Deneyin yürütülmesi
Her biriniz muhtemelen bir bardak suda, su ile hava arasındaki sınırda çıkıntı yapan kaşığın bir tür kırık görünüme sahip olduğunu fark etmişsinizdir. Büyüyen çimlerin görülebildiği rezervuardan bir göl veya nehrin kıyısında tamamen aynı resmi görüyoruz. Baktığımızda su ve hava sınırında bu çim bıçağının yana doğru saptığı izlenimini ediniyoruz. Elbette bu nesnelerin suya düşmeden önceki halleriyle aynı kaldıklarını çok iyi anlıyoruz. Ancak gözlemlediğimiz ve böyle bir görsel etkiyi yaratan şey, ışığın yayılırken kırılmasıdır.
Önceki derslerde incelediğiniz materyalden, bir ışık ışınının iki ortamı ayıran sınırdan geçtiğinde hangi yöne sapacağını belirlemek için bunlardan hangisinin hızını bilmemiz gerektiğini hatırlamanız gerekir. ışık daha yavaş ve hangisi daha fazla.
Daha fazla netlik sağlamak için sizinle küçük bir deney yapacağız. Örneğin bir optik diski alalım ve ortasına bir cam plaka yerleştirelim. Şimdi bir ışık huzmesini bu plakaya yönlendirmeye çalışalım. Peki ne görüyoruz? Gördüğümüz hava-cam arayüzünün geçtiği yerde ışığın yansıdığıydı. Ancak ışığın yansımasının yanı sıra camın içine nasıl nüfuz ettiğini ve aynı zamanda yayılma yönünü de değiştirdiğini de görüyoruz.
Şimdi şekilde nasıl gösterildiğine bakın:
Şimdi bu fenomeni tanımlamaya çalışalım.
Işığın kırılması hareketin yönünü değiştiren bir olgudur ışık huzmesi bir ortamdan diğerine geçiş anında.
Tekrar çizimimize dönelim. Üzerinde AO'nun gelen ışın, OB'nin yansıyan ışın ve OE'nin kırılan ışın olduğunu görüyoruz. Eğer ışını alıp EO yönünde yönlendirseydik ne olurdu? Olan şu ki, “ışık ışınlarının tersinirliği” yasasına göre bu ışın camdan OA yönünde çıkacaktı.
Bundan, kural olarak ışığı iletebilen ortamların farklı özelliklere sahip olduğu sonucu çıkar. optik yoğunluk ve farklı ışık hızları. Ve böylece ışık hızının yoğunluğa bağlı olduğunu anlarsınız. Yani ortamın optik yoğunluğu ne kadar büyük olursa ışığın hızı o kadar düşük olacak ve aynı zamanda dışarıdan gelen ışığı da daha kuvvetli kıracaktır.
Işık kırılması nasıl oluşur?
Işığın kırılması gibi bir olay ilk kez 17. yüzyılda meydana geldi. Peder Maignan bir açıklama yaptı. Onun ifadelerine göre, ışık bir ortamdan diğerine geçtiğinde ışının yönünü değiştirdiği anlaşılıyor ki bu, yürüyüş sırasında yön değiştiren bir "asker cephesinin" hareketine benzetilebilir. Bir asker grubunun yürüdüğü bir çayır hayal edelim ve sonra bu çayır, sınırı öne göre açılı olarak uzanan ekilebilir arazilerle kapatılmış.
Ekilebilir araziye ulaşan askerler yavaşlamaya başlıyor, henüz bu sınıra ulaşmamış askerler ise aynı hızla yolculuklarına devam ediyor. Ve sonra olan şey şu ki, çizgiyi geçip ekilebilir arazide yürüyen askerler, hâlâ çayırda yürüyen silah arkadaşlarının gerisinde kalmaya başlarlar ve böylece birlik sırası yavaş yavaş dönmeye başlar. . Bu işlemi açıklamak için aşağıdaki şekle bakabilirsiniz.
Bir ışık ışınında da tam olarak aynı süreci gözlemliyoruz. Işık ışınının iki ortamın sınırlarını geçtiği anda hangi yöne sapacağını bulmak için, ışık hızının hangisinde daha fazla, hangisinde tam tersi olacağı konusunda fikir sahibi olmak gerekir. , az.
Işığın elektromanyetik dalgalar olduğu fikrine zaten sahip olduğumuza göre, elektromanyetik dalgaların yayılma hızı hakkında bildiğimiz her şey ışığın hızı için de geçerlidir.
Boşlukta ışık hızının maksimum olduğu unutulmamalıdır:
Maddede ışığın hızı, boşluktan farklı olarak her zaman daha azdır: v
Ortamın optik yoğunluğu
Bir ortamın optik yoğunluğu, ışık ışınının ortam içerisinde nasıl yayıldığı ile belirlenir. Işık hızı daha düşük olan ortam optik olarak daha yoğun olacaktır.
Işık hızının daha yavaş olduğu ortama “optik olarak daha yoğun” denir;
Işık hızının daha büyük olduğu ortama “optik olarak daha az yoğun” denir.
Optik yoğunluğu karşılaştırmak için hava, cam ve suyu alırsak, hava ve camı karşılaştırırken camın optik olarak daha yoğun bir ortamı vardır. Ayrıca cam ve su ile karşılaştırıldığında cam optik olarak daha yoğun bir ortam olacaktır.
Kırılma açısı
Bu deneyimden, bir ışık ışınının daha yoğun bir ortama girdiğinde başlangıçtaki yönünden saparak iki ortam arasındaki arayüzün bulunduğu dik doğrultuya doğru yön değiştirdiğini görüyoruz. Ve bu durumda ışık demeti optik olarak daha az yoğun bir ortama girdikten sonra ters yönde saptırılır.
“α” gelme açısı, “β” kırılma açısıdır.
Üçgen prizmada ışığın kırılması
Işığın kırılma yasasını kullanarak bir cam üçgen prizma için ışınların yolunu hesaplamak mümkündür.
Şekil 87'de bu prizmadaki ışınların yolunu daha ayrıntılı olarak takip edebilirsiniz:
Işığın gözde kırılması
Banyoyu suyla doldurduğunuzda, orada gerçekte olduğundan daha az su olduğu izlenimine kapıldığınızı hiç fark ettiniz mi? Nehir, gölet ve göl ile ilgili olarak aynı tablo ortaya çıkıyor ancak tüm bunların nedeni tam olarak ışığın kırılması gibi bir olgudur.
Ancak anladığınız gibi gözlerimiz de tüm bu süreçlerde aktif rol alıyor. Örneğin bir rezervuarın dibindeki belli bir “S” noktasını görebilmemiz için öncelikle ışık ışınlarının bu noktadan geçerek bakan kişinin gözüne girmesi gerekmektedir.
Ve sonra su ve hava sınırında kırılma periyodunu geçen ışık ışını, göz tarafından görünen "S1" görüntüsünden gelen, ancak "S" noktasından daha yüksekte bulunan ışık olarak algılanacaktır. rezervuarın alt kısmı.
“H” rezervuarının hayali derinliği, gerçek H derinliğinin yaklaşık ¾'ü kadardır. Bu olgu ilk kez Öklid tarafından tanımlanmıştır.
Ev ödevi
1. Karşılaştığınız ışığın kırılmasına örneklerinizi verin günlük yaşam.
2. Öklid deneyi hakkında bilgi bulun ve bu deneyi tekrarlamaya çalışın.
Işığın kırılma kanunları.
Kırılma indeksinin fiziksel anlamı. Işık, bir ortamdan diğerine geçerken yayılma hızındaki değişiklikler nedeniyle kırılır. İkinci ortamın birinciye göre kırılma indisi sayısal olarak birinci ortamdaki ışığın hızının ikinci ortamdaki ışık hızına oranına eşittir:
Böylece kırılma indisi, ışının çıktığı ortamdaki hızının, girdiği ortamdaki hızından kaç kat daha büyük (küçük) olduğunu gösterir.
Elektromanyetik dalgaların vakumda yayılma hızı sabit olduğundan, çeşitli ortamların vakuma göre kırılma indislerinin belirlenmesi tavsiye edilir. Hız oranı İle Işığın boşluktaki yayılımının belirli bir ortamdaki yayılma hızına denir. mutlak kırılma indisi bu maddenin() ve onun ana özelliğidir optik özellikler,
,
onlar. ikinci ortamın birinciye göre kırılma indeksi, bu ortamların mutlak indekslerinin oranına eşittir.
