Eksperimendi läbiviimine
Tõenäoliselt märkasid igaüks, et veeklaasis tundub, et vee ja õhu piiril torgav lusikas on kuidagi katki. Täpselt sama pilti näeme järve või jõe kaldal, mille veehoidlast paistab kasvav muru. Seda vaadates jääb mulje, et vee ja õhu piiril kaldub see rohulible külili. Muidugi mõistame suurepäraselt, et need objektid jäävad samaks, nagu nad olid enne vette kukkumist. Kuid see, mida me vaatleme ja mis sellise visuaalse efekti tekitab, on valguse murdumine selle levimisel.
Eelmistes tundides juba uuritud materjalist peate meeles pidama, et selleks, et teha kindlaks, millises suunas valguskiir kaht keskkonda eraldava piiri läbimisel kõrvale kaldub, peame teadma, kummal meediumi kiirus on valgus on aeglasem ja milles veel üks.
Suurema selguse huvides teeme teiega väikese katse. Võtame näiteks optilise ketta ja asetame selle keskele klaasplaadi. Nüüd proovime sellele plaadile suunata valgusvihu. Ja mida me näeme? Nägime, et kohas, kust õhk-klaasi piir läbib, peegeldub valgus. Kuid lisaks sellele, et valgus peegeldus, näeme ka seda, kuidas see klaasi sisse tungis ja samal ajal ka levimissuunda muutis.
Nüüd vaadake, kuidas see on näidatud joonisel:
Proovime nüüd seda nähtust defineerida.
Valguse murdumine on nähtus, mis muudab liikumise suunda valguskiirülemineku hetkel ühest keskkonnast teise.
Läheme uuesti oma joonise juurde tagasi. Sellel näeme, et AO tähistab langevat kiirt, OB on peegeldunud kiir ja OE on murdunud kiir. Mis juhtuks, kui me võtaksime ja suunaksime kiire EO suunas? Juhtus see, et vastavalt "valguskiirte pöörduvuse" seadusele väljub see kiir klaasist OA suunas.
Sellest järeldub, et need kandjad, mis on võimelised valgust edastama, on reeglina erinevad optiline tihedus ja erinevad valguse kiirused. Ja selleks, et saaksite aru, et valguse kiirus sõltub tihedusest. See tähendab, et mida suurem on keskkonna optiline tihedus, seda väiksem on selle valguse kiirus ja samal ajal murrab see tugevamini väljast tulevat valgust.
Kuidas valguse murdumine toimub?
Esimest korda tekkis selline nähtus nagu valguse murdumine 17. sajandil. Isa Maignan andis seletuse. Tema väidete kohaselt järeldub sellest, et kui valgus liigub ühest keskkonnast teise, muudab selle kiir suunda, mida võib võrrelda “sõduririnde” liikumisega, mis muudab marssi ajal suunda. Kujutagem ette heinamaad, mida mööda kõnnib sõdurite kolonn ja siis selle heinamaa blokeerib põllumaa, mille piir kulgeb rinde suhtes viltu.
Põllumaale jõudnud sõdurid hakkavad hoogu maha võtma ja need sõdurid, kes pole veel sellele piirile jõudnud, jätkavad teekonda sama kiirusega. Ja siis juhtub see, et piiri ületanud sõdurid, kes kõnnivad läbi põllumaa, hakkavad maha jääma oma relvavendadest, kes ikka veel läbi heinamaa kõnnivad ja nii hakkab väekolonn tasapisi ümber pöörama. . Selle protsessi illustreerimiseks võite vaadata allolevat joonist.
Täpselt sama protsessi jälgime ka valguskiirega. Selleks, et teada saada, millises suunas valguskiir kaldub hetkel, kui see ületab kahe keskkonna piiri, on vaja ettekujutust, kummal neist on valguse kiirus suurem ja millises vastupidi , vähem.
Ja kuna meil on juba ettekujutus, et valgus on elektromagnetlained, siis kõik, mida me teame elektromagnetlainete levimiskiirusest, kehtib ka valguse kiiruse kohta.
Tuleb märkida, et vaakumis on valguse kiirus maksimaalne:
Mateerias on valguse kiirus erinevalt vaakumist alati väiksem: v
Söötme optiline tihedus
Meediumi optilise tiheduse määrab see, kuidas valguskiir läbi keskkonna levib. Optiliselt tihedam on keskkond, millel on väiksem valguse kiirus.
Keskkonda, milles valguse kiirus on aeglasem, nimetatakse "optiliselt tihedamaks";
Keskkonda, milles valguse kiirus on suurem, nimetatakse "optiliselt vähem tihedaks".
Kui võtta optilise tiheduse võrdlemiseks õhk, klaas ja vesi, siis õhu ja klaasi võrdlemisel on klaasil optiliselt tihedam keskkond. Samuti on klaas võrreldes klaasi ja veega optiliselt tihedam keskkond.
Murdumisnurk
Sellest kogemusest näeme, et kui see siseneb tihedamasse keskkonda, kaldub valguskiir alguses olnud suunast kõrvale ja muudab suunda risti suunas, kus asub kahe meediumi vaheline liides. Ja pärast optiliselt vähem tihedasse keskkonda sisenemist kaldub valguskiir sel juhul vastupidises suunas.
"α" on langemisnurk, "β" on murdumisnurk.
Valguse murdumine kolmnurkses prismas
Valguse murdumise seadust kasutades on võimalik arvutada kiirte teekond klaaskolmnurkse prisma jaoks.
Joonisel 87 saab täpsemalt jälgida kiirte teed selles prismas:
Valguse murdumine silmas
Kas olete kunagi märganud, et vanni veega täites jääb mulje, et vett on seal vähem kui tegelikult. Jõe, tiigi ja järvega seoses avaneb sama pilt, kuid kõige selle põhjuseks on just selline nähtus nagu valguse murdumine.
Kuid nagu aru saate, osalevad kõigis nendes protsessides aktiivselt ka meie silmad. Näiteks selleks, et saaksime näha teatud punkti “S” reservuaari põhjas, on esmalt vaja, et valguskiired läbiksid selle punkti ja siseneksid seda vaatava inimese silma.
Ja siis tajub valguskiir, mis on läbinud murdumisperioodi vee ja õhu piiril, juba valgusena, mis pärineb näiliselt kujutiselt "S1", kuid asub punktist "S" kõrgemal. reservuaari põhja.
