Fenomenet lysbrytning er et fysisk fenomen som oppstår når en bølge beveger seg fra et materiale til et annet der forplantningshastigheten endres. Visuelt manifesterer det seg i det faktum at retningen på bølgeutbredelsen endres.
Fysikk: lysbrytning
Hvis den innfallende strålen treffer grensesnittet mellom to medier i en vinkel på 90°, skjer ingenting, den fortsetter sin bevegelse i samme retning i rette vinkler på grensesnittet. Hvis innfallsvinkelen til strålen er forskjellig fra 90°, oppstår fenomenet lysbrytning. Dette gir for eksempel slike merkelige effekter som tilsynelatende brudd på et objekt som er delvis nedsenket i vann eller luftspeilinger observert i en varm sandørken.
Oppdagelseshistorie
I det første århundre e.Kr e. Den antikke greske geografen og astronomen Ptolemaios prøvde å matematisk forklare verdien av brytning, men loven han foreslo viste seg senere å være upålitelig. På 1600-tallet Den nederlandske matematikeren Willebrord Snell utviklet en lov som bestemte mengden assosiert med forholdet mellom hendelsen og brytningsvinklene, som senere ble kalt brytningsindeksen til et stoff. I hovedsak, jo mer et stoff er i stand til å bryte lys, jo større er denne indikatoren. En blyant i vann er "knust" fordi strålene som kommer fra den endrer bane ved luft-vann-grensesnittet før de når øynene. Til Snells skuffelse klarte han aldri å finne årsaken til denne effekten.
I 1678 utviklet en annen nederlandsk vitenskapsmann, Christiaan Huygens, et matematisk forhold for å forklare Snells observasjoner og foreslo at fenomenet lysbrytning er et resultat av den forskjellige hastigheten som en stråle passerer gjennom to medier. Huygens bestemte at forholdet mellom lysvinklene som passerer gjennom to materialer med forskjellige brytningsindekser, skulle være lik forholdet mellom dets hastigheter i hvert materiale. Dermed postulerte han at lys beveger seg langsommere gjennom medier som har en høyere brytningsindeks. Med andre ord er lyshastigheten gjennom et materiale omvendt proporsjonal med brytningsindeksen. Selv om loven senere ble bekreftet eksperimentelt, var dette for mange forskere på den tiden ikke åpenbart, siden det ikke fantes noen pålitelige lysmidler. Det virket for forskere at hastigheten ikke var avhengig av materialet. Bare 150 år etter Huygens død ble lyshastigheten målt med tilstrekkelig nøyaktighet til å bevise at han hadde rett.
Absolutt brytningsindeks
Den absolutte brytningsindeksen n til et gjennomsiktig stoff eller materiale er definert som den relative hastigheten lyset passerer gjennom det i forhold til hastigheten i et vakuum: n=c/v, der c er lysets hastighet i et vakuum og v er lyshastigheten i materialet.
Det er åpenbart ingen brytning av lys i et vakuum, blottet for noe stoff, og i det er den absolutte indeksen lik 1. For andre gjennomsiktige materialer er denne verdien større enn 1. For å beregne indeksene til ukjente materialer, er brytningen lys i luft (1.0003) kan brukes.
Snells lover
La oss introdusere noen definisjoner:
- innfallsstråle - en stråle som nærmer seg separasjon av media;
- treffpunkt - separasjonspunktet der det treffer;
- den brutte strålen forlater separasjonen av media;
- normal - en linje tegnet vinkelrett på delingen ved innfallspunktet;
- innfallsvinkel - vinkelen mellom normalen og innfallsstrålen;
- Lys kan defineres som vinkelen mellom den brutte strålen og normalen.
I henhold til brytningslovene:
- Hendelsen, brutt stråle og normalen er i samme plan.
- Forholdet mellom sinusene til innfalls- og brytningsvinklene er lik forholdet mellom brytningskoeffisientene til det andre og første mediet: sin i/sin r = n r /n i.
