Прекршување или прекршување е феномен во кој се случува промена во насоката на зракот од светлина или други бранови кога тие ја преминуваат границата што одвојува два медиума, и транспарентни (ги пренесуваат овие бранови) и внатре во медиум во кој својствата постојано се менуваат.
Феноменот на прекршување се среќаваме доста често и го доживуваме како секојдневен феномен: можеме да видиме дека стапчето сместено во проѕирно стакло со обоена течност е „скршено“ на местото на одвојување на воздухот и водата (сл. 1). Кога светлината се прекршува и се рефлектира за време на дождот, ние се радуваме кога гледаме виножито (сл. 2).
Индексот на рефракција е важна карактеристика на супстанцијата поврзана со нејзините физичко-хемиски својства. Тоа зависи од температурните вредности, како и од брановата должина на светлината на која се врши определувањето. Според податоците за контрола на квалитетот во растворот, индексот на рефракција е под влијание на концентрацијата на супстанцијата растворена во него, како и природата на растворувачот. Конкретно, на индексот на рефракција на крвниот серум влијае количеството на протеин содржано во него.Ова се должи на фактот што со различни брзини на ширење на светлосните зраци во медиуми со различна густина, нивната насока се менува на интерфејсот помеѓу двата медиуми. Ако ја поделиме брзината на светлината во вакуум со брзината на светлината во супстанцијата што се проучува, ќе го добиеме апсолутниот индекс на рефракција (индекс на прекршување). Во пракса, се одредува релативниот индекс на рефракција (n), што е односот на брзината на светлината во воздухот со брзината на светлината во супстанцијата што се испитува.
Индексот на рефракција се одредува квантитативно со помош на специјален уред - рефрактометар.
Рефрактометријата е еден од најлесните методи за физичка анализа и може да се користи во лабораториите за контрола на квалитетот во производството на хемиски, прехранбени, биолошки активни прехранбени адитиви, козметика и други видови производи со минимално време и број на примероци кои се тестираат.
Дизајнот на рефрактометарот се заснова на фактот дека светлосните зраци целосно се рефлектираат кога минуваат низ границата на два медиума (едниот од нив е стаклена призма, а другиот е тест решение) (сл. 3).
 |
| Ориз. 3. Дијаграм на рефрактометар |
Од изворот (1), светлосен зрак паѓа на површината на огледалото (2), а потоа, рефлектирајќи се, преминува во горната светлосна призма (3), потоа во долната мерна призма (4), која е направена од стакло со висок индекс на рефракција. 1-2 капки примерок се нанесуваат помеѓу призмите (3) и (4) со помош на капилар. За да се избегне предизвикување механичко оштетување на призмата, неопходно е да не се допира нејзината површина со капиларот.
Преку окуларот (9) се гледа поле со вкрстени линии за воспоставување на интерфејсот. При поместување на окуларот, точката на вкрстување на полињата мора да биде усогласена со интерфејсот (сл. 4).Равината на призмата (4) ја игра улогата на интерфејсот, на чија површина се прекршува светлосниот зрак. Бидејќи зраците се расфрлани, границата помеѓу светлината и сенката се покажува како матна, блескава. Овој феномен се елиминира со компензаторот на дисперзија (5). Зракот потоа се пренесува низ леќата (6) и призмата (7). Плочата (8) има линии за видување (две прави линии вкрстени попречно), како и скала со индекси на прекршување, која се набљудува преку окуларот (9). Од него се пресметува индексот на рефракција.
Линијата на поделба помеѓу границите на полето ќе одговара на аголот на внатрешен вкупен одраз, што зависи од индексот на прекршување на примерокот.
Рефрактометријата се користи за да се одреди чистотата и автентичноста на супстанцијата. Овој метод се користи и за одредување на концентрацијата на супстанциите во растворите при контрола на квалитетот, која се пресметува со помош на графикон за калибрација (график кој ја покажува зависноста на индексот на рефракција на примерокот од неговата концентрација).
Во KorolevPharm, индексот на рефракција се одредува во согласност со одобрената регулаторна документација при влезна проверка на суровини, во екстракти од сопствено производство, како и при пуштање на готови производи. Определувањето го прават квалификувани вработени во акредитирана физичко-хемиска лабораторија со помош на рефрактометар IRF-454 B2M.
Доколку, врз основа на резултатите од дојдовната проверка на суровините, индексот на рефракција не ги исполнува потребните барања, одделот за контрола на квалитетот издава Извештај за несообразност, врз основа на кој оваа серија суровини се враќа на добавувачот .
Начин на определување
1. Пред да започнете со мерењата, се проверува чистотата на површините на призмите кои се во контакт една со друга.
2. Проверка на нултата точка. Нанесете 2÷3 капки дестилирана вода на површината на мерната призма и внимателно покријте ја со светлечката призма. Го отвораме прозорецот за осветлување и, користејќи огледало, го инсталираме изворот на светлина во најинтензивна насока. Со ротирање на завртките на окуларот, добиваме јасна, остра разлика помеѓу темното и светлото поле во неговото видно поле. Ја ротираме завртката и ја насочуваме линијата на сенката и светлината така што таа се совпаѓа со точката каде што линиите се сечат во горниот прозорец на окуларот. На вертикалната линија во долниот прозорец на окуларот го гледаме посакуваниот резултат - индексот на рефракција на дестилирана вода на 20 ° C (1,333). Ако отчитувањата се различни, користете ја завртката за да го поставите индексот на прекршување на 1,333 и со помош на клуч (отстранете ја завртката за прилагодување) доведете ја границата на сенката и светлината до точката каде што линиите се сечат.
 |
3. Одреди го индексот на рефракција. Ја креваме комората на призмата за осветлување и ја отстрануваме водата со филтер-хартија или газа салфетка. Следно, нанесете 1-2 капки од тест растворот на површината на мерната призма и затворете ја комората. Завртете ги завртките додека границите на сенката и светлината не се поклопат со точката на пресек на линиите. На вертикалната линија во долниот прозорец на окуларот го гледаме посакуваниот резултат - индексот на рефракција на примерокот за тестирање. Го пресметуваме индексот на рефракција користејќи ја скалата во долниот прозорец на окуларот.