Tipik olarak bir maddenin optik özellikleri onun kırılma indisi ile karakterize edilir. N Mutlak kırılma indeksinden çok az farklılık gösteren havaya göre. Aynı zamanda içinde bulunulan ortam mutlak gösterge daha fazlasına optik olarak daha yoğun denir.
Kırılma açısını sınırlayın. Işık, kırılma indisi daha düşük olan bir ortamdan, kırılma indisi daha yüksek olan bir ortama geçiyorsa ( n 1< n 2 ), o zaman kırılma açısı geliş açısından daha küçüktür
R< i (Şekil 3).
Pirinç. 3. Geçiş sırasında ışığın kırılması
Optik olarak daha az yoğun bir ortamdan bir ortama
optik olarak daha yoğun.
Geliş açısı arttığında ben = İkinci ortamdaki 90°'lik (ışın 3, Şekil 2) ışık yalnızca şu açı dahilinde yayılacaktır: pr pr isminde kırılma açısının sınırlanması. İkinci ortamın bölgesinde, kırılmanın sınırlayıcı açısına ek bir açı dahilinde (90° - ben pr ), ışık nüfuz etmez (Şekil 3'te bu alan gölgelidir).
Sınır kırılma açısı pr pr
Ama sin i m = 1, dolayısıyla .
Toplam iç yansıma olgusu. Işık kırılma indisi yüksek bir ortamdan geçtiğinde n 1 > n 2 (Şekil 4), o zaman kırılma açısı geliş açısından daha büyüktür. Işık yalnızca geliş açısı dahilinde kırılır (ikinci bir ortama geçer) ben pr kırılma açısına karşılık gelen rm = 90°.
Pirinç. 4. Optik olarak daha yoğun bir ortamdan bir ortama geçerken ışığın kırılması
optik olarak daha az yoğun.
Geniş bir açıyla gelen ışık, ortamın sınırından tamamen yansıtılır (Şekil 4, ışın 3). Bu olguya toplam iç yansıma denir ve gelme açısı ben pr – toplam iç yansımanın sınır açısı.
Toplam iç yansımanın sınır açısı ben pr duruma göre belirlenir:
, o zaman sin r m =1, dolayısıyla .
Işık herhangi bir ortamdan boşluğa veya havaya geliyorsa, o zaman
Bu iki ortam için ışın yolunun tersine çevrilebilirliği nedeniyle sınır açısı birinci ortamdan ikinciye geçiş sırasındaki kırılma, ışının ikinci ortamdan birinciye geçişi sırasındaki toplam iç yansımanın sınır açısına eşittir.
Cam için toplam iç yansımanın sınır açısı 42°'den azdır. Bu nedenle camdan geçerek yüzeyine 45° açıyla düşen ışınlar tamamen yansıtılır. Camın bu özelliği, genellikle döner (Şekil 5a) ve tersinir (Şekil 4b) prizmalarda kullanılır. optik aletler.
Pirinç. 5: a – döner prizma; b – tersinir prizma.
Fiber optik. Tamamlamak iç yansıma Esnek kurulumda kullanılır ışık kılavuzları. Daha düşük kırılma indisine sahip bir maddeyle çevrelenmiş şeffaf bir fibere giren ışık, birçok kez yansıtılır ve bu fiber boyunca yayılır (Şekil 6).
Şekil 6. Bir maddeyle çevrelenmiş şeffaf bir fiberin içinden ışığın geçişi
daha düşük kırılma indeksine sahip.
Büyük ışık akılarını iletmek ve ışık ileten sistemin esnekliğini korumak için tek tek lifler demetler halinde toplanır - ışık kılavuzları. Işığın ve görüntünün optik fiberler aracılığıyla iletilmesini konu alan optik dalına ne ad verilir? fiber optik. Aynı terim, fiber optik parçalar ve cihazların kendileri için de kullanılır. Tıpta ışık kılavuzları iç boşlukları soğuk ışıkla aydınlatmak ve görüntü iletmek için kullanılır.
Maddelerin kırılma indeksini belirleyen cihazlara denir refraktometreler(Şekil 7).
Şekil 7. Refraktometrenin optik diyagramı.
1 – ayna, 2 – ölçüm başlığı, 3 – dispersiyonu ortadan kaldıran prizma sistemi, 4 – mercek, 5 – dönen prizma (ışın dönüşü 90 0), 6 – ölçek (bazı refraktometrelerde)
İki ölçek vardır: kırılma indisi ölçeği ve çözelti konsantrasyonları),
7 – göz merceği.
Refraktometrenin ana kısmı, iki prizmadan oluşan ölçüm kafasıdır: kafanın katlanır kısmında bulunan aydınlatma prizması ve ölçüm prizması.
Aydınlatma prizmasının çıkışında, mat yüzeyi, prizmalar arasında incelenen sıvıdan (2-3 damla) geçen dağınık bir ışık huzmesi oluşturur. Işınlar ölçüm prizmasının yüzeyine 90° açı dahil olmak üzere farklı açılarda düşer. Ölçüm prizmasında ışınlar, kırılma sınır açısı bölgesinde toplanır ve bu, cihaz ekranında ışık-gölge sınırının oluşumunu açıklar.
Şekil 8. Ölçüm kafasındaki ışın yolu:
1 – aydınlatma prizması, 2 – test sıvısı,
3 – ölçüm prizması, 4 – ekran.
BİR ÇÖZELTİDEKİ ŞEKER YÜZDESİNİN BELİRLENMESİ
Doğal ve polarize ışık. Görünür ışık - Bu elektromanyetik dalgalar 4∙10 14 ila 7,5∙10 14 Hz aralığında bir salınım frekansına sahip. Elektromanyetik dalgalaröyle enine: elektrik ve manyetik alan kuvvetlerinin E ve H vektörleri karşılıklı olarak diktir ve düzlemde yer alır, vektöre dik dalga yayılma hızı.
Çünkü hem kimyasal hem de biyolojik etkiışık esas olarak elektrik bileşeninden kaynaklanmaktadır elektromanyetik dalga, vektör e bu alanın gücüne denir ışık vektör, ve bu vektörün salınım düzlemi ışık dalgası salınımlarının düzlemi.
Herhangi bir ışık kaynağında çok sayıda atom ve molekül tarafından dalgalar yayılır, bu dalgaların ışık vektörleri çeşitli düzlemlerde bulunur ve titreşimler farklı fazlarda meydana gelir. Sonuç olarak, ortaya çıkan dalganın ışık vektörünün salınım düzlemi, uzaydaki konumunu sürekli olarak değiştirir (Şekil 1). Bu tür ışığa denir doğal, veya polarize olmayan.
Pirinç. 1. Işın ve doğal ışığın şematik gösterimi.
İkisini karşılıklı seçerseniz dik düzlemler, bir doğal ışık ışınından geçerken ve E vektörlerini düzleme yansıtırsa, ortalama olarak bu projeksiyonlar aynı olacaktır. Bu nedenle, doğal ışık ışınını üzerinde düz bir çizgi olarak tasvir etmek uygundur. aynı numara bunlar ve tire ve nokta şeklindeki diğer projeksiyonlar:
Işık kristallerden geçtiğinde, dalga titreşim düzlemi uzayda sabit bir konuma sahip olan ışığın elde edilmesi mümkündür. Bu tür ışığa denir düz- veya doğrusal polarize. Uzaysal kafesteki atomların ve moleküllerin düzenli düzenlenmesi nedeniyle, kristal yalnızca belirli bir kafesin belirli bir düzlem özelliğinde meydana gelen ışık vektörünün titreşimlerini iletir.
Düzlem polarize bir ışık dalgasını temsil etmek uygundur aşağıdaki gibi:
Işığın polarizasyonu da kısmi olabilir. Bu durumda, herhangi bir düzlemdeki ışık vektörünün salınımlarının genliği, diğer düzlemlerdeki salınımların genliğini önemli ölçüde aşar.
Kısmen polarize ışık geleneksel olarak aşağıdaki gibi gösterilebilir: vb. Çizgi ve nokta sayısının oranı ışığın polarizasyon derecesini belirler.
Doğal ışığı polarize ışığa dönüştürmeye yönelik tüm yöntemlerde, polarizasyon düzleminin çok spesifik bir yönelimine sahip bileşenler tamamen veya kısmen doğal ışıktan seçilir.
Polarize ışık üretme yöntemleri: a) ışığın iki dielektrik sınırında yansıması ve kırılması; b) ışığın optik olarak anizotropik tek eksenli kristaller yoluyla iletilmesi; c) ışığın optik anizotropisi elektriksel veya elektriksel etkiyle yapay olarak oluşturulan ortamlardan iletilmesi manyetik alan ve ayrıca deformasyon nedeniyle. Bu yöntemler fenomene dayanmaktadır. anizotropi.