Snells lov om lysbrytning beskriver forholdet mellom vinklene til to bølger og brytningsindeksene til to medier. Når en bølge beveger seg fra et mindre brytningsmedium (som luft) til et mer brytningsmedium (som vann), reduseres hastigheten. Tvert imot, når lyset går fra vann til luft, øker hastigheten. i det første mediet i forhold til normalen og brytningsvinkelen i det andre vil avvike proporsjonalt med forskjellen i brytningsindekser mellom disse to stoffene. Hvis en bølge går fra et medium med lav koeffisient til et medium med høyere koeffisient, bøyer den seg mot normalen. Og hvis det er omvendt, blir det slettet.
Relativ brytningsindeks
Viser at forholdet mellom sinusene til den innfallende og brutte vinklen er lik en konstant, som representerer forholdet i begge medier.
sin i/sin r = n r /n i =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r
Forholdet n r /n i kalles den relative brytningsindeksen for disse stoffene.
En rekke fenomener som følge av brytning observeres ofte i hverdagen. Den "ødelagte" blyanteffekten er en av de vanligste. Øynene og hjernen følger strålene tilbake i vannet som om de ikke ble brutt, men kommer fra objektet i en rett linje, og skaper et virtuelt bilde som vises på en grunnere dybde.
Spredning
Nøye målinger viser at lysbrytningen i stor grad påvirkes av bølgelengden til strålingen eller dens farge. Et stoff har med andre ord mange som kan variere når farge eller bølgelengde endres.
Denne endringen skjer i alle transparente medier og kalles spredning. Graden av spredning av et bestemt materiale avhenger av hvor mye dets brytningsindeks endres med bølgelengden. Når bølgelengden øker, blir fenomenet lysbrytning mindre uttalt. Dette bekreftes av det faktum at fiolett bryter mer enn rødt, siden bølgelengden er kortere. Takket være spredning i vanlig glass oppstår en viss spaltning av lys i dets komponenter.
Nedbryting av lys
På slutten av 1600-tallet gjennomførte Sir Isaac Newton en rekke eksperimenter som førte til hans oppdagelse av det synlige spekteret, og viste at hvitt lys består av en ordnet rekke farger, alt fra fiolett til blått, grønt, gult, oransje og slutter. med rødt. Under arbeid i et mørklagt rom, plasserte Newton et glassprisme inn i en smal bjelke som penetrerte gjennom en åpning i vindusskodder. Når det passerte gjennom et prisme, ble lys brutt - glasset projiserte det på skjermen i form av et ordnet spektrum.
Newton kom til den konklusjonen at hvitt lys består av en blanding av forskjellige farger, og at et prisme "spreder" hvitt lys, og bryter hver farge i en annen vinkel. Newton klarte ikke å skille fargene ved å føre dem gjennom et andre prisme. Men da han plasserte det andre prismet veldig nært det første på en slik måte at alle de spredte fargene kom inn i det andre prismet, fant forskeren at fargene rekombinert for å danne hvitt lys igjen. Denne oppdagelsen beviste på en overbevisende måte spekteret som enkelt kan deles og kombineres.
Fenomenet spredning spiller en nøkkelrolle i en lang rekke fenomener. Regnbuer er skapt ved brytning av lys i regndråper, og produserer en spektakulær visning av spektral nedbrytning som ligner på den som finnes i et prisme.
Kritisk vinkel og total intern refleksjon
Når man passerer gjennom et medium med en høyere brytningsindeks til et medium med en lavere, bestemmes banen til bølgene av innfallsvinkelen i forhold til separasjonen av de to materialene. Hvis innfallsvinkelen overstiger en viss verdi (avhengig av brytningsindeksen til de to materialene), når den et punkt hvor lyset ikke brytes inn i mediet med nedre indeks.
Den kritiske (eller begrensende) vinkelen er definert som innfallsvinkelen som resulterer i en brytningsvinkel lik 90°. Med andre ord, så lenge innfallsvinkelen er mindre enn den kritiske vinkelen, oppstår brytning, og når den er lik den, passerer den brudte strålen langs stedet der de to materialene skilles. Hvis innfallsvinkelen overstiger den kritiske vinkelen, reflekteres lyset tilbake. Dette fenomenet kalles total intern refleksjon. Eksempler på bruken er diamanter og diamantkuttet fremmer total intern refleksjon. De fleste stråler som kommer inn gjennom toppen av diamanten vil bli reflektert til de når toppen. Det er dette som gir diamanter deres strålende glans. Optisk fiber består av glass "hår" som er så tynne at når lys kommer inn i den ene enden, kan det ikke slippe ut. Og først når strålen når den andre enden kan den forlate fiberen.