Veehoidla kujuteldav sügavus "h" on ligikaudu ¾ selle tegelikust sügavusest H. Seda nähtust kirjeldas esmakordselt Euclid.
Kodutöö
1. Tooge näiteid valguse murdumise kohta, mida olete kohanud Igapäevane elu.
2. Otsige teavet Eukleidese katse kohta ja proovige seda katset korrata.
Valguse murdumise seadused.
Murdumisnäitaja füüsiline tähendus. Valgus murdub selle levimiskiiruse muutumise tõttu ühest keskkonnast teise üleminekul. Teise keskkonna murdumisnäitaja esimese suhtes on arvuliselt võrdne valguse kiiruse suhtega esimeses keskkonnas ja valguse kiiruses teises keskkonnas:
Seega näitab murdumisnäitaja, mitu korda on valguse kiirus keskkonnas, millest kiir väljub, suurem (väiksem) valguse kiirusest keskkonnas, kuhu see siseneb.
Kuna elektromagnetlainete levimiskiirus vaakumis on konstantne, on soovitatav määrata erinevate ainete murdumisnäitajad vaakumi suhtes. Kiiruse suhe Koos nimetatakse valguse levimist vaakumis selle levimiskiiruseni antud keskkonnas absoluutne murdumisnäitaja sellest ainest() ja on selle peamine omadus optilised omadused,
,
need. teise keskkonna murdumisnäitaja esimese suhtes on võrdne nende keskkondade absoluutnäitajate suhtega.
Tavaliselt iseloomustab aine optilisi omadusi selle murdumisnäitaja n õhu suhtes, mis erineb vähe absoluutsest murdumisnäitajast. Samas keskkond, milles absoluutne näitaja rohkem nimetatakse optiliselt tihedamaks.
Piira murdumisnurka. Kui valgus liigub madalama murdumisnäitajaga keskkonnast kõrgema murdumisnäitajaga keskkonda ( n 1< n 2 ), siis on murdumisnurk väiksem kui langemisnurk
r< i (joonis 3).
Riis. 3. Valguse murdumine üleminekul
optiliselt vähemtihedast keskkonnast keskkonda
optiliselt tihedam.
Kui langemisnurk suureneb kuni ma m = 90° (kiir 3, joonis 2) valgus teises keskkonnas levib ainult nurga piires r pr , kutsus murdumisnurka piirav. Teise keskkonna piirkonnas nurga piires, mis on lisaks murdumisnurgale (90° - i pr ), valgus ei tungi (joonisel 3 on see ala varjutatud).
Piira murdumisnurka r pr
Kuid sin i m = 1, seega .
Totaalse sisemise peegelduse fenomen. Kui valgus liigub kõrge murdumisnäitajaga keskkonnast n 1 > n 2 (joon. 4), siis on murdumisnurk suurem kui langemisnurk. Valgus murdub (läheb teise keskkonda) ainult langemisnurga piires i pr , mis vastab murdumisnurgale r m = 90°.
Riis. 4. Valguse murdumine optiliselt tihedamast keskkonnast keskkonnale üleminekul
optiliselt vähem tihe.
Suure nurga all langev valgus peegeldub täielikult kandja piirilt (joonis 4, kiir 3). Seda nähtust nimetatakse täielikuks sisepeegelduseks ja langemisnurgaks i pr – sisemise täieliku peegelduse piirnurk.
Sisemise täieliku peegelduse piirnurk i pr määratakse vastavalt tingimusele:
, siis sin r m =1, seega, .
Kui valgus tuleb mis tahes keskkonnast vaakumisse või õhku, siis
Nende kahe kandja kiirtetee pöörduvuse tõttu piirnurk murdumine üleminekul esimeselt keskkonnalt teisele on võrdne kogu sisemise peegelduse piirnurgaga kiirte üleminekul teisest keskkonnast esimesele.
Klaasi sisemise täieliku peegelduse piirnurk on väiksem kui 42°. Seetõttu peegelduvad läbi klaasi liikuvad ja selle pinnale 45° nurga all langevad kiired täielikult. Seda klaasi omadust kasutatakse pöörlevates (joonis 5a) ja pööratavates (joonis 4b) prismades, mida sageli kasutatakse optilised instrumendid.
Riis. 5: a – pöördprisma; b – pööratav prisma.
Fiiberoptika. Täielik sisemine peegeldus kasutatakse painduvate paigaldamisel valgusjuhikud. Valgus, mis siseneb läbipaistvasse kiudu, mida ümbritseb madalama murdumisnäitajaga aine, peegeldub mitu korda ja levib mööda seda kiudu (joonis 6).
Joonis 6. Valguse läbimine läbipaistva kiu sees, mis on ümbritsetud ainega
madalama murdumisnäitajaga.
Suurte valgusvoogude edastamiseks ja valgust juhtiva süsteemi paindlikkuse säilitamiseks kogutakse üksikud kiud kimpudesse - valgusjuhikud. Optika haru, mis tegeleb valguse ja kujutiste edastamisega läbi optiliste kiudude, nimetatakse fiiberoptika. Sama terminit kasutatakse fiiberoptiliste osade ja seadmete endi kohta. Meditsiinis kasutatakse valgusjuhte sisemiste õõnsuste valgustamiseks külma valgusega ja kujutiste edastamiseks.
Ainete murdumisnäitaja määramise seadmeid nimetatakse refraktomeetrid(joonis 7).
Joonis 7. Refraktomeetri optiline diagramm.
1 – peegel, 2 – mõõtepea, 3 – prismasüsteem dispersiooni kõrvaldamiseks, 4 – lääts, 5 – pöörlev prisma (kiire pöörlemine 90 0 võrra), 6 – skaala (mõnedes refraktomeetrites)
Seal on kaks skaalat: murdumisnäitaja skaala ja lahuse kontsentratsioonid),
7 – okulaar.
Refraktomeetri põhiosa moodustab mõõtepea, mis koosneb kahest prismast: valgustusprismast, mis asub pea kokkupandavas osas, ja mõõtepeast.
Valgustusprisma väljapääsu juures tekitab selle matt pind hajutatud valgusvihu, mis läbib uuritavat vedelikku (2-3 tilka) prismade vahelt. Kiired langevad mõõteprisma pinnale erinevate nurkade all, sh 90 0 nurga all. Mõõteprismas kogutakse kiired murdumisnurga piiramise piirkonda, mis seletab valguse-varju piiri tekkimist seadme ekraanil.