Anizotropi bir dizi özelliğin (mekanik, termal, elektriksel, optik) yöne bağımlılığıdır. Özellikleri her yönde aynı olan cisimlere denir. izotropik.
Işık saçılımı sırasında da polarizasyon gözlenir. Polarizasyon derecesi ne kadar yüksek olursa daha küçük boyutlar saçılmanın meydana geldiği parçacıklar.
Polarize ışık üretmek üzere tasarlanmış cihazlara ne ad verilir? polarizörler.
İki dielektrik arasındaki arayüzde yansıma ve kırılma sırasında ışığın polarizasyonu. Doğal ışık iki izotropik dielektrik arasındaki arayüzde yansıtıldığında ve kırıldığında doğrusal polarizasyona uğrar. Rastgele bir geliş açısında, yansıyan ışığın polarizasyonu kısmidir. Yansıyan ışın, geliş düzlemine dik titreşimlerin hakimiyetindedir ve kırılan ışın, ona paralel titreşimlerin hakimiyetindedir (Şekil 2).
Pirinç. 2. Doğal ışığın yansıma ve kırılma sırasında kısmi polarizasyonu
Geliş açısı koşulu karşılıyorsa tan ben B = n 21, o zaman yansıyan ışık tamamen polarize edilir (Brewster yasası) ve kırılan ışın tamamen polarize değildir, ancak maksimum düzeydedir (Şekil 3). Bu durumda yansıyan ve kırılan ışınlar birbirine diktir.
– bağıl gösterge iki ortamın kırılması, i B – Brewster açısı.
Pirinç. 3. Yansıyan ışının yansıma ve kırılma sırasında tam polarizasyonu
iki izotropik dielektrik arasındaki arayüzde.
Çift kırılma. Bir ışık ışınının kırıldığında iki ışına bölündüğü çok sayıda kristal (kalsit, kuvars vb.) vardır. farklı özellikler. Kalsit (İzlanda spar) altıgen kafesli bir kristaldir. Simetri ekseni altıgen prizma Hücresini oluşturan eksene optik eksen denir. Optik eksen bir çizgi değil, kristaldeki bir yöndür. Bu yöne paralel herhangi bir düz çizgi aynı zamanda bir optik eksendir.
Bir kalsit kristalinden bir plakayı, kenarları optik eksene dik olacak şekilde keserseniz ve bir ışık ışınını optik eksen boyunca yönlendirirseniz, içinde herhangi bir değişiklik meydana gelmez. Işını optik eksene belirli bir açıyla yönlendirirseniz, iki ışına bölünecektir (Şekil 4), bunlardan birine sıradan, ikincisine olağanüstü denir.
Pirinç. 4. Işık kalsit plakadan geçtiğinde oluşan çift kırılma.
MN – optik eksen.
Sıradan bir ışın, gelme düzleminde bulunur ve belirli bir madde için normal bir kırılma indisine sahiptir. Olağanüstü ışın, gelen ışından geçen bir düzlemde ve ışının geliş noktasında çizilen kristalin optik ekseninde bulunur. Bu uçağın adı kristalin ana düzlemi. Sıradan ve olağanüstü ışınların kırılma indisleri farklıdır.
Hem sıradan hem de olağanüstü ışınlar polarizedir. Sıradan ışınların salınım düzlemi ana düzleme diktir. Kristalin ana düzleminde olağanüstü ışınların salınımları meydana gelir.
Çift kırılma olgusu kristallerin anizotropisinden kaynaklanmaktadır. Optik eksen boyunca sıradan ve olağanüstü ışınlar için ışık dalgasının hızı aynıdır. Diğer yönlerde kalsitteki olağanüstü dalganın hızı sıradan dalganın hızından daha fazladır. En büyük fark Her iki dalganın hızları arasında optik eksene dik yönde meydana gelir.
Huygens ilkesine göre, çift kırılma ile, kristal sınırına ulaşan bir dalganın yüzeyindeki her noktada, kristalde yayılan iki temel dalga aynı anda ortaya çıkar (sıradan ortamlarda olduğu gibi bir değil!).
Bir dalganın her yöne yayılma hızı aynıdır; dalga küresel bir şekle sahiptir ve denir sıradan. Başka bir dalganın kristalin optik ekseni yönünde yayılma hızı, sıradan bir dalganın hızıyla aynıdır ve optik eksene dik yönde ondan farklıdır. Dalga elipsoidal bir şekle sahiptir ve denir olağanüstü(Şekil 5).
Pirinç. 5. Bir kristalde olağan (o) ve sıra dışı (e) dalgaların yayılması
çift kırılma ile.
Prizma Nicolas. Polarize ışık elde etmek için Nicolas polarizasyon prizması kullanılır. Kalsitten prizma yapılır belli bir şekil ve boyutları, daha sonra çapraz bir düzlem boyunca kesilir ve Kanada balsamı ile birbirine yapıştırılır. Bir ışık huzmesi düştüğünde üst kenar Prizmanın ekseni boyunca (Şekil 6), olağanüstü bir ışın yapıştırma düzlemine daha küçük bir açıyla düşer ve neredeyse yön değiştirmeden içinden geçer. Sıradan bir ışın, açıdan daha büyük bir açıyla geliyor toplam yansıma Kanada balzamı için yapıştırma düzleminden yansıtılır ve prizmanın kararmış kenarı tarafından emilir. Bir Nicolas prizması, titreşim düzlemi prizmanın ana düzleminde yer alan tamamen polarize ışık üretir.
Pirinç. 6. Nicolas prizması. Sıradan geçiş şeması
ve olağanüstü ışınlar.
Dikroizm. Sıradan ve olağanüstü ışınları farklı şekilde emen kristaller vardır. Dolayısıyla, bir doğal ışık huzmesi optik eksen yönüne dik bir turmalin kristaline yönlendirilirse, o zaman yalnızca birkaç milimetrelik bir plaka kalınlığında sıradan ışın tamamen emilecek ve yalnızca olağanüstü bir ışın ortaya çıkacaktır. kristal (Şekil 7).
Pirinç. 7. Işığın turmalin kristalinden geçişi.
Sıradan ve olağanüstü ışınların soğurulmasının farklı doğasına denir. absorpsiyon anizotropisi, veya dikroizm. Böylece turmalin kristalleri polarizör olarak da kullanılabilir.
Polaroidler.Şu anda polarizörler yaygın olarak kullanılmaktadır Polaroidler. Bir polaroid yapmak için, iki cam veya pleksiglas plaka arasına, ışığı polarize eden dikroik bir maddenin (örneğin, iyodokinon sülfat) kristallerini içeren şeffaf bir film yapıştırılır. Film üretim prosesi sırasında kristaller, optik eksenleri paralel olacak şekilde yönlendirilir. Bu sistemin tamamı çerçeveye sabitlenmiştir.
Polaroidlerin ucuzluğu ve polaroidlerle plaka üretme imkanı geniş alan pratikte yaygın kullanımını sağlamıştır.
Polarize ışığın analizi. Işığın doğasını ve polarizasyon derecesini incelemek için cihazlar denir. analizörler. Analizörler, doğrusal polarize ışık - polarizörler elde etmek için kullanılan, ancak uzunlamasına eksen etrafında dönmeye uyarlanmış aynı cihazları kullanır. Analizör yalnızca ana düzlemiyle çakışan titreşimleri iletir. İÇİNDE aksi takdirde Analizörden yalnızca bu düzleme denk gelen titreşim bileşeni geçer.
Analizöre giren ışık dalgası doğrusal polarize ise analizörden çıkan dalganın yoğunluğu Malus yasası:
,
burada I 0 gelen ışığın yoğunluğudur, φ gelen ışığın düzlemleri ile analizör tarafından iletilen ışık arasındaki açıdır.
Işığın polarizör-analizör sisteminden geçişi Şekil 2'de şematik olarak gösterilmiştir. 8.
Pirinç. 8. Işığın polarizör-analizör sisteminden geçiş diyagramı (P - polarizör,
A – analizör, E – ekran):
a) polarizörün ve analizörün ana düzlemleri çakışıyor;
b) polarizörün ve analizörün ana düzlemleri belirli bir açıda yerleştirilmiştir;
c) polarizörün ve analizörün ana düzlemleri karşılıklı olarak diktir.