Forstå og administrere
Optiske instrumenter som spenner fra mikroskoper og teleskoper til kameraer, videoprojektorer og til og med det menneskelige øyet er avhengige av det faktum at lys kan fokuseres, brytes og reflekteres.
Refraksjon produserer et bredt spekter av fenomener, inkludert luftspeilinger, regnbuer og optiske illusjoner. Refraksjon får et tykt krus med øl til å virke fyldigere, og solen går ned noen minutter senere enn den faktisk gjør. Millioner av mennesker bruker brytningskraften til å korrigere synsfeil med briller og kontaktlinser. Ved å forstå og manipulere disse lysegenskapene kan vi se detaljer som er usynlige for det blotte øye, enten de er på et objektglass eller i en fjern galakse.
Fenomenet lysbrytning var kjent for Aristoteles. Ptolemaios forsøkte å etablere loven kvantitativt ved å måle innfallsvinklene og lysbrytningen. Forskeren kom imidlertid med den uriktige konklusjonen at brytningsvinkelen er proporsjonal med innfallsvinkelen. Etter ham ble det gjort flere forsøk på å etablere loven den nederlandske vitenskapsmannen Snells forsøk på 1600-tallet var vellykket.
Loven om lysbrytning er en av de fire grunnleggende lovene for optikk, som ble empirisk oppdaget selv før lysets natur ble etablert. Dette er lovene:
- rettlinjet forplantning av lys;
- uavhengighet av lysstråler;
- refleksjon av lys fra en speiloverflate;
- lysbrytning ved grensen til to gjennomsiktige stoffer.
Alle disse lovene er begrenset i anvendelse og er omtrentlige. Klargjøring av grensene og vilkårene for anvendelse av disse lovene er av stor betydning for å etablere lysets natur.
Uttalelse av loven
Den innfallende lysstrålen, den brutte strålen og perpendikulæren til grensesnittet mellom to transparente medier ligger i samme plan (fig. 1). I dette tilfellet er innfallsvinkelen () og brytningsvinkelen () relatert av forholdet:
hvor er en konstant verdi uavhengig av vinkler, som kalles brytningsindeksen. For å være mer presis, i uttrykk (1) brukes den relative brytningsindeksen til stoffet der det brutte lyset forplanter seg, i forhold til mediet der den innfallende lysbølgen forplantet seg:
hvor er den absolutte brytningsindeksen til det andre mediet, er den absolutte brytningsindeksen til det første stoffet; — fasehastighet for lysutbredelse i det første mediet; — fasehastighet for lysspredning i det andre stoffet. I tilfelle at title="Gengitt av QuickLaTeX.com" height="16" width="60" style="vertical-align: -4px;">, то вторая среда считается оптически более плотной, чем первая.!}
Med tanke på uttrykk (2), er brytningsloven noen ganger skrevet som:
Fra uttrykkets symmetri (3) følger reversibiliteten til lysstråler. Hvis du reverserer den brutte strålen (fig. 1) og får den til å falle på grensesnittet i en vinkel, vil den i medium (1) gå i motsatt retning langs den innfallende strålen.
Hvis en lysbølge forplanter seg fra et stoff med høyere brytningsindeks til et medium med lavere brytningsindeks, vil brytningsvinkelen være større enn innfallsvinkelen.
Når innfallsvinkelen øker, øker også brytningsvinkelen. Dette skjer inntil ved en viss innfallsvinkel, som kalles begrensende vinkel (), blir brytningsvinkelen lik 900. Hvis innfallsvinkelen er større enn begrensende vinkel (), reflekteres alt innfallende lys fra grensesnitt For den begrensende innfallsvinkelen er uttrykket (1 ) transformert til formelen:
hvor ligning (4) tilfredsstiller verdiene til vinkelen ved Dette betyr at fenomenet total refleksjon er mulig når lys kommer inn fra et stoff som er optisk tettere til et stoff som er optisk mindre tett.
Betingelser for brytningslovens anvendelighet
Loven om lysbrytning kalles Snells lov. Det utføres for monokromatisk lys, hvis bølgelengde er mye større enn de intermolekylære avstandene til mediet der det forplanter seg.
