U video lekciji fizike sa Akademije zabavnih nauka, profesor Daniil Edisonovič nastavlja razgovor o svetlosti započet u prethodnoj epizodi programa. TV gledaoci već znaju šta je refleksija svjetlosti, ali šta je prelamanje svjetlosti? Refrakcija svjetlosti objašnjava neke od čudnih optičkih fenomena koje možemo primijetiti u svakodnevnom životu.
Fenomen prelamanja svjetlosti
Zašto noge ljudi koji stoje u vodi izgledaju kraće nego što zaista jesu, a ako pogledate dno rijeke, čini vam se bliže? Sve se radi o fenomenu prelamanja svjetlosti. Svetlost uvek pokušava da se kreće pravolinijski, najkraćim putem. Ali prelazak iz jednog fizičkog okruženja u drugi dio sunčevih zraka mijenja smjer. U ovom slučaju radi se o fenomenu prelamanja svjetlosti. Zbog toga se kašičica u čaši čaja čini slomljenom – svetlost iz dela kašike koji se nalazi u čaju dopire do naših očiju pod drugačijim uglom od svetlosti dela kašike koji je iznad površine tečnosti. . Refrakcija svjetlosti se u ovom slučaju događa na granici zraka i vode. Kada se reflektuje, zraka svjetlosti putuje najkraćim putem, a kada se prelomi, kreće se najbrže. Koristeći zakone refleksije i prelamanja svjetlosti, ljudi su stvorili mnoge stvari bez kojih je naš današnji život nezamisliv. Teleskopi, periskopi, mikroskopi, lupe, sve ovo bilo bi nemoguće stvoriti bez poznavanja zakona prelamanja i refleksije svjetlosti. Lupa povećava jer, prošavši kroz nju, zraci svjetlosti ulaze u oko pod uglom većim od zraka koji se odbijaju od samog predmeta. Da biste to učinili, predmet se mora postaviti između povećala i njegovog optičkog fokusa. Optički fokus; ovo je tačka u kojoj se inicijalno paralelne zrake seku (fokusiraju) nakon što prođu kroz sabirni sistem (ili gde se njihove ekstenzije seku ako se sistem raspršuje). Sočivo (kao što je sočivo za naočare) ima dvije strane, tako da se zrak svjetlosti prelama dvaput – dok ulazi i izlazi iz sočiva. Površina sočiva može biti zakrivljena, konkavna ili ravna, što tačno određuje kako će se u njoj javiti fenomen prelamanja svjetlosti. Ako su obje strane sočiva konveksne, to je konvergentno sočivo. Prelomljeni u takvom sočivu, svjetlosni zraci su koncentrisani u jednoj tački. Ovo se zove glavni fokus sočiva. Sočivo sa konkavnim stranama naziva se divergentno sočivo. Na prvi pogled nedostaje mu fokus, jer se zraci koji prolaze kroz njega raspršuju i razilaze u stranu. Ali ako ove zrake preusmjerimo nazad, onda će se oni, opet prolazeći kroz sočivo, skupiti u tački koja će biti fokus ovog sočiva. U ljudskom oku postoji sočivo, zove se sočivo. Može se uporediti sa filmskim projektorom, koji projektuje sliku na platno - zadnji zid oka (retina). Tako se ispostavilo da je jezero džinovsko sočivo koje uzrokuje fenomen prelamanja svjetlosti. Zato se noge ribara koji u njemu stoje čine kratke. Duge se takođe pojavljuju na nebu zbog sočiva. Njihovu ulogu igraju sitne kapljice vode ili čestice snijega. Duge nastaju kada se sunčeva svjetlost lomi i odbija kapljicama vode (kiše ili magle) koje lebde u atmosferi. Ove kapljice različito savijaju svjetlost različitih boja. Kao rezultat, bijela svjetlost se razlaže u spektar (javlja se disperzija svjetlosti). Posmatrač koji stoji leđima okrenut izvoru svjetlosti vidi raznobojni sjaj koji iz svemira izbija u krugovima (lukovima).
Procesi koji su povezani sa svjetlom su važna komponenta fizike i okružuju nas svuda u našem svakodnevnom životu. Najvažniji u ovoj situaciji su zakoni refleksije i prelamanja svjetlosti, na kojima se temelji moderna optika. Refrakcija svjetlosti je važan dio moderne nauke.
Efekat distorzije
Ovaj članak će vam reći šta je fenomen prelamanja svetlosti, kao i kako izgleda zakon refrakcije i šta iz njega sledi.
Osnove fizičkog fenomena
Kada snop padne na površinu koju razdvajaju dvije prozirne tvari koje imaju različite optičke gustoće (na primjer, različita stakla ili u vodi), dio zraka će se reflektirati, a dio će prodrijeti u drugu strukturu (npr. oni će se razmnožavati u vodi ili staklu). Kada se kreće iz jednog medija u drugi, zrak obično mijenja svoj smjer. Ovo je fenomen prelamanja svjetlosti.