4. Со помош на графикон за калибрација, ја воспоставуваме врската помеѓу концентрацијата на растворот и индексот на прекршување. За да се конструира графикон, потребно е да се подготват стандардни раствори од неколку концентрации користејќи препарати од хемиски чисти материи, да се измерат нивните индекси на рефракција и да се исцртаат добиените вредности на оската на ординатите и соодветните концентрации на растворите на оската на апсцисата. Неопходно е да се изберат интервали на концентрација во кои се забележува линеарна врска помеѓу концентрацијата и индексот на рефракција. Го мериме индексот на рефракција на примерокот што се испитува и користиме графикон за да ја одредиме неговата концентрација.
Процесите кои се поврзани со светлината се важна компонента на физиката и не опкружуваат насекаде во нашиот секојдневен живот. Најважни во оваа ситуација се законите за рефлексија и прекршување на светлината, на кои се заснова модерната оптика. Прекршувањето на светлината е важен дел од модерната наука.
Ефект на дисторзија
Оваа статија ќе ви каже каков е феноменот на прекршување на светлината, како и како изгледа законот за прекршување и што следува од него.
Основи на физички феномен
Кога зракот ќе падне на површина што е одделена со две проѕирни супстанции кои имаат различна оптичка густина (на пример, различни чаши или во вода), некои од зраците ќе се рефлектираат, а некои ќе навлезат во втората структура (на пример, ќе се размножуваат во вода или стакло). Кога се движите од еден медиум во друг, зракот обично ја менува својата насока. Ова е феноменот на прекршување на светлината.
Рефлексијата и прекршувањето на светлината се особено видливи во водата.
Ефект на дисторзија во вода
Гледајќи ги работите во вода, тие изгледаат искривени. Ова е особено забележливо на границата помеѓу воздухот и водата. Визуелно, подводните објекти се чини дека се малку отклонети. Опишаниот физички феномен е токму причината зошто сите предмети изгледаат искривени во водата. Кога зраците удираат во стаклото, овој ефект е помалку забележлив.
Прекршувањето на светлината е физички феномен кој се карактеризира со промена на насоката на движење на сончевиот зрак во моментот кога се движи од една средина (структура) во друга.
За да го подобриме нашето разбирање за овој процес, разгледајте пример на зрак кој удира во вода од воздух (слично за стаклото). Со повлекување на нормална линија по должината на интерфејсот, може да се измери аголот на прекршување и враќање на светлосниот зрак. Овој индекс (агол на прекршување) ќе се промени како што протокот продира во водата (внатре во стаклото).
Забелешка! Овој параметар се подразбира како агол формиран од нормално исцртано на одвојување на две супстанции кога зракот продира од првата структура до втората.
Премин на зрак
Истиот индикатор е типичен за други средини. Утврдено е дека овој индикатор зависи од густината на супстанцијата. Ако зракот падне од помалку густа кон погуста структура, тогаш аголот на креирање на изобличување ќе биде поголем. И ако е обратно, тогаш е помалку.
Во исто време, промената на наклонот на падот исто така ќе влијае на овој индикатор. Но, односот меѓу нив не останува константен. Во исто време, односот на нивните синуси ќе остане константна вредност, што се рефлектира со следната формула: sinα / sinγ = n, каде што:
- n е константна вредност што е опишана за секоја специфична супстанција (воздух, стакло, вода итн.). Затоа, каква ќе биде оваа вредност може да се одреди со помош на специјални табели;
- α – агол на инциденца;
- γ – агол на прекршување.
За да се одреди овој физички феномен, беше создаден законот за рефракција.
Физички закон
Законот за прекршување на светлосните текови ни овозможува да ги одредиме карактеристиките на проѕирните супстанции. Самиот закон се состои од две одредби:
- Прв дел. Зракот (инцидент, изменет) и нормалниот, кој беше обновен на точката на инциденца на границата, на пример, на воздух и вода (стакло, итн.), ќе бидат лоцирани во иста рамнина;
- Вториот дел. Односот на синусот на аголот на инциденцата со синусот од истиот агол формиран при преминување на границата ќе биде константна вредност.
Опис на законот
Во овој случај, во моментот кога зракот излегува од втората структура во првата (на пример, кога светлосниот флукс поминува од воздухот, низ стаклото и назад во воздухот), ќе се појави и ефект на изобличување.
Важен параметар за различни објекти
Главниот индикатор во оваа ситуација е односот на синусот на аголот на инциденца до сличен параметар, но за изобличување. Како што следува од законот опишан погоре, овој индикатор е константна вредност.
Покрај тоа, кога вредноста на наклонот на опаѓање се менува, истата ситуација ќе биде типична за сличен индикатор. Овој параметар е од големо значење бидејќи е интегрална карактеристика на проѕирните материи.
Индикатори за различни објекти
Благодарение на овој параметар, можете доста ефикасно да разликувате видови стакло, како и разни скапоцени камења. Исто така е важно за одредување на брзината на светлината во различни средини.
Забелешка! Најголемата брзина на проток на светлина е во вакуум.
Кога се движите од една супстанција во друга, нејзината брзина ќе се намали. На пример, кај дијамантот, кој има највисок индекс на рефракција, брзината на ширење на фотонот ќе биде 2,42 пати поголема од онаа на воздухот. Во вода ќе се шират 1,33 пати побавно. За различни типови на стакло, овој параметар се движи од 1,4 до 2,2.