Brytningsloven brytes hvis størrelsen på overflaten som skiller de to mediene er liten og diffraksjonsfenomenet oppstår. I tillegg gjelder ikke Snells lov dersom det oppstår ikke-lineære fenomener, som kan oppstå ved høye lysintensiteter.
Eksempler på problemløsning
EKSEMPEL 1
| Trening | Hva er brytningsindeksen til en væske () hvis en lysstråle som faller på glass-væske-grensen opplever total refleksjon? I dette tilfellet er den begrensende vinkelen for total refleksjon lik , brytningsindeksen til glass er lik |
| Løsning | Grunnlaget for å løse problemet er Snells lov, som vi skriver i formen:
La oss uttrykke ønsket verdi () fra formel (1.1), vi får: La oss utføre beregningene: |
| Svar |
EKSEMPEL 2
| Trening | Mellom to transparente plater med brytningsindekser er det et lag med gjennomsiktig substans med brytningsindeks (fig. 2). En lysstråle faller på grensesnittet mellom den første platen og stoffet i en vinkel (mindre enn den begrensende). Når den beveger seg fra materielaget til den andre platen, faller den på den i en vinkel. Vis at strålen brytes i et slikt system som om det ikke var noe lag mellom platene. |
Ved grensesnittet mellom to gjennomsiktige medier, sammen med refleksjon av lys, observeres lys som passerer inn i et annet medium, og endrer retningen på dets forplantning.
Refraksjon av en lysstråle oppstår når den faller inn i en skrå vinkel på grensesnittet (men ikke alltid les videre om total intern refleksjon). Hvis strålen faller vinkelrett på overflaten, vil det ikke være noen brytning i det andre mediet, vil strålen beholde sin retning og vil også gå vinkelrett på overflaten.
4.3.1 brytningsloven (spesielt tilfelle)
Vi starter med den spesielle saken når en av mediene er luft. Dette er akkurat den situasjonen som oppstår i de aller fleste problemer. Vi vil diskutere det tilsvarende spesielle tilfellet av brytningsloven, og først da vil vi gi dens mest generelle formulering.
Anta at en lysstråle som beveger seg i luft faller på skrå på overflaten av glass, vann eller et annet gjennomsiktig medium. Når den passerer inn i mediet, brytes strålen, og dens videre bane er vist i fig. 4.11.
Onsdag O
Ris. 4.11. Refraksjon av en stråle ved luft-medium-grensesnittet
Ved innfallspunktet O trekkes en vinkelrett (eller, som de også sier, en normal) CD til overflaten av mediet. Strålen AO kalles som før innfallsstrålen, og vinkelen mellom den innfallende stråle og normalen er innfallsvinkelen. Ray OB er en brutt stråle; Vinkelen mellom den brutte strålen og normalen til overflaten kalles brytningsvinkelen.
Ethvert transparent medium er karakterisert ved en verdi n, som kalles brytningsindeksen til dette mediet. Brytningsindeksene til ulike medier kan finnes i tabeller. For eksempel, for glass n = 1;6, og for vann n = 1;33. Generelt har et hvilket som helst medium n > 1; Brytningsindeksen er lik enhet bare i et vakuum. For luft, n = 1,0003, derfor, for luft, med tilstrekkelig nøyaktighet, kan vi anta n = 1 i problemer (i optikk er luft ikke veldig forskjellig fra vakuum).
Brytningsloven (overgang ¾luft-medium¿).
1) Den innfallende strålen, den brutte strålen og normalen til overflaten tegnet ved innfallspunktet ligger i samme plan.
2) Forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er lik brytningsindeksen
miljø:
Siden n > 1 følger det av relasjon (4.1) at sin > sin, dvs. > brytningsvinkelen er mindre enn innfallsvinkelen. Husk: når du beveger deg fra luft til et medium, går strålen, etter brytning, nærmere normalen.
Brytningsindeksen er direkte relatert til hastigheten v for lysets utbredelse i et gitt medium. Denne hastigheten er alltid mindre enn lysets hastighet i vakuum: v< c. И вот оказывается,
Vi vil forstå hvorfor dette skjer når vi studerer bølgeoptikk. I mellomtiden kan kombi-
La oss sette opp formler (4.1) og (4.2): | |||||
Siden brytningsindeksen til luft er veldig nær enhet, kan vi anta at lyshastigheten i luft er omtrent lik lyshastigheten i et vakuum c. Når vi tar dette i betraktning og ser på formel (4.3), konkluderer vi: forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er lik forholdet mellom lyshastigheten i luft og lysets hastighet i mediet.