Joonis 8. Kiire tee mõõtepeas:
1 – valgustusprisma, 2 – testvedelik,
3 – mõõteprisma, 4 – ekraan.
SUHKRU PROTSESSI MÄÄRAMINE LAHUSES
Looduslik ja polariseeritud valgus. Nähtav valgus - See elektromagnetlained võnkesagedusega vahemikus 4∙10 14 kuni 7,5∙10 14 Hz. Elektromagnetlained on põiki: elektri- ja magnetvälja tugevuste vektorid E ja H on üksteisega risti ja asuvad tasapinnal, vektoriga risti laine levimise kiirus.
Tulenevalt sellest, et nii keemiline kui bioloogiline mõju valgus on peamiselt tingitud elektrilisest komponendist elektromagnetlaine, vektor E nimetatakse selle välja tugevust valguse vektor, ja selle vektori võnketasand on valguslainete võnkumiste tasapind.
Igas valgusallikas kiirgavad laineid paljud aatomid ja molekulid, nende lainete valgusvektorid paiknevad erinevatel tasapindadel ning vibratsioonid esinevad erinevates faasides. Sellest tulenevalt muudab tekkiva laine valgusvektori võnketasand pidevalt oma asukohta ruumis (joon. 1). Sellist valgust nimetatakse loomulik, või polariseerimata.
Riis. 1. Kiire ja loomuliku valguse skemaatiline esitus.
Kui valite kaks vastastikku risti asetsevad tasapinnad, läbides loomuliku valgusvihu ja projitseerida vektorid E tasapinnale, siis on need projektsioonid keskmiselt samad. Seega on mugav kujutada loomuliku valguse kiirt sirgjoonena, millel sama number need ja muud projektsioonid kriipsude ja punktide kujul:
Kui valgus läbib kristalle, on võimalik saada valgust, mille laine võnketasand on ruumis konstantsel positsioonil. Sellist valgust nimetatakse korter- või lineaarselt polariseeritud. Aatomite ja molekulide järjestatud paigutuse tõttu ruumivõres edastab kristall ainult antud võrele iseloomulikus teatud tasapinnas esinevaid valgusvektori vibratsioone.
Mugav on kujutada tasapinnaliselt polariseeritud valguslainet järgmisel viisil:
Valguse polarisatsioon võib olla ka osaline. Sel juhul ületab valgusvektori võnkumiste amplituud ükskõik millisel tasapinnal oluliselt teiste tasandite võnkumiste amplituudid.
Osaliselt polariseeritud valgust saab tinglikult kujutada järgmiselt: jne. Joonte ja punktide arvu suhe määrab valguse polarisatsiooniastme.
Kõigi loodusliku valguse polariseeritud valguseks muundamise meetodite puhul valitakse polarisatsioonitasandi väga spetsiifilise orientatsiooniga komponendid täielikult või osaliselt loodusliku valguse hulgast.
Polariseeritud valguse tekitamise meetodid: a) valguse peegeldumine ja murdumine kahe dielektriku piiril; b) valguse läbilaskmine läbi optiliselt anisotroopsete üheteljeliste kristallide; c) valguse edastamine läbi meediumi, mille optiline anisotroopia on kunstlikult loodud elektriliste või magnetväli, samuti deformatsiooni tõttu. Need meetodid põhinevad nähtusel anisotroopia.
Anisotroopia on mitmete omaduste (mehaanilised, termilised, elektrilised, optilised) sõltuvus suunast. Nimetatakse kehasid, mille omadused on igas suunas ühesugused isotroopne.
Polariseerumist täheldatakse ka valguse hajumise ajal. Mida kõrgem on polarisatsiooniaste väiksemad suurused osakesed, millel toimub hajumine.
Polariseeritud valguse tekitamiseks mõeldud seadmeid nimetatakse polarisaatorid.
Valguse polariseerumine peegelduse ja murdumise ajal kahe dielektriku vahelisel liidesel. Kui loomulik valgus peegeldub ja murdub kahe isotroopse dielektriku vahelisel liidesel, läbib see lineaarse polarisatsiooni. Suvalise langemisnurga korral on peegeldunud valguse polarisatsioon osaline. Peegeldunud kiires domineerivad langemistasandiga risti olevad võnked ja murdunud kiires sellega paralleelsed võnked (joonis 2).
Riis. 2. Loodusliku valguse osaline polarisatsioon peegelduse ja murdumise ajal
Kui langemisnurk rahuldab tingimust tan i B = n 21, siis on peegeldunud valgus täielikult polariseeritud (Brewsteri seadus) ja murdunud kiir pole täielikult polariseeritud, vaid maksimaalselt (joonis 3). Sel juhul on peegeldunud ja murdunud kiired üksteisega risti.
– suhteline näitaja kahe kandja murdumine, i B – Brewsteri nurk.
Riis. 3. Peegeldunud kiire täielik polarisatsioon peegelduse ja murdumise ajal
kahe isotroopse dielektriku vahelisel liidesel.
Kahepoolne murdumine. On mitmeid kristalle (kaltsiit, kvarts jne), milles valguskiir murdumisel jaguneb kaheks kiireks koos erinevad omadused. Kaltsiit (Iceland spar) on kuusnurkse võrega kristall. Sümmeetriatelg kuusnurkne prisma selle raku moodustamist nimetatakse optiliseks teljeks. Optiline telg ei ole joon, vaid suund kristallis. Iga selle suunaga paralleelne sirgjoon on ka optiline telg.
Kui lõigata kaltsiidikristallist plaat nii, et selle servad on optilise teljega risti, ja suunata valgusvihk mööda optilist telge, siis selles muutusi ei toimu. Kui suunata kiir optilise telje suhtes nurga all, jaguneb see kaheks kiireks (joonis 4), millest ühte nimetatakse tavaliseks, teist erakorraliseks.
Riis. 4. Kaksikmurdumine valguse läbimisel kaltsiitplaati.
MN – optiline telg.