Забелешка! Некои очила имаат индекс на рефракција од 2,2, што е многу блиску до дијамантот (2,4). Затоа, не е секогаш можно да се разликува парче стакло од вистински дијамант.
Оптичка густина на супстанции
Светлината може да навлезе низ различни супстанции, кои се карактеризираат со различни оптички густини. Како што рековме претходно, користејќи го овој закон можете да ја одредите густината карактеристика на медиумот (структурата). Колку е погуста, толку е помала брзината со која светлината ќе се шири низ него. На пример, стаклото или водата ќе бидат оптички погусти од воздухот.
Покрај тоа што овој параметар е константна вредност, го одразува и односот на брзината на светлината во две супстанции. Физичкото значење може да се прикаже како следнава формула:
Овој индикатор кажува како се менува брзината на ширење на фотоните при движење од една супстанција во друга.
Друг важен индикатор
Кога светлосниот флукс се движи низ проѕирни објекти, можна е негова поларизација. Се забележува за време на минување на светлосен флукс од диелектрични изотропни медиуми. Поларизацијата се јавува кога фотоните минуваат низ стаклото.
Ефект на поларизација
Делумна поларизација се забележува кога аголот на инциденца на светлосниот флукс на границата на два диелектрика се разликува од нула. Степенот на поларизација зависи од тоа какви биле аглите на инциденца (Брустеровиот закон).
Целосен внатрешен одраз
Завршувајќи ја нашата кратка екскурзија, сè уште е неопходно да се разгледа таков ефект како целосна внатрешна рефлексија.
Феноменот на целосно прикажување
За да се појави овој ефект, неопходно е да се зголеми аголот на инциденца на светлосниот флукс во моментот на неговиот премин од погуста во помалку густа средина на интерфејсот помеѓу супстанциите. Во ситуација кога овој параметар надминува одредена ограничувачка вредност, тогаш фотоните што се спаѓаат на границата на овој дел целосно ќе се рефлектираат. Всушност, ова ќе биде нашиот посакуван феномен. Без него, беше невозможно да се направи оптички влакна.
Заклучок
Практичната примена на однесувањето на светлосниот флукс даде многу, создавајќи различни технички уреди за подобрување на нашите животи. Во исто време, светлината сè уште не ги открила сите свои можности на човештвото и нејзиниот практичен потенцијал сè уште не е целосно реализиран.
Како да направите светилка од хартија со свои раце
Како да ги проверите перформансите на LED лента
Оптиката е една од старите гранки на физиката. Од времето на античка Грција, многу филозофи биле заинтересирани за законите на движење и ширење на светлината во различни проѕирни материјали, како што се вода, стакло, дијамант и воздух. Оваа статија го разгледува феноменот на прекршување на светлината, фокусирајќи се на индексот на рефракција на воздухот.
Ефект на прекршување на светлосниот зрак
Секој во својот живот се сретнал стотици пати со манифестација на овој ефект кога погледнал на дното на резервоарот или во чаша вода со некој предмет сместен во него. Во исто време, езерцето не изгледало толку длабоко како што всушност било, а предметите во чашата со вода изгледале деформирано или скршено.
Феноменот на прекршување се состои од прекин на неговата праволиниска траекторија кога ја пресекува интерфејсот на два проѕирни материјали. Сумирајќи голем број експериментални податоци, на почетокот на 17 век, Холанѓанецот Вилеброд Снел добил математички израз кој точно го опишал овој феномен. Овој израз обично се пишува во следнава форма:
n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.
Овде n 1, n 2 се апсолутните индекси на прекршување на светлината во соодветниот материјал, θ 1 и θ 2 се аглите помеѓу упадните и прекршените зраци и нормалната на интерфејсната рамнина, која се влече низ пресечната точка на зракот и овој авион.
Оваа формула се нарекува Снелов или Снел-Декартовиот закон (французинот ја запишал во претставената форма, додека Холанѓанецот користел единици за должина наместо синуси).
Покрај оваа формула, феноменот на прекршување е опишан со друг закон, кој има геометриска природа. Се состои во тоа што означеното нормално на рамнината и два зраци (прекршено и инцидентно) лежат во иста рамнина.
Апсолутен индекс на рефракција
Оваа количина е вклучена во формулата Снел, а нејзината вредност игра важна улога. Математички, индексот на рефракција n одговара на формулата:
Симболот c е брзината на електромагнетните бранови во вакуум. Тоа е приближно 3*10 8 m/s. Вредноста v е брзината на светлината што се движи низ медиумот. Така, индексот на рефракција ја рефлектира количината на ретардација на светлината во медиум во однос на безвоздушниот простор.
Од горната формула произлегуваат два важни заклучоци:
- вредноста на n е секогаш поголема од 1 (за вакуум е еднаква на единство);
- тоа е бездимензионална количина.
На пример, индексот на прекршување на воздухот е 1,00029, додека за водата е 1,33.
Индексот на рефракција не е константна вредност за одреден медиум. Тоа зависи од температурата. Покрај тоа, за секоја фреквенција на електромагнетен бран има свое значење. Така, горенаведените бројки одговараат на температура од 20 o C и жолтиот дел од видливиот спектар (бранова должина - околу 580-590 nm).
Зависноста на n од фреквенцијата на светлината се манифестира во распаѓањето на белата светлина со призма на голем број бои, како и во формирањето на виножито на небото при силен дожд.
Индекс на рефракција на светлината во воздухот
Неговата вредност е веќе дадена погоре (1.00029). Бидејќи индексот на прекршување на воздухот се разликува само во четвртото децимално место од нула, за решавање на практични проблеми може да се смета за еднаков на еден. Мала разлика помеѓу n за воздух и единство покажува дека светлината практично не се забавува од молекулите на воздухот, што се должи на нејзината релативно мала густина. Така, просечната густина на воздухот е 1,225 kg/m 3, односно е повеќе од 800 пати полесна од свежата вода.