4.3.2 Reversibilitet av lysstråler
La oss nå vurdere den omvendte banen til strålen: dens brytning når den går fra mediet til luften. Følgende nyttige prinsipp vil hjelpe oss her.
Prinsippet om reversibilitet av lysstråler. Strålebanen er ikke avhengig av om strålen forplanter seg i retning forover eller bakover. Ved å bevege seg i motsatt retning vil strålen følge nøyaktig samme bane som i retning fremover.
I henhold til prinsippet om reversibilitet vil strålen ved bevegelse fra medium til luft følge samme bane som under tilsvarende overgang fra luft til medium (fig. 4.12) Den eneste forskjellen mellom fig. 4.12 og fig. 4.11 er at retningen til strålen har endret seg til motsatt.
Onsdag O
Ris. 4.12. Refraksjon av en stråle i grensesnittet mellom medium og luft
Siden det geometriske bildet ikke har endret seg, vil formel (4.1) forbli den samme: forholdet mellom vinkelens sinus og vinkelens sinus er fortsatt lik brytningsindeksen til mediet. Riktignok har vinklene endret roller: vinkelen har blitt innfallsvinkelen, og vinkelen har blitt brytningsvinkelen.
Uansett hvordan strålen går fra luft til medium eller fra medium til luft, gjelder følgende enkle regel. Vi tar to vinkler: innfallsvinkelen og brytningsvinkelen; forholdet mellom sinusen til den større vinkelen og sinusen til den mindre vinkelen er lik brytningsindeksen til mediet.
Vi er nå fullt forberedt på å diskutere brytningsloven i det mest generelle tilfellet.
4.3.3 brytningsloven (generelt tilfelle)
La lys passere fra medium 1 med brytningsindeks n1 til medium 2 med brytningsindeks n2. Et medium med høyere brytningsindeks kalles optisk tettere; Følgelig kalles et medium med lavere brytningsindeks optisk mindre tett.
Ved å bevege seg fra et optisk mindre tett medium til et optisk tettere, går lysstrålen, etter brytning, nærmere normalen (fig. 4.13). I dette tilfellet er innfallsvinkelen større enn brytningsvinkelen: > .
Ris. 4.13. n1< n2 ) >
Tvert imot, ved å bevege seg fra et optisk tettere medium til et optisk mindre tett medium, avviker strålen ytterligere fra normalen (fig. 4.14). Her er innfallsvinkelen mindre enn brytningsvinkelen:
Ris. 4.14. n1 > n2)<
Det viser seg at begge disse tilfellene er dekket av én formel av den generelle brytningsloven, som er gyldig for to gjennomsiktige medier.
brytningsloven.
1) Innfallsstrålen, den brutte strålen og normalen til grensesnittet mellom media, tegnet
V treffpunktet ligger i samme plan.
2) Forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er lik forholdet mellom brytningsindeksen til det andre mediet og brytningsindeksen til det første mediet:
Det er lett å se at den tidligere formulerte brytningsloven for luft-medium-overgangen er et spesielt tilfelle av denne loven. Faktisk, setter vi n1 = 1 og n2 = n i formel (4.4), kommer vi til formel (4.1).
La oss nå huske at brytningsindeksen er forholdet mellom lysets hastighet i vakuum og lysets hastighet i et gitt medium: n1 = c=v1, n2 = c=v2. Ved å erstatte dette med (4.4), får vi:
Formel (4.5) generaliserer naturlig formel (4.3). Forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er lik forholdet mellom lyshastigheten i det første mediet og lyshastigheten i det andre mediet.
4.3.4 Total intern refleksjon
Når lysstråler går fra et optisk tettere medium til et optisk mindre tett medium, observeres et interessant fenomen, total intern refleksjon. La oss finne ut hva det er.
For bestemthetens skyld antar vi at lys kommer fra vann til luft. La oss anta at i dypet av reservoaret er det en punktkilde for lys S, som sender ut stråler i alle retninger. Vi skal se på noen av disse strålene (fig. 4.15).