Polarizörün ve analizörün ana düzlemleri çakışırsa, ışık tamamen analizörün içinden geçer ve ekranı aydınlatır (Şekil 7a). Belirli bir açıda bulunurlarsa, ışık analizörden geçer ancak zayıflar (Şekil 7b), bu açı ne kadar fazla olursa, bu açı 90 0'a o kadar yakın olur. Bu düzlemler karşılıklı olarak dik ise ışık analizör tarafından tamamen söndürülür (Şekil 7c).
Polarize ışığın titreşim düzleminin dönüşü. Polarimetri. Bazı kristallerin yanı sıra çözümler organik madde içlerinden geçen polarize ışığın salınım düzlemini döndürme özelliğine sahiptir. Bu maddelere denir optik olarak A aktif. Bunlara şekerler, asitler, alkaloidler vb. dahildir.
Optik olarak aktif maddelerin çoğunluğu için, polarizasyon düzlemini sırasıyla saat yönünde ve saat yönünün tersine döndüren (ışına bakan bir gözlemci için) iki modifikasyonun varlığı keşfedilmiştir. İlk değişikliğin adı sağa dönen veya pozitif, ikinci - solak, veya negatif.
Kristal olmayan bir durumdaki bir maddenin doğal optik aktivitesi, moleküllerin asimetrisinden kaynaklanmaktadır. İÇİNDE kristal maddeler optik aktivite aynı zamanda moleküllerin kafes içindeki düzeninin özelliklerine göre de belirlenebilir.
Katılarda, polarizasyon düzleminin dönme açısı φ, ışık ışınının gövdedeki yolunun uzunluğu d ile doğru orantılıdır:
nerede α – dönme kapasitesi (belirli dönme), maddenin türüne, sıcaklığına ve dalga boyuna bağlı olarak değişir. Sol ve sağ elini kullanan modifikasyonlar için dönme yetenekleri büyüklük açısından aynıdır.
Çözümler için polarizasyon düzleminin dönme açısı
,
burada α spesifik rotasyondur, c ise çözeltideki optik olarak aktif maddenin konsantrasyonudur. α'nın değeri optik olarak aktif maddenin ve çözücünün doğasına, sıcaklığına ve ışığın dalga boyuna bağlıdır. Spesifik rotasyon– bu, 20 0 C sıcaklıkta ve λ = 589 nm ışık dalga boyunda, 100 cm3 çözelti başına 1 gram madde konsantrasyonunda, 1 dm kalınlığındaki bir çözelti için 100 kat artan dönme açısıdır. Bu ilişkiye dayalı olarak c konsantrasyonunu belirlemek için çok hassas bir yönteme denir. polarimetri (sakarimetri).
Polarizasyon düzleminin dönüşünün ışığın dalga boyuna bağımlılığına denir. rotasyonel dağılım.İlk yaklaşıma göre, elimizde Biot yasası:
burada A, maddenin doğasına ve sıcaklığa bağlı bir katsayıdır.
Klinik ortamda yöntem polarimetriİdrardaki şeker konsantrasyonunu belirlemek için kullanılır. Bunun için kullanılan cihaza denir sakarimetre(Şekil 9).
Pirinç. 9. Sakarimetrenin optik tasarımı:
Ben doğal bir ışık kaynağıdır;
C – cihazın çalışmasının koordinasyonunu sağlayan ışık filtresi (monokromatör)
Biot Yasası ile;
L – çıkışta paralel bir ışık huzmesi üreten bir toplama merceği;
P – polarizör;
K – test solüsyonlu tüp;
A – bölmeli dönen bir D diskine monte edilmiş analizör.
Bir çalışma yürütürken analizör ilk önce test çözümü olmadan görüş alanının maksimum kararmasına ayarlanır. Daha sonra cihaza solüsyon içeren bir tüp yerleştirilir ve analiz cihazı döndürülerek görüş alanı tekrar karartılır. Analizörün döndürülmesi gereken iki açıdan küçük olanı, incelenen maddenin dönme açısıdır. Çözeltideki şeker konsantrasyonu açıdan hesaplanır.
Hesaplamaları basitleştirmek için, çözelti içeren tüp, analizörün dönme açısı (derece cinsinden) sayısal olarak konsantrasyona eşit olacak kadar uzun yapılır. İleçözelti (100 cm3 başına gram cinsinden). Glikoz tüpünün uzunluğu 19 cm'dir.
Polarizasyon mikroskobu. Yöntem dayanmaktadır anizotropi Polarize ışıkta gözlemlendiğinde ortaya çıkan hücre ve dokuların bazı bileşenleri. Paralel olarak düzenlenmiş moleküllerden veya bir yığın halinde düzenlenmiş disklerden oluşan yapılar, yapıdaki parçacıkların kırılma indisinden farklı bir kırılma indisine sahip bir ortama sokulduğunda, çift kırılma. Bu, yapının yalnızca polarizasyon düzlemi parçacıkların uzun eksenlerine paralel olduğunda polarize ışığı ileteceği anlamına gelir. Parçacıklar içsel çift kırılma göstermediğinde bile bu durum geçerlidir. Optik anizotropi kas, bağ dokusu (kollajen) ve sinir liflerinde gözlenir.
İskelet kaslarının adı " çizgili" kas lifinin bireysel bölümlerinin optik özelliklerindeki farklılıklarla ilişkilidir. Doku maddesinin dönüşümlü olarak daha koyu ve daha açık alanlarından oluşur. Bu, elyafın çapraz çizgilerini verir. Kas liflerinin polarize ışık altında incelenmesi, daha karanlık alanların daha belirgin olduğunu ortaya koymaktadır. anizotropik ve özelliklere sahip çift kırılma, daha karanlık alanlar ise izotropik. Kollajen fiberler anizotropiktir, optik eksenleri fiber ekseni boyunca yerleştirilmiştir. Kağıt hamuru kabuğundaki miseller nörofibriller aynı zamanda anizotropiktir, ancak optik eksenleri radyal yönlerde bulunur. Bu yapıların histolojik incelenmesi için polarizasyon mikroskobu kullanılır.
En önemli bileşen Polarizasyon mikroskobu, ışık kaynağı ile kapasitör arasında bulunan bir polarizör kullanır. Ek olarak, mikroskopta dönen bir tabla veya numune tutucu, objektif ile göz merceği arasına yerleştirilmiş, ekseni polarizörün eksenine dik olacak şekilde takılabilen bir analizör ve bir kompansatör bulunur.
Polarizör ve analizör kesiştiğinde ve nesne eksik olduğunda veya izotropik, alan eşit derecede karanlık görünüyor. Çift kırılımlı bir nesne varsa ve ekseni polarizasyon düzlemine 0 0 veya 90 0 dışında bir açıda olacak şekilde yerleştirilirse, polarize ışığı iki bileşene ayıracaktır - düzleme paralel ve dik. analizör. Sonuç olarak, ışığın bir kısmı analizörden geçecek ve nesnenin karanlık bir arka plana karşı parlak bir görüntüsü elde edilecektir. Nesne döndükçe görüntünün parlaklığı değişecek ve polarizöre veya analizöre göre 45°'lik bir açıda maksimuma ulaşacaktır.
Polarizasyon mikroskobu moleküllerin yönelimini incelemek için kullanılır. biyolojik yapılar(örneğin kas hücreleri) ve diğer yöntemler kullanıldığında görünmeyen yapıların gözlemlenmesi sırasında (örneğin, hücre bölünmesi sırasında mitotik iğ), sarmal yapının tanımlanması.
Polarize ışık Kemik dokusunda ortaya çıkan mekanik stresleri değerlendirmek için model koşullarında kullanılır. Bu yöntem, mekanik yüklerin etkisi altında başlangıçta izotropik katılarda optik anizotropinin ortaya çıkmasından oluşan fotoelastisite olgusuna dayanmaktadır.
KIRINIM IZGARASININ KULLANILMASIYLA IŞIĞIN DALGA BOYUNU BELİRTME
Işık girişimi. Işık girişimi, ışık dalgaları üst üste geldiğinde ve bunlara güçlenme veya zayıflama eşlik ettiğinde ortaya çıkan bir olgudur. Tutarlı dalgalar üst üste bindirildiğinde kararlı bir girişim deseni ortaya çıkar. Tutarlı dalgalar frekansları ve aynı fazları olan veya sabit faz kayması olan dalgalara denir. Parazit sırasında ışık dalgalarının güçlendirilmesi (maksimum durum), Δ'nın uyması durumunda meydana gelir çift sayı yarım dalga boyları:
Nerede k – maksimum sıra, k=0,±1,±2,±,…±n;
λ – ışık dalga boyu.