Воздухот е оптички слаб медиум. Процесот на забавување на брзината на светлината во материјалот е од квантна природа и е поврзан со актите на апсорпција и емисија на фотони од атомите на супстанцијата.
Промените во составот на воздухот (на пример, зголемувањето на содржината на водена пареа во него) и промените во температурата доведуваат до значителни промени во индексот на рефракција. Впечатлив пример е ефектот на фатаморгана во пустината, кој се јавува поради разликите во индексите на рефракција на воздушните слоеви со различни температури.
Интерфејс стакло-воздух
Стаклото е многу погуста средина од воздухот. Неговиот апсолутен индекс на рефракција се движи од 1,5 до 1,66, во зависност од видот на стаклото. Ако ја земеме просечната вредност од 1,55, тогаш прекршувањето на зракот на интерфејсот воздух-стакло може да се пресмета со формулата:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.
Вредноста n 21 се нарекува релативен индекс на рефракција на воздух - стакло. Ако зракот излезе од стаклото во воздух, тогаш треба да се користи следнава формула:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 = 0,645.
Ако аголот на прекршениот зрак во вториот случај е еднаков на 90 o, тогаш соодветниот се нарекува критичен. За границата стакло-воздух е еднаква на:
θ 1 = лак (0,645) = 40,17 o.
Ако зракот падне на границата стакло-воздух со поголеми агли од 40,17 o, тогаш целосно ќе се рефлектира назад во стаклото. Овој феномен се нарекува „тотална внатрешна рефлексија“.
Критичниот агол постои само кога зракот се движи од густа средина (од стакло кон воздух, но не и обратно).
На вашиот курс по физика во осмо одделение, научивте за феноменот на прекршување на светлината. Сега знаете дека светлината е електромагнетни бранови со одреден опсег на фреквенција. Врз основа на знаењето за природата на светлината, можете да ја разберете физичката причина за рефракција и да објасните многу други светлосни феномени поврзани со неа.
Ориз. 141. Премин од една средина во друга, зракот се прекршува, т.е. го менува правецот на ширење
Според законот за прекршување на светлината (сл. 141):
- инцидентот, прекршените и нормалните зраци кои се привлечени на интерфејсот помеѓу два медиума на точката на инциденца на зракот лежат во иста рамнина; односот на синусот на аголот на инциденца до синусот на аголот на прекршување е константна вредност за овие две медиуми
каде n 21 е релативен индекс на рефракција на вториот медиум во однос на првиот.
Ако зракот премине во кој било медиум од вакуум, тогаш
каде што n е апсолутен индекс на рефракција (или едноставно индекс на рефракција) на вториот медиум. Во овој случај, првиот „медиум“ е вакуум, чија апсолутна вредност се зема како единство.
Законот за прекршување на светлината беше експериментално откриен од холандскиот научник Вилеборд Снелиус во 1621 година. Законот беше формулиран во трактат за оптика, кој беше пронајден во трудовите на научникот по неговата смрт.
По откритието на Снел, неколку научници поставија хипотеза дека прекршувањето на светлината се должи на промената на нејзината брзина при минување низ границата на два медиума. Валидноста на оваа хипотеза беше потврдена со теоретски докази спроведени независно од францускиот математичар Пјер Фермат (во 1662 година) и холандскиот физичар Кристиан Хајгенс (во 1690 година). Тие дојдоа до ист резултат на различни начини, докажувајќи го тоа
- односот на синусот на аголот на инциденца до синусот на аголот на прекршување е константна вредност за овие две медиуми, еднаква на односот на брзините на светлината во овие медиуми:
(3)
Од равенката (3) следува дека ако аголот на прекршување β е помал од аголот на инциденца a, тогаш светлината со дадена фреквенција во втората средина се шири побавно отколку во првата, т.е. V 2 Односот помеѓу количините вклучени во равенката (3) послужи како убедлива причина за појавата на друга формулација за дефиниција на релативниот индекс на рефракција: n 21 = v 1 / v 2 (4) Оставете зрак светлина да помине од вакуум во некоја средина. Заменувајќи го v1 во равенката (4) со брзината на светлината во вакуум c, и v 2 со брзината на светлината во средина v, ја добиваме равенката (5), која е дефиниција за апсолутниот индекс на рефракција: Според равенките (4) и (5), n 21 покажува колку пати брзината на светлината се менува кога поминува од една средина во друга, и n - кога поминува од вакуум во средина. Ова е физичкото значење на индексите на рефракција. Вредноста на апсолутниот индекс на рефракција n на која било супстанција е поголема од еден (ова го потврдуваат податоците содржани во табелите на физичките референтни книги). Потоа, според равенката (5), c/v > 1 и c > v, т.е. брзината на светлината во која било супстанција е помала од брзината на светлината во вакуум. Без да даваме строги оправдувања (тие се сложени и незгодни), забележуваме дека причината за намалувањето на брзината на светлината при нејзиниот премин од вакуум во материја е интеракцијата на светлосниот бран со атомите и молекулите на материјата. Колку е поголема оптичката густина на супстанцијата, толку е посилна оваа интеракција, толку е помала брзината на светлината и повисок индексот на рефракција. Така, брзината на светлината во медиум и апсолутниот индекс на рефракција се одредуваат според својствата на овој медиум. Врз основа на нумеричките вредности на индексите на рефракција на супстанциите, може да се споредат нивните оптички густини. На пример, индексот на рефракција на различни видови стакло се движи од 1,470 до 2,040, а индексот на прекршување на водата е 1,333. Ова значи дека стаклото е медиум оптички погусто од водата. Да се свртиме кон слика 142, со чија помош можеме да објасниме зошто на границата на два медиума, со промена на брзината, се менува и насоката на ширење на светлосниот бран. Ориз. 142. Кога светлосните бранови минуваат од