Tavaline kiir asub langemistasandil ja selle murdumisnäitaja on antud aine jaoks normaalne. Erakorraline kiir asub tasapinnal, mis läbib langevat kiirt ja kiire langemispunktis tõmmatud kristalli optilist telge. Seda lennukit nimetatakse kristalli põhitasapind. Tavaliste ja erakorraliste kiirte murdumisnäitajad on erinevad.
Polariseeritud on nii tavalised kui ka erakordsed kiired. Tavaliste kiirte võnketasand on põhitasandiga risti. Erakordsete kiirte võnkumised toimuvad kristalli põhitasandil.
Topeltmurdmise nähtus on tingitud kristallide anisotroopsusest. Piki optilist telge on tavaliste ja erakorraliste kiirte valguslaine kiirus sama. Teistes suundades on erakorralise laine kiirus kaltsiidis suurem kui tavalisel. Suurim erinevus mõlema laine kiiruste vahel toimub optilise teljega risti olevas suunas.
Vastavalt Huygensi printsiibile tekib kaksikmurdmise käigus igas kristalli piirini jõudva laine pinna punktis korraga kaks elementaarlainet (mitte ainult üks, nagu tavakeskkonnas), mis levivad kristallis.
Ühe laine levimiskiirus kõigis suundades on sama, s.o. lainel on sfääriline kuju ja seda nimetatakse tavaline. Teise laine levimiskiirus kristalli optilise telje suunas on sama kui tavalise laine kiirus ja optilise teljega risti olevas suunas erineb see sellest. Lainel on ellipsoidne kuju ja seda nimetatakse erakordne(joonis 5).
Riis. 5. Tavaliste (o) ja erakorraliste (e) lainete levik kristallis
kahekordse murdumisega.
Prisma Nicolas. Polariseeritud valguse saamiseks kasutatakse Nicolase polariseerivat prismat. Kaltsiidist tehakse prisma teatud kuju ja suurused, siis saetakse see mööda diagonaaltasapinda ja liimitakse kokku Kanada palsamiga. Kui valgusvihk langeb sisse ülemine serv Mööda prisma telge (joon. 6) langeb liimimistasandile väiksema nurga all erakordne kiir, mis läbib peaaegu suunda muutmata. Tavaline kiir langeb nurgast suurema nurga all täielik peegeldus Kanada palsami puhul peegeldub liimimistasandilt ja neeldub prisma mustaks muutunud servast. Nicolase prisma toodab täielikult polariseeritud valgust, mille vibratsioonitasand asub prisma põhitasandil.
Riis. 6. Nicolas prisma. Tavaline läbipääsuskeem
ja erakordsed kiired.
Dikroism. On kristalle, mis neelavad tavalisi ja erakordseid kiiri erinevalt. Seega, kui optilise telje suunaga risti olevale turmaliini kristallile suunata loomuliku valguse kiir, siis vaid mõne millimeetrise plaadi paksuse korral neeldub tavaline valgusvihk täielikult ja sealt väljub vaid erakordne kiir. kristall (joonis 7).
Riis. 7. Valguse läbimine läbi turmaliini kristalli.
Tavaliste ja erakordsete kiirte neeldumise erinevat olemust nimetatakse imendumise anisotroopia, või dikroism. Seega saab turmaliini kristalle kasutada ka polarisaatoritena.
Polaroidid. Praegu kasutatakse laialdaselt polarisaatoreid Polaroidid. Polaroidi valmistamiseks liimitakse kahe klaas- või pleksiklaasplaadi vahele läbipaistev kile, mis sisaldab valgust polariseeriva dikroilise aine (näiteks jodokinoonsulfaadi) kristalle. Kile valmistamise protsessis on kristallid orienteeritud nii, et nende optilised teljed on paralleelsed. Kogu see süsteem on raamis fikseeritud.
Polaroidide odavus ja plaatide valmistamise võimalus suur ala taganud nende laialdase kasutamise praktikas.
Polariseeritud valguse analüüs. Valguse olemuse ja polarisatsiooniastme uurimiseks kasutati seadmeid nn analüsaatorid. Analüsaatorid kasutavad samu seadmeid, mida kasutatakse lineaarselt polariseeritud valguse saamiseks – polarisaatoreid, kuid mis on kohandatud ümber pikitelje pöörlemiseks. Analüsaator läbib ainult vibratsiooni, mis langeb kokku selle põhitasandiga. IN muidu Analüsaatorit läbib ainult see vibratsioonikomponent, mis langeb kokku selle tasapinnaga.
Kui analüsaatorisse sisenev valguslaine on lineaarselt polariseeritud, siis analüsaatorist väljuva laine intensiivsus on Maluse seadus:
,
kus I 0 on sissetuleva valguse intensiivsus, φ on nurk sissetuleva valguse tasandite ja analüsaatori poolt edastatava valguse vahel.
Valguse läbimine läbi polarisaator-analüsaatori süsteemi on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. 8.
Riis. 8. Diagramm valguse läbimise kohta läbi polarisaator-analüsaatori süsteemi (P – polarisaator,
A – analüsaator, E – ekraan):
a) polarisaatori ja analüsaatori põhitasandid langevad kokku;
b) polarisaatori ja analüsaatori põhitasandid asetsevad teatud nurga all;
c) polarisaatori ja analüsaatori põhitasandid on üksteisega risti.
Kui polarisaatori ja analüsaatori põhitasandid langevad kokku, siis valgus läbib analüsaatori täielikult ja valgustab ekraani (joonis 7a). Kui need asuvad teatud nurga all, siis valgus läbib analüsaatorit, kuid nõrgeneb (joonis 7b), mida rohkem, seda lähemal on see nurk 90 0-le. Kui need tasapinnad on üksteisega risti, kustutab analüsaator valguse täielikult (joonis 7c).
Polariseeritud valguse vibratsioonitasandi pöörlemine. Polarimeetria. Mõned kristallid kui ka lahused orgaaniline aine neil on omadus pöörata neid läbiva polariseeritud valguse võnketasandit. Neid aineid nimetatakse optiliselt A aktiivne. Nende hulka kuuluvad suhkrud, happed, alkaloidid jne.
Enamiku optiliselt aktiivsete ainete puhul on avastatud kahe modifikatsiooni olemasolu, mis pööravad polarisatsioonitasapinda vastavalt päripäeva ja vastupäeva (kiire poole vaatava vaatleja jaoks). Esimest modifikatsiooni nimetatakse paremale pöörav või positiivne, teine - vasakukäeline, või negatiivne.