Optik yol farkı Δ uyuyorsa, girişim sırasında ışık dalgalarının zayıflaması (minimum koşul) gözlenir tek sayı yarım dalga boyları:
Nerede k – minimum sipariş.
İki ışının yolundaki optik fark, kaynaklardan girişim deseninin gözlem noktasına kadar olan mesafelerdeki farktır.
İnce filmlerde girişim.İnce filmlerde girişim şu durumlarda gözlemlenebilir: sabun köpüğü, güneş ışığıyla aydınlatıldığında su yüzeyindeki gazyağı lekesinde.
Bırakın yüzeye çıksın ince film kiriş 1 düşer (bkz. Şekil 2). Hava filmi sınırında kırılan ışın filmden geçer ve ondan yansır. iç yüzey filmin dış yüzeyine yaklaşır, film-hava sınırında kırılır ve bir ışın ortaya çıkar. Demeti 2, ışın 1'e paralel uzanan ışının çıkış noktasına yönlendiriyoruz. Işın 2, ışının üzerine bindirilen filmin yüzeyinden yansıyor ve her iki ışın da girişim yapıyor.
Film çok renkli ışıkla aydınlatıldığında gökkuşağı resmi elde ederiz. Bu, filmin kalınlığının eşit olmamasıyla açıklanmaktadır. Sonuç olarak, farklı büyüklüklerde yol farklılıkları ortaya çıkar. farklı uzunluklar dalgalar (renkli sabun filmleri, bazı böceklerin ve kuşların kanatlarının yanardöner renkleri, su yüzeyindeki yağ veya yağ filmleri vb.).
Işık girişimi, interferometre adı verilen cihazlarda kullanılır. İnterferometreler denir optik cihazlar yardımıyla iki ışının mekansal olarak ayrılması ve aralarında belirli bir yol farkı yaratılması mümkündür. İnterferometreler dalga boylarını belirlemek için kullanılır. yüksek derece kısa mesafelerin doğruluğu, maddelerin kırılma indisleri ve optik yüzeylerin kalitesinin belirlenmesi.
Sıhhi ve hijyenik amaçlar için, zararlı gazların içeriğini belirlemek için interferometre kullanılır.
Bir interferometre ve bir mikroskobun (girişim mikroskobu) kombinasyonu, biyolojide kırılma indeksini, kuru madde konsantrasyonunu ve şeffaf mikro nesnelerin kalınlığını ölçmek için kullanılır.
Huygens-Fresnel prensibi. Huygens'e göre ortamda birincil dalganın belirli bir anda ulaştığı her nokta ikincil dalgaların kaynağıdır. Fresnel, Huygens'in bu pozisyonunu açıklığa kavuşturdu ve ikincil dalgaların tutarlı olduğunu ekledi. üst üste bindirildiğinde kararlı bir girişim deseni üreteceklerdir.
Işığın kırınımı. Işığın kırınımı, ışığın doğrusal yayılımdan sapması olgusudur.
Tek bir yarıktan paralel ışınlarda kırınım. Hedef genişliğine izin ver V paralel bir monokromatik ışık ışını düşüyor (bkz. Şekil 3):
Işınların yoluna bir mercek yerleştirilmiştir L , ekranın bulunduğu odak düzleminde e . Işınların çoğu kırınıma uğramaz; yönlerini değiştirmezler ve mercek tarafından odaklanırlar L ekranın ortasında, merkezi bir maksimum veya maksimum oluşturur sıfır sipariş. Eşit kırınım açılarında kırılan ışınlar φ , ekranda maksimum 1,2,3,… oluşturacak N - büyüklük sıraları.
Böylece, monokromatik ışıkla aydınlatıldığında paralel ışınlardaki bir yarıktan elde edilen kırınım deseni, ekranın ortasında maksimum aydınlatmaya sahip bir ışık şerididir, ardından koyu bir şerit (minimum 1. dereceden) vardır, ardından bir ışık vardır. şerit (maksimum 1. sıra), koyu bant (minimum 2. sıra), maksimum 2. sıra vb. Kırınım deseni merkezi maksimuma göre simetriktir. Yarık beyaz ışıkla aydınlatıldığında ekranda bir renkli şeritler sistemi oluşur; yalnızca merkezi maksimum gelen ışığın rengini koruyacaktır.
Şartlar maksimum Ve dk. kırınım. Optik yol farkı varsa Δ tek sayıda segment eşit olduğunda ışık yoğunluğunda bir artış gözlenir ( maksimum kırınım):
Nerede k – maksimum sırası; k =±1,±2,±…,± N;
λ – dalga boyu.
Optik yol farkı varsa Δ eşit sayıda segment varsa, ışık yoğunluğunda bir zayıflama gözlenir ( dk. kırınım):
Nerede k – minimum sipariş.
Kırınım ızgarası. Bir kırınım ızgarası, ışığın geçişine karşı opak olan alternatif şeritlerden ve ışığa karşı şeffaf olan eşit genişlikte şeritlerden (yarıklar) oluşur.
Ana karakteristik kırınım ızgarası onun dönemi D . Kırınım ızgarasının periyodu, şeffaf ve opak şeritlerin toplam genişliğidir:
Optik cihazlarda cihazın çözünürlüğünü arttırmak için bir kırınım ızgarası kullanılır. Bir kırınım ızgarasının çözünürlüğü spektrumun sırasına bağlıdır k ve vuruş sayısı hakkında N :
Nerede R - çözünürlük.
Kırınım ızgarası formülünün türetilmesi. Kırınım ızgarasına iki paralel ışın yönlendirelim: 1 ve 2, böylece aralarındaki mesafe ızgara periyoduna eşit olsun D .
noktalarda A Ve İÇİNDE 1. ve 2. ışınlar kırılır ve belirli bir açıyla doğrusal yönden sapar φ – kırınım açısı.
Işınlar Ve mercekle odaklanmış L merceğin odak düzleminde bulunan ekrana (Şek. 5). Her bir ızgara yarığı, ikincil dalgaların kaynağı olarak düşünülebilir (Huygens-Fresnel prensibi). Ekranda D noktasında girişim deseninin maksimumunu gözlemliyoruz.
noktadan A ışın yolu üzerinde dikmeyi bırakın ve C noktasını alın. üçgeni düşünün ABC : dik üçgen, ÐVAC=Ðφ kenarları birbirine dik olan açılar gibi. İtibaren Δ ABC:
Nerede AB=d (inşaat yoluyla),
CB = Δ – optik yol farkı.
D noktasında maksimum girişim gözlemlediğimiz için, o zaman
Nerede k – maksimum sırası,
λ – ışık dalga boyu.
Değerleri değiştirme AB=d, formülüne günah :
Buradan şunu anlıyoruz:
İÇİNDE genel görünüm Kırınım ızgarası formülü şöyledir:
± işaretleri ekrandaki girişim deseninin merkezi maksimuma göre simetrik olduğunu gösterir.
Fiziksel Temeller holografi Holografi, kırınım ve dalga girişimi olgularına dayanan bir dalga alanını kaydetme ve yeniden oluşturma yöntemidir. Sıradan bir fotoğrafta yalnızca nesneden yansıyan dalgaların yoğunluğu kaydedilirse, holograma ek olarak dalgaların evreleri de kaydedilir; Ek Bilgiler konu hakkında ve almanızı sağlar üç boyutlu görüntü ders.
Işığın kırılması olayı fiziksel olay Bu, bir dalganın yayılma hızının değiştiği bir malzemeden diğerine geçtiği her seferde meydana gelir. Görsel olarak dalga yayılma yönünün değişmesiyle kendini gösterir.
Fizik: ışığın kırılması
Gelen ışın iki ortam arasındaki arayüze 90° açıyla çarparsa hiçbir şey olmaz, arayüze dik açılarla aynı yönde hareketine devam eder. Işının geliş açısı 90°'den farklıysa ışığın kırılması olayı meydana gelir. Bu, örneğin kısmen suya batmış bir cismin görünürde kırılması veya sıcak kumlu bir çölde görülen seraplar gibi garip etkiler yaratır.
Keşif tarihi
MS 1. yüzyılda e. Antik Yunan coğrafyacısı ve gökbilimci Ptolemy, kırılmanın değerini matematiksel olarak açıklamaya çalıştı, ancak daha sonra önerdiği yasanın güvenilmez olduğu ortaya çıktı. 17. yüzyılda Hollandalı matematikçi Willebrord Snell, daha sonra bir maddenin kırılma indisi olarak adlandırılan, gelen ve kırılan açıların oranıyla ilişkili miktarı belirleyen bir yasa geliştirdi. Esasen, bir madde ışığı ne kadar çok kırabiliyorsa bu gösterge de o kadar büyük olur. Sudaki bir kalem "kırılır" çünkü ondan gelen ışınlar gözlere ulaşmadan önce hava-su arayüzünde yollarını değiştirir. Bu etkinin nedenini hiçbir zaman keşfedememesi Snell'i hayal kırıklığına uğrattı.