S B 1
Ris. 4.15. Total intern refleksjon
Stråle SO1 treffer vannoverflaten i minste vinkel. Denne strålen brytes delvis (stråle O1 A1) og reflekteres delvis tilbake i vannet (stråle O1 B1). Dermed overføres en del av energien til den innfallende strålen til den refrakterte strålen, og den gjenværende energien overføres til den reflekterte strålen.
Innfallsvinkelen til SO2-strålen er større. Denne strålen er også delt inn i to stråler, brutt og reflektert. Men energien til den opprinnelige strålen er fordelt mellom dem annerledes: den refrakterte strålen O2 A2 vil være svakere enn strålen O1 A1 (det vil si at den vil motta en mindre andel energi), og den reflekterte strålen O2 B2 vil være tilsvarende lysere enn strålen O1 B1 (den vil motta en større andel energi).
Når innfallsvinkelen øker, observeres det samme mønsteret: en stadig større andel av energien til den innfallende strålen går til den reflekterte strålen, og en stadig mindre andel til den refrakterte strålen. Den brutte strålen blir svakere og svakere, og forsvinner på et tidspunkt helt!
Denne forsvinningen skjer når innfallsvinkelen når 0, som tilsvarer brytningsvinkelen 90. I denne situasjonen ville den brutte strålen OA måtte gå parallelt med vannoverflaten, men det er ingenting igjen å gå all energien til den innfallende strålen SO i sin helhet til den reflekterte strålen OB.
Med en ytterligere økning i innfallsvinkelen vil den refrakterte strålen til og med være fraværende.
Det beskrevne fenomenet er fullstendig intern refleksjon. Vann slipper ikke ut stråler med innfallsvinkler som er lik eller over en viss verdi 0; alle slike stråler reflekteres fullstendig tilbake i vannet. Angle0 kalles den begrensende vinkelen for total refleksjon.
Verdien 0 er lett å finne fra brytningsloven. Vi har:
synd 0 | ||||||||||
Men synd 90 = 1, altså | ||||||||||
synd 0 | ||||||||||
0 = arcsin | ||||||||||
Så for vann er den begrensende vinkelen for total refleksjon lik:
0 = arcsin1; 1 33 48;8:
Du kan enkelt observere fenomenet total intern refleksjon hjemme. Hell vann i et glass, løft det og se på overflaten av vannet rett under gjennom glassveggen. Du vil se en sølvglans på overflaten på grunn av total intern refleksjon, den oppfører seg som et speil.
Den viktigste tekniske anvendelsen av total intern refleksjon er fiberoptikk. Lysstråler som sendes inn i en fiberoptisk kabel (lysleder) nesten parallelt med dens akse faller på overflaten i store vinkler og reflekteres fullstendig tilbake i kabelen uten tap av energi. Gjentatte ganger reflekteres strålene lenger og lenger og overfører energi over en betydelig avstand. Fiberoptisk kommunikasjon brukes for eksempel i kabel-tv-nettverk og høyhastighets Internett-tilgang.
4.1. Grunnleggende begreper og lover for geometrisk optikk
Lover for lysrefleksjon.Første lov om refleksjon:
innfallende og reflekterte stråler ligger i samme plan med vinkelrett på den reflekterende overflaten, gjenopprettet ved innfallspunktet for strålen.
Andre lov om refleksjon:
innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen (se fig. 8).
α - Innfallsvinkel, β - refleksjonsvinkel.
Lover for lysbrytning. Brytningsindeks.
Første brytningslov:
den innfallende strålen, den refrakterte strålen og den perpendikulære rekonstruert ved innfallspunktet til grensesnittet ligger i samme plan (se fig. 9). 
Andre brytningslov:
forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er en konstant verdi for to gitte medier og kalles den relative brytningsindeksen til det andre mediet i forhold til det første. 
Den relative brytningsindeksen viser hvor mange ganger lyshastigheten i det første mediet er forskjellig fra lyshastigheten i det andre mediet: 
Total refleksjon.