воздух во вода, брзината на светлината се намалува, предниот дел на бранот, а со тоа и неговата брзина, го менува правецот Сликата покажува светлосен бран кој поминува од воздухот во вода и се спушта на интерфејсот помеѓу овие медиуми под агол a. Во воздухот светлината се движи со брзина v 1, а во вода со помала брзина v 2. Точката А на бранот прво ја достигнува границата. За одреден временски период Δt, точката B, која се движи во воздухот со иста брзина v 1, ќе ја достигне точката B." Во исто време, точката A, која се движи во вода со помала брзина v 2, ќе помине пократко растојание , достигнувајќи само точка А." Во овој случај, таканаречениот преден дел на бранот АБ во водата ќе се ротира под одреден агол во однос на предниот дел на бранот АБ во воздухот. И векторот на брзина (кој е секогаш нормален на предниот дел на бранот и се совпаѓа со насоката на неговото ширење) ротира, приближувајќи се до правата линија ОО", нормално на интерфејсот помеѓу медиумот. Во овој случај, аголот на прекршување β се покажува дека е помал од аголот на паѓање α. Така настанува прекршувањето на светлината. Исто така, од сликата е јасно дека при преместување на друг медиум и ротирање на брановиот фронт, се менува и брановата должина: кога се движите кон оптички погуста средина, брзината се намалува, брановата должина исто така се намалува (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны. Билет 75. Закон за рефлексија на светлината. Аголот на рефлексија γ е еднаков на аголот на инциденца α. Закон за прекршување на светлината: упадните и прекршените зраци, како и нормалната на интерфејсот помеѓу двата медиума, реконструирани на точката на инциденца на зракот, лежат во иста рамнина. Односот на синусот на аголот на инциденца α со синусот на аголот на прекршување β е константна вредност за две дадени медиуми: Законите на рефлексија и прекршување се објаснети во брановата физика. Според концептите на брановите, прекршувањето е последица на промените во брзината на ширење на брановите при минување од еден медиум во друг. Физичко значење на индексот на рефракцијае односот на брзината на ширење на брановите во првата средина υ 1 до брзината на нивното ширење во втората средина υ 2: Слика 3.1.1 ги илустрира законите на рефлексија и прекршување на светлината. Медиум со помал апсолутен индекс на рефракција се нарекува оптички помалку густ. Кога светлината поминува од оптички погуста средина на оптички помалку густа средина n 2< n 1
(например, из стекла в воздух) можно
наблюдать феномен на тотална рефлексија, односно исчезнување на прекршениот зрак. Овој феномен е забележан при агли на инциденца што надминуваат одреден критичен агол α pr, кој се нарекува ограничувачки агол на вкупниот внатрешен одраз(види Сл. 3.1.2). За аголот на инциденца α = α pr sin β = 1; вредност sin α pr = n 2 / n 1< 1. Ако вториот медиум е воздух (n 2 ≈ 1), тогаш е погодно да се препише формулата во форма Феноменот на целосна внатрешна рефлексија се користи во многу оптички уреди. Најинтересна и практично најзначајна примена е создавањето на оптички влакна, кои се тенки (од неколку микрометри до милиметри) произволно закривени нишки направени од оптички проѕирен материјал (стакло, кварц). Светлината која се спушта на крајот на светлосниот водич може да патува по него на долги растојанија поради вкупниот внатрешен одраз од страничните површини (Слика 3.1.3). Научната и техничката насока вклучена во развојот и примената на оптичките светлосни водичи се нарекува оптички влакна. Дисперзија на светлината (распаѓање на светлината)- ова е феномен предизвикан од зависноста на апсолутниот индекс на рефракција на супстанцијата од фреквенцијата (или брановата должина) на светлината (фреквентна дисперзија), или, истото, зависноста на фазната брзина на светлината во супстанцијата од бранова должина (или фреквенција). Беше откриен експериментално од Њутн околу 1672 година, иако теоретски доста добро објаснет многу подоцна. Просторна дисперзијасе нарекува зависност на тензорот на диелектричната константа на медиумот од брановиот вектор. Оваа зависност предизвикува голем број феномени наречени ефекти на просторна поларизација. Еден од најјасните примери на дисперзија - распаѓање на бела светлинапри минување низ призма (Експеримент на Њутн). Суштината на феноменот на дисперзија е разликата во брзината на ширење на светлосните зраци со различни бранови должини во проѕирна супстанција - оптичка средина (додека во вакуум брзината на светлината е секогаш иста, без оглед на брановата должина и затоа бојата). Обично, колку е поголема фреквенцијата на светлосниот бран, толку е поголем индексот на рефракција на медиумот за него и помала брзината на бранот во медиумот: Експерименти на Њутн Експеримент на распаѓање на бела светлина во спектар: Заклучоци:- призмата ја разградува светлината - белата светлина е сложена (композитна) - виолетовите зраци се прекршуваат посилно од црвените. Бојата на светлосниот зрак се одредува според неговата фреквенција на вибрации. Кога се движите од еден медиум во друг, брзината на светлината и брановата должина се менуваат, но фреквенцијата што ја одредува бојата останува константна. Границите на опсегот на белата светлина и нејзините компоненти обично се карактеризираат со нивните бранови должини во вакуум. Белата светлина е збир на бранови со должина од 380 до 760 nm. Билет 77. Апсорпција на светлина. Бугеровиот закон Апсорпцијата на светлината во супстанцијата е поврзана со конверзија на енергијата на електромагнетното поле на бранот во топлинска енергија на супстанцијата (или во енергија на секундарното фотолуминисцентно зрачење). Законот за апсорпција на светлината (Бугеров закон) има форма: Јас=Јас 0
експ(-
x),(1) Каде Јас 0
,
Јас-интензитетот на светлината на влезот (x=0)и оставајќи го слојот со средна дебелина X,
-
коефициент на апсорпција, зависи од .