1678 yılında bir diğer Hollandalı bilim adamı Christiaan Huygens, Snell'in gözlemlerini açıklamak için matematiksel bir ilişki geliştirmiş ve ışığın kırılması olgusunun bir sonuç olduğunu ileri sürmüştür. farklı hızlarışının iki ortamdan geçtiği. Huygens, iki malzemeden geçen ışığın açılarının oranının farklı göstergeler kırılma olmalıdır orana eşit her malzemedeki hızları. Böylece ışığın kırılma indisi daha yüksek olan ortamlarda daha yavaş ilerlediğini öne sürdü. Başka bir deyişle ışığın bir maddedeki hızı onun kırılma indisi ile ters orantılıdır. Her ne kadar yasa daha sonra deneysel olarak doğrulanmış olsa da, o zamanın birçok araştırmacısı için bu açık değildi çünkü güvenilir bir ışık aracı yoktu. Bilim adamlarına hızının malzemeye bağlı olmadığı görülüyordu. Huygens'in ölümünden yalnızca 150 yıl sonra ışığın hızı onun haklı olduğunu kanıtlayacak kadar doğru bir şekilde ölçülmüştü.
Mutlak kırılma indisi
Şeffaf bir maddenin veya malzemenin mutlak kırılma indisi n şu şekilde tanımlanır: bağıl hız, ışığın boşluktaki hıza göre içinden geçtiği nokta: n=c/v, burada c ışığın boşluktaki hızıdır ve v malzemenin içindedir.
Açıkçası, herhangi bir maddeden yoksun bir boşlukta ışığın kırılması yoktur ve içindeki mutlak indeks 1'dir. Diğer şeffaf malzemeler için bu değer 1'den büyüktür. Bilinmeyen malzemelerin indekslerini hesaplamak için ışığın kırılması havada (1.0003) kullanılabilir.
Snell'in yasaları
Bazı tanımları tanıtalım:
- gelen ışın - ortamın ayrılmasına yaklaşan bir ışın;
- çarpma noktası - çarptığı ayrılma noktası;
- kırılan ışın ortamın ayrılmasını bırakır;
- normal - geliş noktasındaki bölüme dik olarak çizilen bir çizgi;
- geliş açısı - normal ve gelen ışın arasındaki açı;
- Işık, kırılan ışın ile normal arasındaki açı olarak tanımlanabilir.
Kırılma yasalarına göre:
- Gelen ışın, kırılan ışın ve normal aynı düzlemdedir.
- Geliş ve kırılma açılarının sinüslerinin oranı, ikinci ve birinci ortamın kırılma katsayılarının oranına eşittir: sin i/sin r = n r /n i.
Snell'in ışığın kırılma yasası, iki dalganın açıları ile iki ortamın kırılma indisleri arasındaki ilişkiyi tanımlar. Bir dalga daha az kırılan bir ortamdan (hava gibi) daha fazla kırılan bir ortama (su gibi) doğru hareket ettiğinde hızı azalır. Aksine ışık sudan havaya geçtiğinde hız artar. birinci ortamdaki normale göre ve ikinci ortamdaki kırılma açısı, bu iki madde arasındaki kırılma indislerindeki farkla orantılı olarak farklı olacaktır. Bir dalga düşük katsayılı bir ortamdan yüksek katsayılı bir ortama geçerse normale doğru bükülür. Eğer durum tam tersiyse silinir.
Bağıl kırılma indeksi
Gelen ve kırılan açıların sinüslerinin oranının her iki ortamdaki oranı temsil eden bir sabite eşit olduğunu gösterir.
sin i/sin r = n r /n ben =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r
nr/ni oranına bu maddeler için bağıl kırılma indisi denir.
Kırılma sonucu ortaya çıkan bir takım olaylara günlük yaşamda sıklıkla rastlanır. “Kırık” kalem efekti en yaygın olanlardan biridir. Gözler ve beyin, ışınları sanki kırılmıyormuş da nesneden düz bir çizgide geliyormuş gibi suya geri takip ederek daha sığ bir derinlikte görünen sanal bir görüntü yaratır.
Dağılım
Dikkatli ölçümler, ışığın kırılmasının, radyasyonun dalga boyundan veya renginden büyük ölçüde etkilendiğini göstermektedir. Başka bir deyişle, bir maddenin rengi veya dalga boyu değiştiğinde değişebilen birçok özelliği vardır.
Bu değişiklik tüm şeffaf ortamlarda meydana gelir ve dispersiyon olarak adlandırılır. Belirli bir malzemenin dağılım derecesi, kırılma indisinin dalga boyuyla ne kadar değiştiğine bağlıdır. Dalga boyu arttıkça ışığın kırılması olgusu daha az belirgin hale gelir. Bu, dalga boyu daha kısa olduğundan menekşenin kırmızıdan daha fazla kırılmasıyla doğrulanır. Sıradan camdaki dağılım sayesinde ışığın belirli bir şekilde bileşenlerine bölünmesi meydana gelir.
Işığın ayrışması
İÇİNDE XVII sonu yüzyılda Sir Isaac Newton, keşfine yol açan bir dizi deney gerçekleştirdi. görünür spektrum ve beyaz ışığın mordan maviye, yeşile, sarıya, turuncuya kadar uzanan ve kırmızıyla biten sıralı bir renk dizisinden oluştuğunu gösterdi. Karanlık bir odada çalışan Newton, pencere panjurundaki bir açıklıktan geçen dar bir ışının içine bir cam prizma yerleştirdi. Bir prizmadan geçerken ışık kırıldı; cam onu düzenli bir spektrum biçiminde ekrana yansıtıyordu.
Newton beyaz ışığın bir karışımdan oluştuğu sonucuna vardı farklı renkler ve ayrıca prizmanın beyaz ışığı "dağıttığını" ve her rengi farklı bir açıda kırdığını. Newton renkleri ikinci bir prizmadan geçirerek ayıramadı. Ancak ikinci prizmayı, dağılan tüm renklerin ikinci prizmaya gireceği şekilde birinciye çok yakın yerleştirdiğinde bilim adamı, renklerin yeniden birleşerek yeniden beyaz ışık oluşturduğunu buldu. Bu keşif, spektrumun kolayca bölünüp birleştirilebileceğini ikna edici bir şekilde kanıtladı.
Dağılım fenomeni oynuyor anahtar rol V büyük sayıçeşitli fenomenler. Gökkuşakları, ışığın yağmur damlalarında kırılmasıyla yaratılır ve prizmada bulunana benzer muhteşem bir spektral ayrışma görüntüsü üretir.
Kritik açı ve toplam iç yansıma
Kırılma indeksi daha yüksek olan bir ortamdan daha düşük olan bir ortama geçerken, dalgaların yolu, iki malzemenin ayrılmasına göre geliş açısı ile belirlenir. Geliş açısı aşarsa belirli değer(iki malzemenin kırılma indeksine bağlı olarak), ışığın daha düşük indeksli bir ortama kırılmadığı bir noktaya ulaşır.
Kritik (veya sınırlayıcı) açı, 90°'ye eşit bir kırılma açısıyla sonuçlanan geliş açısı olarak tanımlanır. Yani gelme açısı kritik açıdan küçük olduğu sürece kırılma meydana gelir, ona eşit olduğunda kırılan ışın iki malzemenin ayrıldığı yerden geçer. Geliş açısı kritik açıyı aşarsa ışık geri yansıtılır. Bu olguya toplam iç yansıma denir. Kullanım örnekleri arasında elmaslar yer alır ve elmas kesimi toplam iç yansımayı destekler. Işınların çoğu içeri giriyor üst kısım elmas üst yüzeye ulaşana kadar yansıtılacaktır. Elmaslara parlak parlaklığını veren de budur. Optik fiber, ışık bir ucundan girdiğinde kaçamayacak kadar ince olan cam "tüylerden" oluşur. Ve ışın ancak diğer uca ulaştığında fiberden ayrılabilir.
Anlayın ve yönetin
Mikroskoplar ve teleskoplardan kameralara, video projektörlere ve hatta insan gözüne kadar uzanan optik aletler, ışığın odaklanabilmesi, kırılabilmesi ve yansıtılabilmesi gerçeğine dayanır.