Aine loomulik optiline aktiivsus mittekristallilises olekus tuleneb molekulide asümmeetriast. IN kristalsed ained optilist aktiivsust saab määrata ka võres molekulide paigutuse iseärasuste järgi.
Tahketes kehades on polarisatsioonitasandi pöördenurk φ otseselt võrdeline valguskiire tee pikkusega d kehas:
kus α – pöörlemisvõime (eripööre), sõltuvalt aine tüübist, temperatuurist ja lainepikkusest. Vasaku- ja paremakäeliste modifikatsioonide puhul on pöörlemisvõime suurusjärgus sama.
Lahenduste puhul polarisatsioonitasandi pöördenurk
,
kus α on eripööre, c on optiliselt aktiivse aine kontsentratsioon lahuses. α väärtus sõltub optiliselt aktiivse aine ja lahusti olemusest, temperatuurist ja valguse lainepikkusest. Spetsiifiline pöörlemine– see on pöördenurk 100 korda suurendatud 1 dm paksuse lahuse puhul ainekontsentratsioonil 1 gramm 100 cm 3 lahuse kohta temperatuuril 20 0 C ja valguse lainepikkusel λ = 589 nm. Nimetatakse väga tundlikku meetodit kontsentratsiooni c määramiseks selle seose alusel polarimeetria (sahharimeetria).
Polarisatsioonitasandi pöörlemise sõltuvust valguse lainepikkusest nimetatakse pöörlev dispersioon. Esimesel hinnangul on meil Bioti seadus:
kus A on aine olemusest ja temperatuurist sõltuv koefitsient.
Kliinilises keskkonnas meetod polarimeetria kasutatakse suhkru kontsentratsiooni määramiseks uriinis. Selleks kasutatav seade on nn sahharimeeter(Joonis 9).
Riis. 9. Sahharimeetri optiline disain:
ma olen loomuliku valguse allikas;
C – valgusfilter (monokromaator), mis tagab seadme töö koordineerimise
koos Bioti seadusega;
L – koguv lääts, mis tekitab väljundis paralleelset valgusvihku;
P – polarisaator;
K – katselahusega tuub;
A – analüsaator, mis on paigaldatud jaotustega pöörlevale kettale D.
Uuringu läbiviimisel seatakse analüsaator esmalt ilma katselahuseta vaatevälja maksimaalsele tumenemisele. Seejärel asetatakse seadmesse lahusega toru ja analüsaatorit pöörates tumeneb vaateväli uuesti. Kahest nurgast, mille kaudu analüsaatorit tuleb pöörata, väiksem on uuritava aine pöördenurk. Suhkru kontsentratsioon lahuses arvutatakse nurga järgi.
Arvutuste lihtsustamiseks tehakse lahusega toru nii pikk, et analüsaatori pöördenurk (kraadides) on arvuliselt võrdne kontsentratsiooniga Koos lahus (grammides 100 cm3 kohta). Glükoositoru pikkus on 19 cm.
Polarisatsioonimikroskoopia. Meetod põhineb anisotroopia mõned rakkude ja kudede komponendid, mis ilmnevad nende vaatlemisel polariseeritud valguses. Paralleelselt paiknevatest molekulidest või virna paigutatud ketastest koosnevad struktuurid, kui need viiakse keskkonda, mille murdumisnäitaja erineb struktuuri osakeste murdumisnäitajast, on võimelised kahekordne murdumine. See tähendab, et struktuur edastab polariseeritud valgust ainult siis, kui polarisatsioonitasand on paralleelne osakeste pikkade telgedega. See kehtib ka siis, kui osakestel ei ole sisemist kahekordset murdumist. Optiline anisotroopia täheldatud lihastes, sidekoes (kollageen) ja närvikiududes.
Skeletilihaste nimi " triibuline" on seotud lihaskiudude üksikute osade optiliste omaduste erinevustega. See koosneb vahelduvatest tumedamatest ja heledamatest kudede aineosadest. See annab kiule risttriibud. Lihaskiudude uurimine polariseeritud valguses näitab, et tumedamad alad on anisotroopne ja neil on omadused kahekordne murdumine, samas kui tumedamad alad on isotroopne. Kollageen kiud on anisotroopsed, nende optiline telg paikneb piki kiu telge. Mitsellid viljaliha kestas neurofibrillid on samuti anisotroopsed, kuid nende optilised teljed paiknevad radiaalsetes suundades. Nende struktuuride histoloogiliseks uurimiseks kasutatakse polariseerivat mikroskoopi.
Kõige olulisem komponent Polariseerivas mikroskoobis kasutatakse polarisaatorit, mis asub valgusallika ja kondensaatori vahel. Lisaks on mikroskoobis pöörlev staadium ehk proovihoidik, objektiivi ja okulaari vahel paiknev analüsaator, mille saab paigaldada nii, et selle telg on polarisaatori teljega risti, ning kompensaator.
Kui polarisaator ja analüsaator on ristatud ja objekt puudub või isotroopne, väli näib ühtlaselt tume. Kui on objekt, mis on kaksikmurdev ja see asub nii, et selle telg on polarisatsioonitasandi suhtes nurga all, mis ei ole 0 0 või 90 0, siis eraldab see polariseeritud valguse kaheks komponendiks - paralleelseks ja tasandiga risti. analüsaatorist. Järelikult läbib osa valgust analüsaatorist, mille tulemuseks on ere kujutis objektist tumedal taustal. Kui objekt pöörleb, muutub selle kujutise heledus, saavutades maksimumi 45 0 nurga all polarisaatori või analüsaatori suhtes.
Molekulide orientatsiooni uurimiseks kasutatakse polarisatsioonimikroskoopiat bioloogilised struktuurid(näiteks lihasrakud), samuti muude meetodite kasutamisel nähtamatud struktuuride (näiteks mitootiline spindel raku jagunemise ajal) vaatlusel, spiraalse struktuuri tuvastamine.
Polariseeritud valgus kasutatakse mudeltingimustes luukoes tekkivate mehaaniliste pingete hindamiseks. See meetod põhineb fotoelastsuse nähtusel, mis seisneb optilise anisotroopia ilmnemises algselt isotroopsetes tahketes ainetes mehaaniliste koormuste mõjul.