За диелектрици =10
-1
10
-5
м -1
, за метали =10
5
10
7
м -1
,
Затоа, металите се непроѕирни за светлина. Зависност (
)
ја објаснува бојата на впивачките тела. На пример, стаклото што слабо ја апсорбира црвената светлина ќе изгледа црвено кога е осветлено со бела светлина. Расејување на светлината. Рејлиевиот закон Дифракција на светлината може да се случи во оптички нехомогена средина, на пример во матна средина (чад, магла, правлив воздух итн.). Со дифракција на нехомогеностите на медиумот, светлосните бранови создаваат дифракциона шема која се карактеризира со прилично рамномерна распределба на интензитетот во сите правци. Оваа дифракција со мали нехомогености се нарекува расејување на светлината. Овој феномен се забележува кога тесен зрак на сончева светлина поминува низ правливиот воздух, се распрснува на честички од прашина и станува видлив. Ако големини на нехомогености се мали во споредба со брановата должина (не повеќе од 0,1
), тогаш интензитетот на расеаната светлина се покажува обратно пропорционален на четвртата моќност на брановата должина, т.е. Јас diss ~
1/
4
,
(2) оваа зависност се нарекува Рејлиевиот закон. Распрснување на светлината е забележано и во чисти медиуми кои не содржат туѓи честички. На пример, може да се појави при флуктуации (случајни отстапувања) на густината, анизотропијата или концентрацијата. Овој тип на расејување се нарекува молекуларно расејување. Ја објаснува, на пример, сината боја на небото. Навистина, според (2), сините и сините зраци се расфрлаат посилно од црвените и жолтите, бидејќи имаат пократка бранова должина, а со тоа предизвикува сина боја на небото. Билет 78. Поларизација на светлината- збир на феномени на бранова оптика во кои се манифестира попречната природа на електромагнетните светлосни бранови. Попречен бран- честичките на медиумот осцилираат во насоки нормални на насоката на ширење на бранот ( Сл.1). Сл.1
Попречен бран Електромагнетен светлосен бран авион поларизиран(линеарна поларизација), ако насоките на осцилација на векторите E и B се строго фиксирани и лежат во одредени рамнини ( Сл.1). Рамно поларизиран светлосен бран се нарекува авион поларизиран(линеарно поларизирана) светлина. Неполаризирано(природен) бран - електромагнетен светлосен бран во кој насоките на осцилација на векторите E и B во овој бран можат да лежат во која било рамнина нормална на векторот на брзина v. Неполаризирана светлина- светлосни бранови во кои насоките на осцилациите на векторите E и B се менуваат хаотично така што сите насоки на осцилациите во рамнините нормални на зракот на ширење на бранот се подеднакво веројатни ( Сл.2). Сл.2
Неполаризирана светлина Поларизирани бранови- кај кои насоките на векторите E и B остануваат непроменети во просторот или се менуваат според одреден закон. Зрачење во кое насоката на векторот Е се менува хаотично - неполаризиран. Пример за такво зрачење е топлинското зрачење (хаотично распоредени атоми и електрони). Рамнина на поларизација- ова е рамнина нормална на насоката на осцилациите на векторот E. Главниот механизам за појава на поларизирано зрачење е расејувањето на зрачењето од електрони, атоми, молекули и честички прашина. 1.2. Видови на поларизацијаПостојат три типа на поларизација. Ајде да им дадеме дефиниции. 1. Линеарно
Се јавува ако електричниот вектор Е ја одржува својата позиција во просторот. Се чини дека ја истакнува рамнината во која осцилира векторот Е. 2. Кружни
Ова е поларизација која се јавува кога електричниот вектор E ротира околу насоката на ширење на бранот со аголна брзина еднаква на аголната фреквенција на бранот, додека ја одржува својата апсолутна вредност. Оваа поларизација ја карактеризира насоката на ротација на векторот Е во рамнина нормална на линијата на видот. Пример е циклотронното зрачење (систем на електрони кои ротираат во магнетно поле). 3. Елиптична
Се јавува кога големината на електричниот вектор Е се менува така што опишува елипса (ротација на векторот Е). Елиптичната и кружната поларизација може да бидат десно (векторот Е се ротира во насока на стрелките на часовникот кога гледа кон бранот што се шири) и лево (векторот Е се ротира спротивно од стрелките на часовникот кога гледа кон бранот што се шири). Во реалноста, тоа се случува најчесто делумна поларизација
(делумно поларизирани електромагнетни бранови). Квантитативно се карактеризира со одредена количина наречена степен на поларизација
Р, кој е дефиниран како: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin)Каде Имакс,Immin- најголема и најниска густина на електромагнетниот флукс на енергија низ анализаторот (Полароид, Николас призма...). Во пракса, поларизацијата на зрачење често се опишува со параметрите на Стокс (тие ги одредуваат флуксот на зрачење со дадена насока на поларизација). Билет 79. Ако природната светлина падне на интерфејсот помеѓу два диелектрика (на пример, воздух и стакло), тогаш дел од неа се рефлектира, а дел се прекршува и се шири во вториот медиум. Со инсталирање на анализатор (на пример, турмалин) на патеката на рефлектираните и прекршените зраци, осигуруваме дека рефлектираните и прекршените зраци се делумно поларизирани: кога анализаторот се ротира околу зраците, интензитетот на светлината периодично се зголемува и слабее ( целосно гаснење не е забележано!). Понатамошните студии покажаа дека во рефлектираниот зрак преовладуваат вибрации нормално на рамнината на инциденца (тие се означени со точки на сл. 275), додека кај прекршениот зрак преовладуваат вибрации паралелни на рамнината на инциденца (насликана со стрелки). Степенот на поларизација (степенот на раздвојување на светлосните бранови со одредена ориентација на електричниот (и магнетниот) вектор) зависи од аголот на инциденца на зраците и индексот на прекршување. Шкотски физичар Д. Брустер(1781-1868) инсталиран закон, според кој под агол на инциденца јас B (Brewster агол), определен со релацијата (n 21 - индекс на рефракција на вториот медиум во однос на првиот), рефлектираниот зрак е рамно поларизиран(содржи само вибрации нормално на рамнината на инциденца) (сл. 276). Прекршениот зрак под агол на инциденцајасБ поларизирани до максимум, но не целосно. Ако светлината удира во интерфејсот под аголот на Брустер, тогаш рефлектираните и прекршените зраци меѓусебно нормално(тг јасБ = грев јас B/cos јасБ, n 21 =
