksem kui valguse kiirus vaakumis: v< c. И вот оказывается,
Me mõistame, miks see juhtub, kui uurime laineoptikat. Vahepeal kombineeri-
Seadistame valemid (4.1) ja (4.2): | |||||
Kuna õhu murdumisnäitaja on ühtsusele väga lähedane, siis võime eeldada, et valguse kiirus õhus on ligikaudu võrdne valguse kiirusega vaakumis c. Seda arvesse võttes ja valemit (4.3) vaadates järeldame: langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne valguse kiiruse suhtega õhus valguse kiirusesse. keskmises.
4.3.2 Valguskiirte pöörduvus
Vaatleme nüüd kiiret pöördteed: selle murdumist keskkonnast õhku liikumisel. Siin on meile abiks järgmine kasulik põhimõte.
Valguskiirte pöörduvuse põhimõte. Kiirte teekond ei sõltu sellest, kas kiir levib edasi- või tagasisuunas. Liikudes vastassuunas, liigub kiir täpselt sama rada nagu edasisuunas.
Pööravuse põhimõtte kohaselt järgib kiir keskkonnast õhku liikudes sama trajektoori nagu vastaval üleminekul õhust keskkonda (joonis 4.12). Ainus erinevus jooniste 4.12 ja 4.11 vahel on see, et kiire suund on muutunud vastupidiseks.
kolmapäeval O
Riis. 4.12. Kiire murdumine keskkonna ja õhu piirpinnal
Kuna geomeetriline pilt ei ole muutunud, jääb valem (4.1) samaks: nurga siinuse ja nurga siinuse suhe on endiselt võrdne keskkonna murdumisnäitajaga. Tõsi, nüüd on nurgad rolli vahetanud: nurgast on saanud langemisnurk ja nurgast murdumisnurk.
Igal juhul, olenemata sellest, kuidas kiir läheb õhust keskmisele või keskmisest õhku, kehtib järgmine lihtne reegel. Võtame kaks nurka: langemisnurk ja murdumisnurk; suurema nurga siinuse ja väiksema nurga siinuse suhe on võrdne keskkonna murdumisnäitajaga.
Oleme nüüd täielikult valmis arutama murdumisseadust kõige üldisemal juhul.
4.3.3 Murdumise seadus (üldjuhul)
Laske valgusel liikuda murdumisnäitaja n1 keskmisest 1-st keskmisele 2 murdumisnäitajaga n2. Kõrgema murdumisnäitajaga keskkonda nimetatakse optiliselt tihedamaks; Sellest lähtuvalt nimetatakse madalama murdumisnäitajaga keskkonda optiliselt vähem tihedaks.
Liikudes optiliselt vähemtihedalt keskkonnalt optiliselt tihedamale, läheb valguskiir pärast murdumist normaalsele lähemale (joonis 4.13). Sel juhul on langemisnurk suurem kui murdumisnurk: > .
Riis. 4.13. n1< n2 ) >
Vastupidi, liikudes optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedale, kaldub kiir normaalsest kaugemale (joonis 4.14). Siin on langemisnurk väiksem kui murdumisnurk:
Riis. 4.14. n1 > n2)<
Selgub, et mõlemad need juhtumid on hõlmatud ühe valemiga üldise murdumisseadusega, mis kehtib kahe läbipaistva kandja puhul.
Murdumise seadus.
1) Joonistatud langev kiir, murdunud kiir ja andmekandjate vahelise liidese normaal
V löögipunkt asub samal tasapinnal.
2) Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne teise keskkonna murdumisnäitaja ja esimese keskkonna murdumisnäitaja suhtega:
On lihtne näha, et varem sõnastatud murdumisseadus õhk-keskkond ülemineku jaoks on selle seaduse erijuhtum. Tegelikult, pannes valemisse (4.4) n1 = 1 ja n2 = n, saame valemi (4.1).
Meenutagem nüüd, et murdumisnäitaja on valguse kiiruse vaakumis ja valguse kiiruse suhe antud keskkonnas: n1 = c=v1, n2 = c=v2. Asendades selle (4.4), saame:
Valem (4.5) üldistab loomulikult valemit (4.3). Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne valguse kiiruse suhtega esimeses keskkonnas valguse kiirusega teises keskkonnas.