Kırılma üretir geniş aralık seraplar, gökkuşağı gibi olaylar, optik illüzyonlar. Kırılma, kalın bir bira bardağının daha dolgun görünmesini sağlar ve güneş gerçekte olduğundan birkaç dakika daha geç batar. Milyonlarca insan, gözlük ve kontak lenslerle görme kusurlarını düzeltmek için kırılma gücünü kullanıyor. Işığın bu özelliklerini anlayıp manipüle ederek, ister mikroskop lamı üzerinde ister uzak bir galakside olsun, çıplak gözle görülemeyen ayrıntıları görebiliriz.
Konular Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısı: Işığın kırılma kanunu, toplam iç yansıma.
İki şeffaf ortam arasındaki arayüzde ışığın yansımasıyla birlikte gözlenir. refraksiyon- ışık başka bir ortama geçerek yayılma yönünü değiştirir.
Bir ışık ışınının kırılması şu durumlarda meydana gelir: eğimli arayüze düşme (her zaman olmasa da - toplam iç yansıma hakkında bilgi edinin). Işın yüzeye dik olarak düşerse, kırılma olmayacaktır; ikinci ortamda ışın yönünü koruyacak ve ayrıca yüzeye dik olarak ilerleyecektir.
Kırılma kanunu (özel durum).
Medyalardan birinin yayın olduğu özel durumla başlayacağız. Sorunların büyük çoğunluğunda ortaya çıkan durum tam olarak budur. Kırılma yasasının ilgili özel durumunu tartışacağız ve ancak o zaman onun en genel formülasyonunu vereceğiz.
Havada ilerleyen bir ışık ışınının camın, suyun veya başka bir şeffaf ortamın yüzeyine eğik olarak düştüğünü varsayalım. Işın ortama geçerken kırılır ve daha fazla hareketŞekil 2'de gösterilmiştir.
1. Çarpma noktasında bir dik çizilir (veya dedikleri gibi, normal ) ortamın yüzeyine. Işın, daha önce olduğu gibi, denir gelen ışın ve gelen ışın ile normal arasındaki açı geliş açısı. Ray kırılan ışın ; Kırılan ışın ile yüzeyin normali arasındaki açıya denir..
Herhangi bir şeffaf ortam, adı verilen bir miktarla karakterize edilir. kırılma indisi bu ortam. Çeşitli ortamların kırılma indisleri tablolarda bulunabilir. Örneğin cam ve su için. Genel olarak her ortamda; kırılma indisi bire eşit yalnızca boşlukta. Bu nedenle havada, hava için problemleri yeterli doğrulukla varsayabiliriz (optikte hava, vakumdan çok farklı değildir).
Kırılma kanunu (hava-ortam geçişi) .
1) Gelen ışın, kırılan ışın ve gelme noktasında çizilen yüzeyin normali aynı düzlemde yer alır.
2) Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı ortamın kırılma indisine eşittir:
. (1)
İlişki (1)'den, kırılma açısının geliş açısından daha küçük olduğu sonucu çıkar. Hatırlamak: Havadan ortama geçen ışın kırıldıktan sonra normale yaklaşır.
Kırılma indisi, belirli bir ortamdaki ışığın yayılma hızıyla doğrudan ilgilidir. Bu hız her zaman ışığın boşluktaki hızından düşüktür: . Ve öyle görünüyor ki
. (2)
Dalga optiği çalıştığımızda bunun neden olduğunu anlayacağız. Şimdilik formülleri birleştirelim. (1) ve (2):
. (3)
Havanın kırılma indisi birliğe çok yakın olduğundan ışığın havadaki hızının boşluktaki hızına yaklaşık olarak eşit olduğunu varsayabiliriz. Bunu dikkate alıp formüle bakıyoruz. (3) şu sonuca varıyoruz: Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, ışığın havadaki hızının ortamdaki ışık hızına oranına eşittir.
Işık ışınlarının tersinirliği.
Şimdi düşünelim ters vuruş Işın: Ortamdan havaya geçerken kırılmasıdır. Aşağıdaki faydalı prensip burada bize yardımcı olacaktır.
Işık ışınlarının tersinirliği ilkesi. Işın yolunun doğrudan veya doğrudan olmasına bağlı değildir. ters yönışın yayılır. Ters yönde hareket eden ışın, ileri yöndeki ile tamamen aynı yolu izleyecektir.
Tersinirlik ilkesine göre, bir ortamdan havaya geçiş sırasında ışın, havadan ortama geçiş sırasındaki ile aynı yörüngeyi izleyecektir (Şekil 2).
2, Şek.
Her durumda, ışının havadan ortama veya ortamdan havaya nasıl hareket ettiği önemli değil, aşağıdaki basit kural geçerlidir. İki açı alıyoruz - geliş açısı ve kırılma açısı; Büyük açının sinüsünün küçük açının sinüsüne oranı ortamın kırılma indisine eşittir.
Artık kırılma yasasını en genel durumda tartışmaya tamamen hazırız.
Kırılma yasası (genel durum).
Işığın kırılma indisi olan ortam 1'den kırılma indisi olan ortam 2'ye geçmesine izin verin. Kırılma indisi yüksek olan ortama denir optik olarak daha yoğun; buna göre kırılma indisi daha düşük olan bir ortama denir optik olarak daha az yoğun.
Optik olarak daha az yoğun bir ortamdan optik olarak daha yoğun bir ortama geçerken, ışık ışını kırılmadan sonra normale yaklaşır (Şekil 3). Bu durumda gelme açısı kırılma açısından daha büyüktür: .
 |
| Pirinç. 3. |
Aksine, optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçerken ışın normalden daha da sapar (Şekil 4). Burada gelme açısı kırılma açısından küçüktür:
 |
| Pirinç. 4. |
Bu durumların her ikisinin de tek bir formül kapsamında olduğu ortaya çıktı: genel hukuk kırılma, herhangi iki şeffaf ortam için geçerlidir.
Kırılma kanunu.
1) Gelen ışın, kırılan ışın ve gelme noktasında çizilen ortamlar arasındaki ara yüzeyin normali aynı düzlemde yer alır.
2) Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, ikinci ortamın kırılma indeksinin birinci ortamın kırılma indeksine oranına eşittir:
. (4)
Hava-ortam geçişi için daha önce formüle edilen kırılma yasasının bu yasanın özel bir durumu olduğunu görmek kolaydır. Aslında formül (4)'ü koyarak formül (1)'e ulaşıyoruz.
Şimdi kırılma indisinin, ışığın boşluktaki hızının belirli bir ortamdaki hızına oranı olduğunu hatırlayalım: . Bunu (4)'te yerine koyarsak şunu elde ederiz:
. (5)
Formül (5) doğal olarak formül (3)'ü genelleştirir. Gelme açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, ışığın birinci ortamdaki hızının ikinci ortamdaki hızına oranına eşittir.
Toplam iç yansıma.
Işık ışınları optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama geçtiğinde, ilginç olay- tamamlamak iç yansıma. Ne olduğunu bulalım.
Kesinlik sağlamak için ışığın sudan havaya geldiğini varsayıyoruz. Rezervuarın derinliklerinde olduğunu varsayalım. nokta kaynağı her yöne ışık yayan ışınlar. Bu ışınların bazılarına bakacağız (Şekil 5).
Işın su yüzeyine en küçük açıyla çarpar. Bu ışın kısmen kırılır (ışın) ve kısmen suya (ışın) geri yansıtılır. Böylece gelen ışının enerjisinin bir kısmı kırılan ışına aktarılır, enerjinin geri kalan kısmı da yansıyan ışına aktarılır.
Işının geliş açısı daha büyüktür. Bu ışın aynı zamanda kırılan ve yansıyan iki ışına bölünmüştür. Ancak orijinal ışının enerjisi aralarında farklı şekilde dağıtılır: kırılan ışın ışından daha sönük olacaktır (yani, daha küçük bir enerji payı alacaktır) ve yansıyan ışın da ışından buna uygun olarak daha parlak olacaktır (daha az enerji alacaktır). daha büyük bir enerji payı alır).
Gelme açısı arttıkça aynı model gözlenir: Gelen ışının enerjisinin giderek daha büyük bir payı yansıyan ışına gider ve giderek daha küçük bir pay kırılan ışına gider. Kırılan ışın gittikçe sönükleşir ve bir noktada tamamen kaybolur!
Bu kaybolma, kırılma açısına karşılık gelen geliş açısına ulaşıldığında meydana gelir. Bu durumda, kırılan ışının su yüzeyine paralel gitmesi gerekecektir, ancak gidecek hiçbir şey kalmamıştır; gelen ışının tüm enerjisi tamamen yansıyan ışına gitmiştir.