Odbijanje i prelamanje svjetlosti posebno je vidljivo u vodi.
Efekat distorzije u vodi
Gledajući stvari u vodi, izgledaju iskrivljene. To je posebno vidljivo na granici između zraka i vode. Vizualno, podvodni objekti izgledaju kao da su blago skrenuti. Opisani fizički fenomen je upravo razlog zašto se svi objekti u vodi čine iskrivljeni. Kada zraci udare u staklo, ovaj efekat je manje primetan.
Refrakcija svjetlosti je fizička pojava koju karakterizira promjena smjera kretanja sunčevog zraka u trenutku kada se kreće iz jednog medija (strukture) u drugi.
Da bismo poboljšali naše razumijevanje ovog procesa, razmotrimo primjer zraka koji udara vodu iz zraka (slično za staklo). Povlačenjem okomite linije duž interfejsa može se izmeriti ugao prelamanja i povratka svetlosnog snopa. Ovaj indeks (ugao prelamanja) će se promeniti kako protok prodire u vodu (unutar stakla).
Bilješka! Ovaj parametar se podrazumijeva kao kut formiran okomom povučenom na razdvajanje dviju tvari kada snop prodire iz prve strukture u drugu.
Beam Passage
Isti indikator je tipičan za druga okruženja. Utvrđeno je da ovaj pokazatelj zavisi od gustine supstance. Ako snop padne iz manje guste u gustu strukturu, tada će ugao stvorenog izobličenja biti veći. A ako je obrnuto, onda je manje.
Istovremeno, promjena nagiba pada će također uticati na ovaj indikator. Ali odnos između njih ne ostaje konstantan. U isto vrijeme, omjer njihovih sinusa će ostati konstantna vrijednost, što se odražava sljedećom formulom: sinα / sinγ = n, gdje je:
- n je konstantna vrijednost koja je opisana za svaku specifičnu supstancu (vazduh, staklo, voda, itd.). Dakle, kolika će biti ova vrijednost može se odrediti pomoću posebnih tabela;
- α – upadni ugao;
- γ – ugao prelamanja.
Da bi se odredio ovaj fizički fenomen, stvoren je zakon refrakcije.
Fizički zakon
Zakon prelamanja svjetlosnih tokova omogućava nam da odredimo karakteristike prozirnih tvari. Sam zakon se sastoji od dvije odredbe:
- Prvi dio. Zraka (upadna, modificirana) i okomica, koja je obnovljena u tački upada na granici, na primjer, zraka i vode (staklo, itd.), nalazit će se u istoj ravni;
- Drugi dio. Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa istog ugla formiranog pri prelasku granice bit će konstantna vrijednost.
Opis zakona
U ovom slučaju, u trenutku kada snop izlazi iz druge strukture u prvu (na primjer, kada svjetlosni tok prođe iz zraka, kroz staklo i natrag u zrak), također će se pojaviti efekat izobličenja.
Važan parametar za različite objekte
Glavni pokazatelj u ovoj situaciji je omjer sinusa upadnog ugla prema sličnom parametru, ali za izobličenje. Kao što slijedi iz gore opisanog zakona, ovaj pokazatelj je konstantna vrijednost.
Štaviše, kada se vrijednost nagiba opadanja promijeni, ista situacija će biti tipična za sličan indikator. Ovaj parametar je od velike važnosti jer je sastavna karakteristika transparentnih supstanci.
Indikatori za različite objekte
Zahvaljujući ovom parametru, možete prilično efikasno razlikovati vrste stakla, kao i različito drago kamenje. Također je važno za određivanje brzine svjetlosti u različitim okruženjima.
Bilješka! Najveća brzina strujanja svjetlosti je u vakuumu.
Prilikom prelaska s jedne tvari na drugu, njegova brzina će se smanjiti. Na primjer, u dijamantu, koji ima najveći indeks loma, brzina širenja fotona bit će 2,42 puta veća od brzine zraka. U vodi će se širiti 1,33 puta sporije. Za različite vrste stakla, ovaj parametar se kreće od 1,4 do 2,2.
Bilješka! Neke naočale imaju indeks prelamanja 2,2, što je vrlo blizu dijamantu (2,4). Stoga nije uvijek moguće razlikovati komad stakla od pravog dijamanta.
Optička gustina supstanci
Svjetlost može prodrijeti kroz različite tvari, koje karakteriziraju različite optičke gustoće. Kao što smo ranije rekli, pomoću ovog zakona možete odrediti karakteristiku gustine medija (strukture). Što je gušći, to je sporija brzina kojom će se svjetlost širiti kroz nju. Na primjer, staklo ili voda će biti optički gušći od zraka.
Pored činjenice da je ovaj parametar konstantna vrijednost, on također odražava omjer brzine svjetlosti u dvije supstance. Fizičko značenje može se prikazati kao sljedeća formula:
Ovaj indikator govori kako se mijenja brzina širenja fotona pri prelasku s jedne supstance na drugu.