грев јасБ /
грев јас 2
(јас 2
-
агол на прекршување), од каде кос јасБ=грев јас 2). Оттука, јасБ +
јас 2
=
/2, но јас’
Б= јасБ (закон на рефлексија), затоа јас’
Б+ јас 2
=
/2. Степенот на поларизација на рефлектираната и прекршената светлина под различни агли на инциденца може да се пресмета од равенките на Максвел, ако ги земеме предвид граничните услови за електромагнетното поле на интерфејсот помеѓу два изотропни диелектрика (т.н. Френелови формули). Степенот на поларизација на прекршената светлина може значително да се зголеми (со повеќекратно прекршување, под услов светлината да се удира секој пат на интерфејсот под аголот на Брустер). Ако, на пример, за стакло ( n= 1.53) степенот на поларизација на прекршениот зрак е 15%, потоа по прекршувањето во 8-10 стаклени плочи надредени една на друга, светлината што излегува од таков систем ќе биде речиси целосно поларизирана. Таквата колекција на чинии се нарекува стапало.Стапалото може да се користи за анализа на поларизирана светлина и за време на нејзиното рефлексија и за време на неговото прекршување. Билет 79 (за Спар) Како што покажува искуството, за време на прекршувањето и рефлексијата на светлината, прекршената и рефлектираната светлина се покажува како поларизирана, а рефлексијата. светлината може целосно да се поларизира под одреден агол на инциденца, но случајно. светлината е секогаш делумно поларизирана.Врз основа на формулите на Фринел може да се покаже дека рефлексијата. Светлината е поларизирана во рамнина нормална на рамнината на инциденца и се прекршува. светлината е поларизирана во рамнина паралелна со рамнината на инциденца. Аголот на инциденца под кој рефлексијата светлината е целосно поларизирана се вика Брустеровиот агол.Брустеровиот агол е одреден од Брустеровиот закон: -Брустеровиот закон.Во овој случај аголот помеѓу рефлексиите. и рефракција. зраците ќе бидат еднакви.За систем воздух-стакло, аголот на Брустер е еднаков За да се добие добра поларизација, т.е. , при прекршување на светлината се користат многу површини за јадење, кои се нарекуваат Столетов стоп. Билет 80. Искуството покажува дека кога светлината е во интеракција со материјата, главниот ефект (физиолошки, фотохемиски, фотоелектричен, итн.) е предизвикан од осцилациите на векторот, кој во овој поглед понекогаш се нарекува светлосен вектор. Затоа, за да се опишат моделите на поларизација на светлината, се следи однесувањето на векторот. Рамнината формирана од векторите и се нарекува рамнина на поларизација. Ако векторските осцилации се појават во една фиксна рамнина, тогаш таквата светлина (зрак) се нарекува линеарно поларизирана. Конвенционално е означен на следниов начин. Ако зракот е поларизиран во нормална рамнина (во рамнината xoz, види сл. 2 во второто предавање), потоа се означува. Природната светлина (од обични извори, сонцето) се состои од бранови кои имаат различни, хаотично распоредени рамнини на поларизација (види Сл. 3). Ако, додека бранот се шири, векторот се ротира и крајот на векторот опишува круг, тогаш таквата светлина се нарекува кружно поларизирана, а поларизацијата се нарекува кружна или кружна (десно или лево). Постои и елипсовидна поларизација. Постојат оптички уреди (филмови, плочи, итн.) - поларизатори, кои извлекуваат линеарно поларизирана светлина или делумно поларизирана светлина од природна светлина. Рамнината на поларизаторот (или анализаторот) е рамнината на поларизација на светлината што ја пренесува поларизаторот (или анализаторот). Нека линеарно поларизирана светлина со амплитуда падне на поларизатор (или анализатор) Е 0 . Амплитудата на емитуваната светлина ќе биде еднаква на Е=Е 0 кос ј, и интензитет Јас=Јас 0 со 2 ј. Оваа формула изразува Малусовиот закон: Интензитетот на линеарно поларизираната светлина што минува низ анализаторот е пропорционален на квадратот на косинусот на аголот јпомеѓу рамнината на осцилација на упадната светлина и рамнината на анализаторот. Билет 80 (за поттик) Поларизаторите се уреди кои овозможуваат да се добие поларизирана светлина. Анализаторите се уреди кои можат да се користат за да се анализира дали светлината е поларизирана или не. Структурно, поларизаторот и анализаторот се едно исто. Zn Malus. Нека светлината со интензитет паѓа на поларизатор, ако светлината е природна -та тогаш сите правци на векторот Е се подеднакво веројатни. Секој вектор може да се разложи на две меѓусебно нормални компоненти: од кои едната е паралелна со рамнината на поларизација на поларизаторот, а другата е нормална на тоа. Очигледно, интензитетот на светлината што излегува од поларизаторот ќе биде еднаков. Да го означиме интензитетот на светлината што излегува од поларизаторот со (). агол со главната рамнина на поларизаторот, тогаш со закон се одредува интензитетот на светлината што излегува од анализаторот. Билет 81. Додека го проучуваше сјајот на растворот на соли на ураниум под влијание на радиумските зраци, советскиот физичар П. А. Черенков го привлече вниманието на фактот дека и самата вода свети, во која нема соли на ураниум. Се испостави дека кога зраците (види Гама зрачење) се пренесуваат низ чисти течности, сите тие почнуваат да светат. С. И. Вавилов, под чие раководство работеше П. А. Черенков, претпостави дека сјајот е поврзан со движењето на електроните исфрлени од атомите со радиумски кванти. Навистина, сјајот силно зависел од насоката на магнетното поле во течноста (ова сугерира дека е предизвикан од движењето на електроните). Но, зошто електроните што се движат во течност испуштаат светлина? Точниот одговор на ова прашање го дале советските физичари И.