Geliş açısının daha da artmasıyla kırılan ışın kaybolacaktır.
Tanımlanan fenomen tam bir iç yansımadır. Su, geliş açısı belirli bir değere eşit veya bu değeri aşan ışınlar yaymaz; bu tür ışınların tümü tamamen suya geri yansıtılır. Açı denir toplam yansımanın sınır açısı.
Değeri kırılma kanunundan bulmak kolaydır. Sahibiz:
Ama bu nedenle
Dolayısıyla su için toplam yansımanın sınır açısı şuna eşittir:
Toplam iç yansıma olgusunu evde kolaylıkla gözlemleyebilirsiniz. Bir bardağa su dökün, kaldırın ve camın duvarının hemen altındaki suyun yüzeyine bakın. Yüzeyde gümüşi bir parlaklık göreceksiniz; toplam iç yansıma nedeniyle ayna gibi davranır.
En önemli teknik uygulama toplam iç yansıma fiber optik. Fiber optik kabloya gönderilen ışık ışınları ( ışık kılavuzu) neredeyse eksenine paralel olarak geniş açılarla yüzeye düşer ve enerji kaybı olmadan tamamen kabloya geri yansıtılır. Tekrar tekrar yansıyan ışınlar, enerjiyi önemli bir mesafeye aktararak daha da uzağa gider. Fiber optik iletişim, örneğin kablolu televizyon ağlarında ve yüksek hızlı İnternet erişiminde kullanılır.
Dersin amacı
Öğrencileri iki ortam arasındaki arayüzde ışığın yayılma modelleri hakkında bilgilendirmek, bu olgunun bakış açısından bir açıklamasını sağlamak dalga teorisi Sveta.
|
Ödev: § 61, görev No. 1035, 1036.
Bilgi Testi
Test. Işığın yansıması
Yeni malzeme
Işık kırılmasının gözlemlenmesi.
İki ortamın sınırında ışık yayılma yönünü değiştirir. Işık enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri döner, yani ışık yansıtılır. İkinci ortam şeffafsa, ışık ortamın sınırından kısmen geçebilir ve kural olarak yayılma yönünü de değiştirebilir. Bu fenomene denir ışığın kırılması.
Kırılma nedeniyle nesnelerin şeklinde, konumunda ve boyutunda belirgin bir değişiklik gözlenir. Basit gözlemler bizi buna ikna edebilir. Boş bir opak bardağın altına bir bozuk para veya başka küçük bir nesne yerleştirin. Madalyonun merkezi, camın kenarı ve göz aynı düz çizgide olacak şekilde camı hareket ettirelim. Başın pozisyonunu değiştirmeden bir bardağa su dökeceğiz. Su seviyesi yükseldikçe madeni paranın bulunduğu bardağın tabanı da yükseliyor gibi görünüyor. Daha önce yalnızca kısmen görülebilen bir madeni para artık tamamen görülebilecek. Kalemi bir su kabına açılı olarak yerleştirin. Gemiye yandan baktığınızda kalemin suyun içinde kalan kısmının yana kaymış gibi göründüğünü fark edeceksiniz.
Bu fenomen, iki ortamın sınırındaki ışınların yönündeki bir değişiklikle - ışığın kırılmasıyla açıklanır.
Işığın kırılma kanunu belirler göreceli konum gelen ışın AB (şekle bakın), kırılan ışın DB ve arayüze dik olan CE, geliş noktasında geri yüklenir. α açısına geliş açısı ve β açısına denir ; Kırılan ışın ile yüzeyin normali arasındaki açıya denir..
Dar bir ışık huzmesini görünür hale getirerek gelen, yansıyan ve kırılan ışınların gözlemlenmesi kolaydır. Böyle bir ışının havadaki ilerleyişi, havaya biraz duman üflenerek veya ışına hafif bir açıyla bir ekran yerleştirerek takip edilebilir. Kırılan ışın aynı zamanda floresan renkli akvaryum suyunda da görülebilir.
Düzlem bir ışık dalgasının iki ortam arasındaki (örneğin havadan suya) düz bir arayüze düşmesine izin verin (şekle bakın). AC dalga yüzeyi A 1 A ve B 1 B ışınlarına diktir. MN yüzeyine ilk olarak A 1 A ışını ulaşacaktır. B 1 B demeti Δt süresinden sonra yüzeye ulaşacaktır. Bu nedenle, B noktasındaki ikincil dalga henüz uyarılmaya başladığı anda, A noktasından gelen dalga zaten yarıçaplı bir yarım küre biçimine sahiptir.
Kırılan bir dalganın dalga yüzeyi, merkezleri ortamlar arasındaki arayüzde bulunan ikinci ortamdaki tüm ikincil dalgalara teğet bir yüzey çizilerek elde edilebilir. Bu durumda bu BD düzlemidir. İkincil dalgaların zarfıdır. Işının geliş açısı α, ABC üçgenindeki CAB'ye eşittir (bu açılardan birinin kenarları diğerinin kenarlarına diktir). Buradan,
Kırılma açısı β açıya eşit ABD üçgeninin ABD'si. Bu yüzden
Ortaya çıkan denklemleri terime bölerek şunu elde ederiz:
|
|
burada n, geliş açısından bağımsız olarak sabit bir değerdir.
Yapıdan (şekle bakın) açıkça görülüyor ki Gelen ışın, kırılan ışın ve geliş noktasında düzeltilen dikme aynı düzlemde yer alır. Bu beyan buna göre denklem ile birlikte geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı iki ortam için sabit bir değerdir, temsil etmek ışığın kırılma kanunu.
Kırılma yasasının geçerliliğini, geliş ve kırılma açılarını ölçerek ve farklı geliş açılarında sinüslerin oranını hesaplayarak deneysel olarak doğrulayabilirsiniz. Bu tutum değişmeden devam ediyor.
Kırılma indeksi.
Devamlı Işığın kırılma yasasına dahil olana denir bağıl kırılma indeksi veya ikinci ortamın birinciye göre kırılma indisi.
Huygens ilkesi yalnızca kırılma yasasını ima etmez. Bu prensibin yardımıyla ortaya çıkar fiziksel anlam kırılma indeksi. Kırılmanın meydana geldiği sınırdaki ortamdaki ışığın hızlarının oranına eşittir:
|
|
Kırılma açısı β, geliş açısından α'dan küçükse, o zaman (*)'ya göre, ikinci ortamdaki ışığın hızı birinci ortamdakinden daha azdır.
Bir ortamın boşluğa göre kırılma indisine denir. bu ortamın mutlak kırılma indisi. Bir ışık demeti vakumdan belirli bir ortama geçtiğinde, geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranına eşittir.
Formül (**) kullanarak, birinci ve ikinci ortamın mutlak kırılma indisleri n1 ve n2 aracılığıyla bağıl kırılma indisini ifade edebiliriz.
Gerçekten de o zamandan beri
| Ve |
burada c ışığın boşluktaki hızıdır, o zaman
Mutlak kırılma indisi daha düşük olan bir ortama genellikle denir. optik olarak daha az yoğun ortam.
Mutlak kırılma indisi, belirli bir ortamdaki ışığın yayılma hızıyla belirlenir; bu, aşağıdakilere bağlıdır: fiziksel durumçevre, yani maddenin sıcaklığına, yoğunluğuna, içindeki elastik gerilmelerin varlığına bağlıdır. Kırılma indisi aynı zamanda ışığın özelliklerine de bağlıdır. Tipik olarak kırmızı ışık için yeşil ışığa göre daha azdır ve yeşil ışık için mor ışığa göre daha azdır.
Bu nedenle kırılma indisi değerleri tablolarında farklı maddeler genellikle belirli bir n değerinin hangi ışıkta verildiği ve ortamın hangi durumda olduğu belirtilir. Eğer böyle bir gösterge yoksa bu, bu faktörlere bağımlılığın ihmal edilebileceği anlamına gelir.
Çoğu durumda ışığın hava-hava sınırından geçişini dikkate almak zorundayız. sağlam veya hava - sıvı ve vakum - ortam sınırının ötesinde değil. Ancak katının mutlak kırılma indisi n 2 veya sıvı madde aynı maddenin havaya göre kırılma indisinden biraz farklıdır. Böylece havanın mutlak kırılma indisi normal koşullar sarı ışık için yaklaşık 1,000292'dir. Buradan,
Ders için çalışma sayfası
Örnek cevaplar
"Işığın Kırılması"