VALGUSE LAINEPIKUSE MÄÄRAMINE DIFRAKTSIOONVÕRE KASUTAMINE
Valguse interferents. Valguse interferents on nähtus, mis tekib siis, kui valguslained on üksteise peale asetatud ja millega kaasneb nende tugevnemine või nõrgenemine. Stabiilne interferentsimuster tekib koherentsete lainete pealekandmisel. Sidusad lained nimetatakse võrdse sagedusega ja identsete faasidega või püsiva faasinihkega laineid. Valguslainete võimendamine interferentsi ajal (maksimaalne tingimus) toimub juhul, kui Δ sobib paarisarv pool lainepikkused:
Kus k – maksimaalne järjestus, k=0,±1,±2,±,…±n;
λ - valguse lainepikkus.
Valguslainete sumbumist interferentsi ajal (minimaalne tingimus) täheldatakse, kui optilise tee erinevus Δ sobib paaritu number pool lainepikkused:
Kus k - minimaalne tellimus.
Kahe kiire tee optiline erinevus on kauguste erinevus allikatest interferentsimustri vaatluspunktini.
Häired õhukeste kilede töös.Õhukeste kilede häireid võib täheldada seebimulle, petrooleumilaigul veepinnal, kui seda päikesevalgus valgustab.
Laske pinnal õhuke film tala 1 langeb (vt joon. 2). Õhk-kile piiril murdunud kiir läbib kilet ja peegeldub sellelt sisepind, läheneb kile välispinnale, murdub kile-õhu piiril ja väljub kiir. Suuname kiire 2 kiire väljumispunkti, mis kulgeb paralleelselt kiirega 1. Kiir 2 peegeldub kile pinnalt, asetatakse kiirele ja mõlemad talad segavad.
Kui kile on valgustatud polükromaatilise valgusega, saame vikerkaarepildi. Seda seletatakse asjaoluga, et kile ei ole paksusega ühtlane. Järelikult tekivad erineva suurusega teeerinevused, mis vastavad erinevad pikkused lained (värvilised seebikiled, mõnede putukate ja lindude tiibade sillerdavad värvid, õli- või õlikiled veepinnal jne).
Valguse häireid kasutatakse seadmetes, mida nimetatakse interferomeetriteks. Interferomeetrid kutsutakse optilised seadmed, mille abil on võimalik kahte kiirt ruumiliselt eraldada ja tekitada nende vahele teatav teevahe. Interferomeetreid kasutatakse lainepikkuste määramiseks kõrge aste lühikeste vahemaade täpsus, ainete murdumisnäitajad ja optiliste pindade kvaliteedi määramine.
Sanitaar- ja hügieenilistel eesmärkidel kasutatakse interferomeetrit kahjulike gaaside sisalduse määramiseks.
Interferomeetri ja mikroskoobi (interferentsimikroskoobi) kombinatsiooni kasutatakse bioloogias läbipaistvate mikroobjektide murdumisnäitaja, kuivaine kontsentratsiooni ja paksuse mõõtmiseks.
Huygensi-Fresneli põhimõte. Huygensi järgi on iga punkt keskkonnas, kuhu primaarlaine antud hetkel jõuab, sekundaarlainete allikaks. Fresnel täpsustas seda Huygensi seisukohta, lisades, et sekundaarlained on koherentsed, s.t. üksteise peale asetades tekitavad nad stabiilse interferentsimustri.
Valguse difraktsioon. Valguse difraktsioon on valguse kõrvalekaldumine sirgjoonelisest levimisest.
Difraktsioon paralleelsetes kiirtes ühest pilust. Laske sihtlaiusel V langeb paralleelselt monokromaatilise valguse kiir (vt joonis 3):
Kiirte teele on paigaldatud lääts L , mille fookustasandil ekraan asub E . Enamik kiiri ei difraktsiooni, s.t. ärge muutke nende suunda ja need teravustab objektiiv L ekraani keskel, moodustades keskse maksimumi või maksimumi null järjekord. Võrdsete difraktsiooninurkade korral difraktsioonivad kiired φ , moodustavad ekraanil maksimumid 1,2,3,… n - suurusjärgud.
Seega on ühest paralleelkiirte pilust monokromaatilise valgusega valgustamisel saadud difraktsioonimuster ekraani keskel maksimaalse valgustusega hele triip, siis on tume triip (minimaalselt 1. järku), siis on valgus. triip (maksimaalselt 1. järku), tume riba (minimaalselt 2. järku), maksimaalne 2. järku jne. Difraktsioonimuster on keskse maksimumi suhtes sümmeetriline. Kui pilu valgustatakse valge valgusega, moodustub ekraanile värvitriipude süsteem, ainult keskne maksimum säilitab langeva valguse värvi.
Tingimused max Ja min difraktsioon. Kui optilise tee erinevuses Δ paaritu arv segmente võrdub , siis täheldatakse valguse intensiivsuse suurenemist ( max difraktsioon):
Kus k – maksimumjärk; k =±1,±2,±…,± n;
λ - lainepikkus.
Kui optilise tee erinevuses Δ paarisarv segmente võrdub , siis täheldatakse valguse intensiivsuse nõrgenemist ( min difraktsioon):
Kus k - minimaalne tellimus.
Difraktsioonivõre. Difraktsioonvõre koosneb vahelduvatest triipudest, mis on valgusele läbipaistmatud, ja võrdse laiusega triibud (pilud), mis on valgusele läbipaistvad.
Peamine omadus difraktsioonvõre on selle periood d . Difraktsioonvõre periood on läbipaistvate ja läbipaistmatute triipude kogulaius:
Seadme eraldusvõime suurendamiseks kasutatakse optilistes instrumentides difraktsioonvõre. Difraktsioonvõre lahutusvõime sõltub spektri järjekorrast k ja löökide arvu kohta N :
Kus R - resolutsioon.
Difraktsioonivõre valemi tuletamine. Suuname difraktsioonivõrele kaks paralleelset kiirt: 1 ja 2 nii, et nendevaheline kaugus võrdub võre perioodiga d .
Punktides A Ja IN kiired 1 ja 2 difrakteeruvad, kaldudes sirgjoonelisest suunast nurga all φ - difraktsiooninurk.
Kiired Ja fokusseeritud objektiiviga L objektiivi fookustasandil asuvale ekraanile (joonis 5). Iga resti pilu võib pidada sekundaarsete lainete allikaks (Huygensi-Fresneli põhimõte). Ekraanil punktis D jälgime interferentsi mustri maksimumi.