4.3.4 Täielik sisemine peegeldus
Kui valguskiired liiguvad optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedasse, täheldatakse huvitavat nähtust, täielikku sisepeegeldust. Mõtleme välja, mis see on.
Kindluse mõttes eeldame, et valgus tuleb veest õhku. Oletame, et reservuaari sügavuses on punktvalgusallikas S, mis kiirgab igas suunas. Vaatleme mõnda neist kiirtest (joonis 4.15).
S B 1
Riis. 4.15. Täielik sisemine peegeldus
Kiir SO1 tabab veepinda väikseima nurga all. See kiir murdub osaliselt (kiir O1 A1) ja peegeldub osaliselt vette tagasi (kiir O1 B1). Seega kandub osa langeva kiire energiast murdunud kiirele ja ülejäänud energia peegeldunud kiirele.
SO2 kiire langemisnurk on suurem. See kiir jaguneb ka kaheks, murdunud ja peegeldunud kiirteks. Kuid algse kiire energia jaotub nende vahel erinevalt: murdunud kiir O2 A2 on hämaram kui kiir O1 A1 (st saab väiksema osa energiast) ja peegeldunud kiir O2 B2 on vastavalt heledam. kui tala O1 B1 (saab suurema osa energiast).
Langemisnurga suurenedes täheldatakse sama mustrit: üha suurem osa langeva kiire energiast läheb peegeldunud kiirele ja üha väiksem osa murdunud kiirele. Murdunud kiir muutub aina tuhmimaks ja kaob ühel hetkel sootuks!
See kadumine toimub siis, kui langemisnurk jõuab 0-ni, mis vastab murdumisnurgale 90. Selles olukorras peaks murdunud kiir OA minema paralleelselt veepinnaga, kuid sinna ei jää enam midagi, kuhu langev kiire SO kogu energia läks täielikult peegeldunud kiirele OB.
Langemisnurga edasise suurenemise korral murdunud kiir isegi puudub.
Kirjeldatud nähtus on täielik sisemine peegeldus. Vesi ei eralda kiiri, mille langemisnurk on võrdne 0-ga või sellest suurem, kõik sellised kiired peegelduvad täielikult vette tagasi. Nurka0 nimetatakse täieliku peegelduse piirnurgaks.
Väärtust 0 on murdumisseadusest lihtne leida. Meil on:
patt 0 | ||||||||||
Aga patt 90 = 1, nii et | ||||||||||
patt 0 | ||||||||||
0 = arcsin | ||||||||||
Niisiis, vee puhul on kogu peegelduse piirnurk võrdne:
0 = arcsin1; 1 33 48;8:
Täieliku sisemise peegelduse nähtust saate hõlpsasti jälgida kodus. Valage klaasi vett, tõstke see üles ja vaadake läbi klaasiseina veepinda veidi allpool. Täieliku sisemise peegelduse tõttu näete pinnale hõbedast läiget, see käitub nagu peegel.
Sisemise täieliku peegelduse kõige olulisem tehniline rakendus on fiiberoptika. Valguskiired, mis suunatakse fiiberoptilisse kaablisse (valgusjuht) peaaegu paralleelselt selle teljega, langevad pinnale suurte nurkade all ja peegelduvad energiakadudeta täielikult kaablisse tagasi. Korduvalt peegeldudes liiguvad kiired aina kaugemale, kandes energiat üle märkimisväärse vahemaa. Fiiberoptilist sidet kasutatakse näiteks kaabeltelevisioonivõrkudes ja kiires internetiühenduses.
4.1. Geomeetrilise optika põhimõisted ja seadused
Valguse peegelduse seadused.Esimene peegelduse seadus:
langevad ja peegeldunud kiired asuvad samal tasapinnal peegelduva pinnaga risti, mis on taastatud kiirte langemispunktis.
Teine peegelduse seadus:
langemisnurk on võrdne peegeldusnurgaga (vt joonis 8).
α - langemisnurk, β - peegeldusnurk.