Hvis lys går fra et optisk tettere medium til et optisk mindre tett medium, så hvis betingelsen α > α 0 er oppfylt, hvor α 0 er den begrensende vinkelen for total refleksjon, vil lyset ikke gå inn i det andre mediet i det hele tatt. Det vil bli fullstendig reflektert fra grensesnittet og forbli i det første mediet. I dette tilfellet gir loven om lysrefleksjon følgende forhold: 
4.2. Grunnleggende begreper og lover for bølgeoptikk
Innblanding er prosessen med superposisjon av bølger fra to eller flere kilder på hverandre, som et resultat av at bølgeenergien blir omfordelt i rommet. For å omfordele bølgeenergi i rommet er det nødvendig at bølgekildene er koherente. Dette betyr at de skal sende ut bølger med samme frekvens og faseforskyvningen mellom oscillasjonene til disse kildene bør ikke endres over tid.Avhengig av baneforskjellen (∆) ved punktet for overlapping av strålene, maksimal eller minimum interferens. Hvis veiforskjellen til stråler fra i-fase kilder ∆ er lik et heltall av bølgelengder mλ (m- heltall), så er dette maksimal interferens:
hvis det er et oddetall halvbølger, er minimum interferens:
Diffraksjon kalt avviket i bølgeutbredelsen fra den rettlinjede retningen eller penetrasjonen av bølgeenergi inn i området til den geometriske skyggen. Diffraksjon er tydelig observert i tilfeller hvor størrelsene på hindringer og hull som bølgen passerer er i samsvar med bølgelengden.
Et av de optiske instrumentene som det er greit å observere lysets diffraksjon på er diffraksjonsgitter. Det er en glassplate som det påføres slag i like avstander fra hverandre med en diamant. Avstand mellom slag - gitterkonstant d. Stråler som passerer gjennom gitteret blir diffraktert i alle mulige vinkler. Linsen samler opp stråler som kommer med samme diffraksjonsvinkel i et av punktene i brennplanet. Kommer i en annen vinkel - på andre punkter. Overlagret på hverandre gir disse strålene et maksimum eller minimum av diffraksjonsmønsteret. Betingelsene for å observere maksima i et diffraksjonsgitter har formen:
Hvor m- heltall, λ - bølgelengde (se fig. 10).
Hensikten med leksjonen
Å gjøre studentene kjent med lovene for lysutbredelse i grensesnittet mellom to medier, for å gi en forklaring på dette fenomenet fra bølgeteorien om lys.
|
Lekser: § 61, oppgave nr. 1035, 1036.
Sjekk av kunnskap
Test. Refleksjon av lys
Nytt materiale
Observasjon av lysbrytning.
Ved grensen mellom to medier endrer lys retningen på forplantningen. En del av lysenergien går tilbake til det første mediet, det vil si at lys reflekteres. Hvis det andre mediet er gjennomsiktig, kan lyset delvis passere gjennom grensen til mediet, og endrer som regel forplantningsretningen. Dette fenomenet kalles lysbrytning.
På grunn av brytning observeres en tilsynelatende endring i formen til objekter, deres plassering og størrelse. Enkle observasjoner kan overbevise oss om dette. Plasser en mynt eller en annen liten gjenstand i bunnen av et tomt ugjennomsiktig glass. La oss flytte glasset slik at midten av mynten, kanten på glasset og øyet er på samme rette linje. Uten å endre posisjonen til hodet, vil vi helle vann i glasset. Når vannstanden stiger, ser det ut til at bunnen av glasset med mynten stiger. En mynt som tidligere bare var delvis synlig vil nå være fullt synlig. Plasser blyanten på skrå i en beholder med vann. Hvis du ser på karet fra siden, vil du legge merke til at den delen av blyanten som er i vannet ser ut til å være forskjøvet til siden.
Disse fenomenene forklares av en endring i retningen til stråler ved grensen til to medier - lysbrytningen.
Loven om lysbrytning bestemmer den relative posisjonen til den innfallende strålen AB (se figur), den refrakterte strålen DB og den perpendikulære CE til grensesnittet, gjenopprettet ved innfallspunktet. Vinkel α kalles innfallsvinkel, og vinkel β kalles brytningsvinkel.
Innfallende, reflekterte og brutte stråler er enkle å observere ved å gjøre en smal lysstråle synlig. Fremdriften til en slik stråle i luften kan spores ved å blåse litt røyk i luften eller plassere en skjerm i en liten vinkel mot strålen. Den brutte strålen er også synlig i fluoresceinfarget akvarievann.