Punktist A kiirteel kukutage risti ja saate punkti C. vaatleme kolmnurka ABC : täisnurkne kolmnurk, ÐVAC=Ðφ nagu vastastikku risti olevate külgedega nurgad. Alates Δ ABC:
Kus AB=d (ehituse järgi),
CB = Δ - optilise tee erinevus.
Kuna punktis D täheldame maksimaalset interferentsi, siis
Kus k - maksimaalne järjestus,
λ - valguse lainepikkus.
Väärtuste asendamine AB=d, valemisse sinφ :
Siit saame:
IN üldine vaade Difraktsioonivõre valem on:
Märgid ± näitavad, et häiremuster ekraanil on keskse maksimumi suhtes sümmeetriline.
Füüsilised põhitõed holograafia Holograafia on lainevälja salvestamise ja rekonstrueerimise meetod, mis põhineb difraktsiooni ja laine interferentsi nähtustel. Kui tavalisel fotol on salvestatud ainult objektilt peegeldunud lainete intensiivsus, siis hologrammile salvestatakse täiendavalt lainete faasid, mis annab Lisainformatsioon teema kohta ja võimaldab teil saada kolmemõõtmeline pilt teema.
Valguse murdumise nähtus on füüsiline nähtus, mis esineb iga kord, kui laine liigub ühelt materjalilt teisele, kus selle 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 ei juhtu midagi, 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 arendas teine Hollandi teadlane Christiaan Huygens Snelli tähelepanekute selgitamiseks matemaatilise seose ja pakkus, et valguse murdumise nähtus on selle tagajärg. erinevad kiirused, millega kiir läbib kahte kandjat. Huygens tegi kindlaks, et kahte materjali läbiva valguse nurkade suhe erinevad näitajad murdumine peaks olema võrdne suhtega selle kiirused 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 määratletud kui suhteline kiirus, mille juures valgus seda läbib vaakumi kiiruse suhtes: n=c/v, kus c on valguse kiirus vaakumis ja v on 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
IN XVII lõpp sajandil viis Sir Isaac Newton läbi rea katseid, mis viisid tema avastuseni nähtav spekter, ja näitas, et valge valgus koosneb järjestatud värvide massiivist, mis ulatub violetsest sinise, rohelise, kollase, oranžini ja lõpeb 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 segust erinevad värvid, ja ka seda, et 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 valgeks valguseks. See avastus tõestas veenvalt spektrit, mida saab hõlpsasti jagada ja kombineerida.
Dispersiooninähtus mängib võtmeroll V suur number erinevaid nähtusi. 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 konkreetne väärtus(olenevalt kahe materjali murdumisnäitajast) jõuab see punkti, kus valgus ei murdu madalama indeksiga keskkonnaks.
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 kiiri siseneb läbi ülemine osa teemant peegeldub, kuni need jõuavad ülemisele pinnale. 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.
Refraktsioon tekitab lai valik nähtused, sealhulgas miraažid, vikerkaared, optilised illusioonid. 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.
Teemad Ühtne riigieksami kodifitseerija: valguse murdumise seadus, täielik sisepeegeldus.
Seda täheldatakse kahe läbipaistva kandja liideses koos valguse peegeldusega murdumine- valgus, liikudes teise keskkonda, muudab selle levimise suunda.
Valguskiire murdumine toimub siis, kui kaldu langeb liidesele (kuigi mitte alati – lugege täieliku sisemise peegelduse kohta). Kui kiir langeb pinnaga risti, siis murdumist ei toimu – teises keskkonnas säilitab kiir oma suuna ja läheb ka pinnaga risti.
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 jõudes kiir murdub ja see edasi liikuda näidatud joonisel fig. 1 .
Löögipunktis tõmmatakse risti (või nagu öeldakse, normaalne) söötme pinnale. Tala, nagu varemgi, nimetatakse langev kiir, ning langeva kiire ja normaalse vaheline nurk on langemisnurk. Ray on murdunud kiir; Nurka murdunud kiire ja pinnanormaali vahel nimetatakse murdumisnurk.
Igasugust läbipaistvat keskkonda iseloomustab suurus nn murdumisnäitaja see keskkond. Erinevate kandjate murdumisnäitajad on toodud tabelites. Näiteks klaasi ja vee jaoks. Üldiselt igas keskkonnas; murdumisnäitaja võrdne ühega ainult vaakumis. Õhus võime õhu puhul seega probleemides piisava täpsusega eeldada (optikas ei erine õhk eriti vaakumist).
Murdumise seadus (õhk-keskkond) .
1) Langev kiir, murdunud kiir ja langemispunktis tõmmatud pinna normaal asuvad samal tasapinnal.
2) Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne keskkonna murdumisnäitajaga:
. (1)
Kuna seosest (1) järeldub, et , See tähendab, et murdumisnurk on väiksem kui langemisnurk. Pidage meeles: õhust keskkonda liikudes läheb kiir pärast murdumist normaalsele lähemale.
Murdumisnäitaja on otseselt seotud valguse levimise kiirusega antud keskkonnas. See kiirus on alati väiksem kui valguse kiirus vaakumis: . Ja selgub, et
. (2)
Me mõistame, miks see juhtub, kui uurime laineoptikat. Nüüdseks ühendame valemid. (1) ja (2):
. (3)
Kuna õhu murdumisnäitaja on ühtsusele väga lähedane, siis võime eeldada, et valguse kiirus õhus on ligikaudu võrdne valguse kiirusega vaakumis. Seda arvesse võttes ja valemit vaadates. (3) järeldame: langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne valguse kiiruse õhus ja valguse kiiruse suhtega keskkonnas.
Valguskiirte pöörduvus.
Nüüd kaalume vastupidine löök kiir: selle murdumine keskkonnast õhku üleminekul. Siin on meile abiks järgmine kasulik põhimõte.
Valguskiirte pöörduvuse põhimõte. Kiire teekond ei sõltu sellest, kas see on otsene või vastupidine suund kiir levib. Liikudes vastassuunas, liigub kiir täpselt sama rada nagu edasisuunas.