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
Sekkumine on kahe või enama allika lainete üksteise peale asetamise protsess, mille tulemusena laineenergia jaotub ruumis ümber. Laineenergia ümberjaotamiseks ruumis on vajalik, et laineallikad oleksid koherentsed. See tähendab, et need peaksid kiirgama sama sagedusega laineid ja faasinihe nende allikate võnkumiste vahel ei tohiks aja jooksul muutuda.Olenevalt tee erinevusest (∆) kiirte kattumise punktis, maksimaalne või minimaalne interferents. Kui samafaasiliste allikate kiirte tee erinevus ∆ on võrdne lainepikkuste täisarvuga mλ (m- täisarv), siis on see maksimaalne häire:
kui poollaineid on paaritu arv, on minimaalne interferents:
Difraktsioon nimetatakse laine levimise kõrvalekaldeks sirgjoonelisest suunast või laineenergia tungimiseks geomeetrilise varju piirkonda. Difraktsioon on selgelt täheldatav juhtudel, kui takistuste ja aukude suurus, millest laine läbib, on proportsionaalsed lainepikkusega.
Üks optilistest instrumentidest, mis on hea valguse difraktsiooni jälgimiseks, on difraktsioonvõre. See on klaasplaat, millele kantakse teemandiga üksteisest võrdsel kaugusel lööke. Löökide vaheline kaugus - võrekonstant d. Võre läbivad kiired hajuvad kõigi võimalike nurkade all. Objektiiv kogub fookustasandi ühte punkti sama difraktsiooninurga all tulevaid kiireid. Tulles teise nurga alt – teistes punktides. Need kiired üksteise peale asetatuna annavad difraktsioonimustri maksimumi või miinimumi. Difraktsioonvõre maksimumide vaatlemise tingimused on järgmised:
Kus m- täisarv, λ - lainepikkus (vt joonis 10).
Tunni eesmärk
Tutvustada õpilasi valguse levimise seaduspärasustega kahe meediumi piirpinnal, anda selle nähtuse seletus valguse laineteooria seisukohalt.
|
Kodutöö: § 61, ülesanne nr 1035, 1036.
Teadmiste kontroll
Test. Valguse peegeldus
Uus materjal
Valguse murdumise jälgimine.
Kahe keskkonna piiril muudab valgus oma levimise suunda. Osa valgusenergiast naaseb esimesse keskkonda, see tähendab, et valgus peegeldub. Kui teine keskkond on läbipaistev, võib valgus osaliselt läbida keskkonna piiri, muutes reeglina ka levimissuunda. Seda nähtust nimetatakse valguse murdumine.
Murdumise tõttu täheldatakse objektide kuju, nende asukoha ja suuruse näilist muutumist. Lihtsad tähelepanekud võivad meid selles veenda. Asetage münt või muu väike ese tühja läbipaistmatu klaasi põhja. Liigutame klaasi nii, et mündi keskpunkt, klaasi serv ja silm oleksid samal sirgel. Pea asendit muutmata valame klaasi vett. Kui veetase tõuseb, tundub, et klaasi põhi koos mündiga tõuseb. Münt, mis oli varem vaid osaliselt nähtav, on nüüd täielikult nähtav. Asetage pliiats nurga all veenõusse. Kui vaatate anumat küljelt, märkate, et vees olev pliiatsiosa näib olevat küljele nihkunud.
Neid nähtusi seletatakse kiirte suuna muutumisega kahe keskkonna piiril – valguse murdumisega.
Valguse murdumise seadus määrab langeva kiire AB (vt joonist), murdunud kiire DB ja kokkupuutepunktis taastatud liidesega risti oleva CE suhtelise asukoha. Nurka α nimetatakse langemisnurgaks ja nurka β murdumisnurk.
Juhtuvaid, peegeldunud ja murdunud kiiri on lihtne jälgida, tehes nähtavaks kitsa valgusvihu. Sellise kiire edenemist õhus saab jälgida, puhudes õhku veidi suitsu või asetades ekraani kiire suhtes kerge nurga alla. Murdunud kiir on nähtav ka fluorestseiiniga toonitud akvaariumivees.