La en plan lysbølge falle på et flatt grensesnitt mellom to medier (for eksempel fra luft til vann) (se figur). Bølgeoverflaten AC er vinkelrett på strålene A 1 A og B 1 B. Overflaten MN vil først nås av strålen A 1 A . Bjelke B 1 B vil nå overflaten etter tid Δt. Derfor, i det øyeblikket den sekundære bølgen ved punkt B bare begynner å bli eksitert, har bølgen fra punkt A allerede form av en halvkule med en radius
Bølgeoverflaten til en brutt bølge kan oppnås ved å tegne en overflate som tangerer alle sekundære bølger i det andre mediet, hvis sentre ligger i grensesnittet mellom mediet. I dette tilfellet er dette BD-flyet. Det er konvolutten av sekundære bølger. Innfallsvinkelen α til strålen er lik CAB i trekant ABC (sidene av en av disse vinklene er vinkelrett på sidene til den andre). Derfor,
Brytningsvinkelen β er lik vinkelen ABD til trekanten ABD. Derfor
Ved å dele de resulterende ligningene ledd på ledd, får vi:
|
|
hvor n er en konstant verdi uavhengig av innfallsvinkelen.
Av konstruksjonen (se figur) er det tydelig at den innfallende strålen, den refrakterte strålen og den perpendikulære gjenopprettede ved innfallspunktet ligger i samme plan. Dette utsagnet, sammen med ligningen som forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er en konstant verdi for to medier, representerer loven om lysbrytning.
Du kan verifisere gyldigheten av brytningsloven eksperimentelt ved å måle innfalls- og brytningsvinklene og beregne forholdet mellom deres sinus ved forskjellige innfallsvinkler. Denne holdningen forblir uendret.
Brytningsindeks.
Den konstante verdien som er inkludert i loven om lysbrytning kalles relativ brytningsindeks eller brytningsindeksen til det andre mediet i forhold til det første.
Huygens prinsipp innebærer ikke bare brytningsloven. Ved å bruke dette prinsippet avsløres den fysiske betydningen av brytningsindeksen. Det er lik forholdet mellom lyshastighetene i media ved grensen mellom hvilke brytning oppstår:
|
|
Hvis brytningsvinkelen β er mindre enn innfallsvinkelen α, så er, ifølge (*), lyshastigheten i det andre mediet mindre enn i det første.
Brytningsindeksen til et medium i forhold til vakuum kalles absolutt brytningsindeks for dette mediet. Det er lik forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen når en lysstråle går fra et vakuum til et gitt medium.
Ved å bruke formel (**), kan vi uttrykke den relative brytningsindeksen i form av de absolutte brytningsindeksene n 1 og n 2 til det første og andre mediet.
Faktisk siden
| Og |
hvor c er lysets hastighet i vakuum, da
Et medium med lavere absolutt brytningsindeks kalles vanligvis optisk mindre tett medium.
Den absolutte brytningsindeksen bestemmes av lysets forplantningshastighet i et gitt medium, som avhenger av mediets fysiske tilstand, det vil si stoffets temperatur, dens tetthet og tilstedeværelsen av elastiske spenninger i det. Brytningsindeksen avhenger også av egenskapene til selve lyset. Vanligvis er det mindre for rødt lys enn for grønt lys, og mindre for grønt lys enn for fiolett lys.
Derfor indikerer tabeller med brytningsindeksverdier for forskjellige stoffer vanligvis for hvilket lys en gitt verdi på n er gitt og i hvilken tilstand mediet er. Hvis det ikke er slike indikasjoner, betyr dette at avhengigheten av disse faktorene kan neglisjeres.
I de fleste tilfeller er det nødvendig å vurdere overgangen av lys gjennom luft-faststoff- eller luft-væske-grensen, og ikke gjennom vakuum-medium-grensen. Imidlertid avviker den absolutte brytningsindeksen n 2 til et fast eller flytende stoff litt fra brytningsindeksen til samme stoff i forhold til luft. Dermed er den absolutte brytningsindeksen til luft under normale forhold for gult lys omtrent 1,000292. Derfor,
Arbeidsark for leksjonen
Eksempel på svar
"Lysbrytning"