Pööravuse printsiibi kohaselt järgib kiir üleminekul keskkonnast õhku sama trajektoori nagu vastaval üleminekul õhust keskkonnale (joonis 2). Ainus erinevus joonisel fig. 2 jooniselt fig. 1 on see, et kiire suund on muutunud vastupidiseks.
Kuna geomeetriline pilt pole muutunud, jääb valem (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 liigub – õhust keskkonda või keskkonnast 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.
Murdumise seadus (üldjuhtum).
Laske valgusel liikuda murdumisnäitajaga keskmisest 1-st murdumisnäitajaga keskmisele 2-le. Kõrge murdumisnäitajaga keskkonda nimetatakse optiliselt tihedam; vastavalt nimetatakse madalama murdumisnäitajaga keskkonda optiliselt vähem tihe.
Liikudes optiliselt vähemtihedalt keskkonnalt optiliselt tihedamale, läheb valguskiir pärast murdumist normaalsele lähemale (joonis 3). Sel juhul on langemisnurk suurem kui murdumisnurk: .
 |
| Riis. 3. |
Vastupidi, liikudes optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedale, kaldub kiir normaalsest kaugemale (joonis 4). Siin on langemisnurk väiksem kui murdumisnurk:
 |
| Riis. 4. |
Selgub, et mõlemad juhtumid on kaetud ühe valemiga - tavaõigus murdumine, kehtib kahe läbipaistva kandja puhul.
Murdumise seadus.
1) Langev kiir, murdunud kiir ja kandjatevahelise liidese normaal, mis on tõmmatud langemispunktis, asuvad samal tasapinnal.
2) Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne teise keskkonna murdumisnäitaja ja esimese keskkonna murdumisnäitaja suhtega:
. (4)
On lihtne näha, et varem sõnastatud murdumisseadus õhk-keskkond ülemineku jaoks on selle seaduse erijuhtum. Tegelikult, pannes valemi (4), jõuame valemini (1).
Meenutagem nüüd, et murdumisnäitaja on valguse kiiruse vaakumis ja valguse kiiruse suhe antud keskkonnas: . Asendades selle punktiga (4), saame:
. (5)
Valem (5) üldistab loomulikult valemit (3). Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne valguse kiiruse suhtega esimeses keskkonnas valguse kiirusega teises keskkonnas.
Täielik sisemine peegeldus.
Kui valguskiired liiguvad optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedasse keskkonda, huvitav nähtus- täielik sisemine peegeldus. Mõtleme välja, mis see on.
Kindluse mõttes eeldame, et valgus tuleb veest õhku. Oletame, et veehoidla sügavuses on punktallikas valguskiiri igas suunas. Vaatleme mõnda neist kiirtest (joonis 5).
Kiir tabab veepinda väikseima nurga all. See kiir murdub osaliselt (kiir) ja peegeldub osaliselt vette tagasi (kiir). Seega kandub osa langeva kiire energiast murdunud kiirele ja ülejäänud osa energiast peegeldunud kiirele.
Kiire langemisnurk on suurem. See kiir on samuti jagatud kaheks kiireks – murdunud ja peegeldunud. Kuid algse kiire energia jaotub nende vahel erinevalt: murdunud kiir on kiirest hämaram (st saab väiksema osa energiast) ja peegeldunud kiir on vastavalt kiirest heledam (see on saavad suurema osa energiast).
Langemisnurga kasvades 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 saavutatakse murdumisnurgale vastav langemisnurk. Sellises olukorras peaks murdunud kiir minema paralleelselt veepinnaga, kuid enam pole enam midagi - kogu langeva kiire energia läks täielikult peegeldunud kiirele.
Langemisnurga edasise suurenemise korral murdunud kiir isegi puudub.
Kirjeldatud nähtus on täielik sisemine peegeldus. Vesi ei eralda kiiri, mille langemisnurk on võrdne või ületab teatud väärtuse – kõik sellised kiired peegelduvad täielikult vette tagasi. Nurka nimetatakse täieliku peegelduse piirav nurk.
Väärtust on lihtne leida murdumisseadusest. Meil on:
Aga järelikult
Niisiis, vee puhul on kogu peegelduse piirnurk võrdne:
Täieliku sisemise peegelduse nähtust saate hõlpsasti jälgida kodus. Valage klaasi vett, tõstke see üles ja vaadake läbi klaasiseina veepinda veidi allpool. Näete pinnal hõbedast läiget – täieliku sisemise peegelduse tõttu käitub see nagu peegel.
Kõige tähtsam tehniline rakendus täielik sisepeegeldus on fiiberoptika. Valguskiired suunatakse fiiberoptilisse kaablisse ( valgusjuht) peaaegu paralleelsed oma 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.
Tunni eesmärk
Tutvustada õpilasi valguse leviku mustritega kahe meediumi liideses, anda selle nähtuse seletus vaatenurgast. laineteooria Sveta.
|
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 vastastikune kokkulepe langev kiir AB (vt joonis), murdunud kiir DB ja liidesega risti CE, mis on taastatud langemispunktis. 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 võrdne nurgaga Kolmnurga ABD 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 järgi 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.
Püsiv, mis sisaldub valguse murdumise seaduses, nimetatakse suhteline murdumisnäitaja või teise keskkonna murdumisnäitaja esimese suhtes.
Huygensi põhimõte ei tähenda ainult murdumisseadust. Selle põhimõtte abil selgub füüsiline tähendus murdumisnäitaja. 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.
Absoluutne murdumisnäitaja määratakse valguse levimise kiirusega antud keskkonnas, mis sõltub füüsiline seisund keskkond, st aine temperatuur, tihedus, elastsete pingete olemasolu 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 on murdumisnäitaja väärtuste tabelites erinevaid aineid tavaliselt näidatakse, millisele valgusele antud n väärtus on antud ja millises olekus meedium on. Kui selliseid märke pole, võib see sõltuvuse nendest teguritest tähelepanuta jätta.
Enamikul juhtudel peame arvestama valguse läbimisega üle õhu-õhu piiri. tahke või õhk - vedelik, mitte üle vaakumi - keskmise piiri. Kuid absoluutne murdumisnäitaja n 2 tahke või vedel aine erineb veidi sama aine murdumisnäitajast õhu suhtes. Seega on õhu absoluutne murdumisnäitaja juures normaalsetes tingimustes kollase valguse puhul on ligikaudu 1,000292. Seega
Tunni tööleht
Näidisvastused
"Valguse murdumine"