Е.Там и И.М.Френк во 1937 година. Електрон, кој се движи во супстанција, комуницира со атомите што го опкружуваат. Под влијание на неговото електрично поле, атомските електрони и јадра се поместуваат во спротивни насоки - медиумот е поларизиран. Поларизирани, а потоа враќајќи се во нивната првобитна состојба, атомите на медиумот лоцирани по должината на електронската траекторија испуштаат електромагнетни светлосни бранови. Ако брзината на електронот v е помала од брзината на ширење на светлината во медиумот (индексот на рефракција), тогаш електромагнетното поле ќе го надмине електронот, а супстанцијата ќе има време да се поларизира во просторот пред електронот. Поларизацијата на медиумот пред и зад електронот е спротивна во насока, а зрачењето на спротивно поларизираните атоми, „додадени“, „гаси“ едни со други. Кога атомите до кои сè уште не дошол електрон немаат време да се поларизираат, а зрачењето се појавува насочено по тесен конусен слој со врв што се совпаѓа со движечкиот електрон и агол на врвот c. Појавата на светлосниот „конус“ и состојбата на зрачење може да се добијат од општите принципи на ширење на брановите. Ориз. 1. Механизам на формирање на брановиот фронт Нека електронот се движи по оската OE (види слика 1) на многу тесен празен канал во хомогена проѕирна супстанција со индекс на рефракција (празниот канал е потребен за да не се земат предвид судирите на електронот со атомите во теоретско разгледување). Секоја точка на правата OE сукцесивно окупирана од електрон ќе биде центар на емисија на светлина. Брановите што произлегуваат од последователните точки O, D, E се мешаат едни со други и се засилуваат ако фазната разлика меѓу нив е нула (види Интерференција). Овој услов е задоволен за насока која прави агол од 0 со траекторијата на електронот. Аголот 0 се одредува со релацијата:. Навистина, да разгледаме два бранови емитирани во насока под агол од 0 во однос на брзината на електронот од две точки на траекторијата - точка O и точка D, одделени со растојание . Во точката Б, која лежи на линијата BE, нормално на OB, првиот бран во - после време До точката F, која лежи на линијата BE, бранот емитиран од точката ќе пристигне во моментот на време откако бранот ќе се испушти од точката О Овие два брана ќе бидат во фаза, т.е. правата линија ќе биде брановиден фронт ако овие времиња се еднакви:. Тоа го дава условот за еднаквост на времињата. Во сите правци за кои, светлината ќе се изгасне поради мешањето на брановите емитирани од деловите на траекторијата одвоени со растојание D. Вредноста на D се одредува со очигледната равенка, каде што T е период на осцилации на светлината. Оваа равенка секогаш има решение ако. Ако , тогаш насоката во која емитираните бранови, кога се мешаат, се засилуваат, не постои и не може да биде поголема од 1. Ориз. 2. Распределба на звучните бранови и формирање на ударен бран при движење на телото Зрачењето се забележува само ако . Експериментално, електроните летаат во конечен цврст агол, со одредено ширење во брзината, и како резултат на тоа, зрачењето се шири во конусен слој во близина на главната насока одредена од аголот. Во нашето разгледување, го занемаривме забавувањето на електроните. Ова е сосема прифатливо, бидејќи загубите од зрачењето Вавилов-Церенков се мали и, на прво приближување, можеме да претпоставиме дека енергијата што ја губи електронот не влијае на неговата брзина и тој се движи рамномерно. Ова е фундаменталната разлика и необичноста на зрачењето Вавилов-Черенков. Вообичаено, полнењата се емитуваат додека доживуваат значително забрзување. Електронот што ја надминува својата светлина е сличен на авион кој лета со брзина поголема од брзината на звукот. Во овој случај, конусен ударен звучен бран исто така се шири пред авионот (види слика 2).
Прашања
Вежбајте
Њутн насочил зрак сончева светлина низ мала дупка на стаклена призма. При ударот во призмата, зракот се прекрши и на спротивниот ѕид даде издолжена слика со виножито алтернација на бои - спектар. Експериментирајте за минување на монохроматска светлина низ призма:
Њутн поставил црвено стакло на патеката на сончевиот зрак, зад кое добил монохроматска светлина (црвена), потоа призма и на екранот ја набљудувал само црвената дамка од светлосниот зрак. Искуство во синтеза (производство) на бела светлина:Прво, Њутн насочил зрак сончева светлина кон призма. Потоа, откако ги собра обоените зраци што излегуваат од призмата со помош на собирна леќа, Њутн доби бела слика на дупка на бел ѕид наместо обоена лента. Заклучоците на Њутн:- призмата не ја менува светлината, туку само ја разградува на нејзините компоненти - светлосните зраци кои се разликуваат по боја се разликуваат по степенот на прекршување; Виолетовите зраци се прекршуваат најсилно, црвените послабо - црвената светлина, која се прекршува помалку, има најголема брзина, а виолетовата има најмалку, поради што призмата ја разградува светлината. Зависноста на индексот на прекршување на светлината од нејзината боја се нарекува дисперзија.
Природната светлина понекогаш конвенционално се означува како таква. Се нарекува и неполаризиран.
Поларизаторите што се користат за анализа на поларизацијата на светлината се нарекуваат анализатори.