Laske tasapinnal valguslainel langeda kahe kandja vahelisele tasasele liidesele (näiteks õhust vette) (vt joonist). Lainepind AC on kiirtega A 1 A ja B 1 B risti. Pinnale MN jõuab kõigepealt kiir A 1 A . Kiir B 1 B jõuab pinnale aja Δt pärast. Seetõttu on hetkel, kui sekundaarlaine punktis B just hakkab ergastama, on punktist A lähtuv laine juba raadiusega poolkera kujuline.
Murdunud laine lainepinda saab saada, tõmmates pinna puutuja kõikidele teises keskkonnas olevatele sekundaarlainetele, mille keskpunktid asuvad keskkonna liideses. Sel juhul on see BD tasapind. See on sekundaarsete lainete ümbris. Kiire langemisnurk α on võrdne CAB-ga kolmnurgas ABC (ühe nurga küljed on risti teise nurga külgedega). Seega
Murdumisnurk β on võrdne kolmnurga ABD nurgaga ABD. Sellepärast
Jagades saadud võrrandite liikmed, saame:
|
|
kus n on langemisnurgast sõltumatu konstantne väärtus.
Konstruktsioonist (vt joonist) on selge, et langev kiir, murdunud kiir ja langemispunktis taastatud rist asetsevad samal tasapinnal. See väide koos võrrandiga, mille kohaselt langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on kahe keskkonna konstantne väärtus, esindab valguse murdumise seadus.
Murdumisseaduse kehtivust saate katseliselt kontrollida, mõõtes langemis- ja murdumisnurki ning arvutades nende siinuste suhte erinevatel langemisnurkadel. See suhtumine jääb muutumatuks.
Murdumisnäitaja.
Valguse murdumise seaduses sisalduvat konstantset väärtust nimetatakse suhteline murdumisnäitaja või teise keskkonna murdumisnäitaja esimese suhtes.
Huygensi põhimõte ei tähenda ainult murdumisseadust. Seda põhimõtet kasutades selgub murdumisnäitaja füüsiline tähendus. See võrdub valguse kiiruste suhtega keskkonnas, mille vahel toimub murdumine:
|
|
Kui murdumisnurk β on väiksem kui langemisnurk α, siis vastavalt (*) on valguse kiirus teises keskkonnas väiksem kui esimeses.
Meediumi murdumisnäitajat vaakumi suhtes nimetatakse selle keskkonna absoluutne murdumisnäitaja. See võrdub langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhtega, kui valguskiir liigub vaakumist antud keskkonda.
Valemi (**) abil saame väljendada suhtelist murdumisnäitajat esimese ja teise kandja absoluutsete murdumisnäitajate n 1 ja n 2 kaudu.
Tõepoolest, alates
| Ja |
kus c on valguse kiirus vaakumis, siis
Tavaliselt nimetatakse madalama absoluutse murdumisnäitajaga keskkonda optiliselt vähem tihe keskkond.
Absoluutse murdumisnäitaja määrab valguse levimise kiirus antud keskkonnas, mis sõltub keskkonna füüsikalisest olekust, st aine temperatuurist, tihedusest ja elastsete pingete olemasolust selles. Murdumisnäitaja oleneb ka valguse enda omadustest. Tavaliselt on see punase valguse jaoks väiksem kui rohelise ja rohelise valguse jaoks vähem kui violetse valguse jaoks.
Seetõttu näitavad erinevate ainete murdumisnäitaja väärtuste tabelid tavaliselt, millisele valgusele antakse antud väärtus n ja millises olekus keskkond on. Kui selliseid märke pole, võib see sõltuvuse nendest teguritest tähelepanuta jätta.
Enamasti tuleb arvestada valguse üleminekuga läbi õhk-tahke või õhk-vedelik piiri, mitte läbi vaakum-keskkonna piiri. Tahke või vedela aine absoluutne murdumisnäitaja n 2 erineb aga veidi sama aine murdumisnäitajast õhu suhtes. Seega on normaalsetes tingimustes kollase valguse korral õhu absoluutne murdumisnäitaja ligikaudu 1,000292. Seega
Tunni tööleht
Näidisvastused
"Valguse murdumine"