Još jedan važan pokazatelj
Kada se svjetlosni tok kreće kroz prozirne objekte, moguća je njegova polarizacija. Uočava se tokom prolaska svjetlosnog toka iz dielektričnih izotropnih medija. Polarizacija nastaje kada fotoni prolaze kroz staklo.
Efekat polarizacije
Djelomična polarizacija se opaža kada se kut upada svjetlosnog toka na granici dva dielektrika razlikuje od nule. Stepen polarizacije zavisi od toga koliki su bili upadni uglovi (Brusterov zakon).
Potpuna unutrašnja refleksija
Završavajući naš kratki izlet, još uvijek je potrebno razmotriti takav efekat kao potpunu unutrašnju refleksiju.
Fenomen punog prikaza
Da bi se ovaj efekat pojavio, potrebno je povećati ugao upada svjetlosnog toka u trenutku njegovog prijelaza iz gušćeg u manje gustu sredinu na granici između tvari. U situaciji kada ovaj parametar premašuje određenu graničnu vrijednost, tada će se fotoni koji upadaju na granicu ove sekcije u potpunosti reflektirati. Zapravo, ovo će biti naš željeni fenomen. Bez toga je bilo nemoguće napraviti optička vlakna.
Zaključak
Praktična primjena ponašanja svjetlosnog toka dala je mnogo, stvarajući niz tehničkih uređaja za poboljšanje naših života. Istovremeno, svjetlost još nije otkrila sve svoje mogućnosti čovječanstvu i njen praktični potencijal još nije u potpunosti ostvaren.
Kako napraviti lampu od papira vlastitim rukama
Kako provjeriti performanse LED trake
1. Vršimo eksperimente o lomu svjetlosti
Hajde da izvedemo takav eksperiment. Usmjerimo uski snop svjetlosti na površinu vode u širokoj posudi pod određenim uglom prema površini. Primetićemo da se zraci u tačkama upada ne samo reflektuju od površine vode, već i delimično prelaze u vodu, menjajući svoj smer (slika 3.33).
- Promjena smjera širenja svjetlosti kada ona prođe kroz međuprostor između dva medija naziva se lom svjetlosti.
Prvi spomen prelamanja svjetlosti može se naći u djelima starogrčkog filozofa Aristotela, koji se pitao: zašto se štap čini slomljenim u vodi? A u jednoj od starogrčkih rasprava opisan je sljedeći eksperiment: „Morate stajati tako da ravni prsten postavljen na dno posude bude skriven iza njenog ruba. Zatim, bez promjene položaja očiju, ulijte vodu u posudu.
Rice. 3.33 Šema eksperimenta za demonstriranje prelamanja svjetlosti. Prelazeći iz zraka u vodu, zraka svjetlosti mijenja svoj smjer, pomičući se prema okomici uspostavljenoj u tački upada zraka
2. Postoje sljedeći odnosi između upadnog ugla i ugla prelamanja:
a) ako se upadni ugao povećava, povećava se i ugao prelamanja;
b) ako zrak svjetlosti pređe iz sredine sa manjom optičkom gustinom u medij sa većom optičkom gustinom, tada će ugao prelamanja biti manji od upadnog ugla;
c) ako zrak svjetlosti pređe iz sredine veće optičke gustoće u medij sa manjom optičkom gustinom, tada će ugao prelamanja biti veći od upadnog ugla.
(Treba napomenuti da ćete se u srednjoj školi, nakon pohađanja kursa trigonometrije, bolje upoznati sa lomom svjetlosti i učiti o tome na nivou zakona.)
4. Neke optičke fenomene objašnjavamo lomom svjetlosti
Kada mi, stojeći na obali akumulacije, pokušavamo okom odrediti njegovu dubinu, ona nam se uvijek čini manjom nego što zapravo jest. Ovaj fenomen se objašnjava lomom svjetlosti (slika 3.37).
Rice. 3. 39. Optički uređaji čiji se rad zasniva na fenomenu prelamanja svjetlosti
- Test pitanja
1. Koju pojavu uočavamo kada svjetlost prolazi kroz međuprostor između dva medija?
L.I. Mandelstam proučavao je širenje elektromagnetnih valova, prvenstveno vidljive svjetlosti. Otkrio je niz efekata, od kojih neki danas nose njegovo ime (Ramanovo rasipanje, Mandelstam-Brillouin efekat, itd.).
Opcija 1. Oprema: uređaj za proučavanje zakona geometrijske optike, ispravljač VS-24 ili VS 4-12, ravno ogledalo napravljeno od delova uređaja.
Kada pripremate geometrijski optički uređaj za rad, podesite osvjetljenje ekrana. Da biste to učinili, olabavite kuglični zglob i rotirajte ili pomjerite iluminator dok srednja svjetlosna traka ne prođe kroz cijeli ekran (duž njegovog promjera). Iluminator je fiksiran u ovom položaju. Ako je u isto vrijeme svjetlosna traka mutna i nije oštra, tada otpuštanjem zavrtnja koji fiksira električni uložak u iluminatoru, rotirajte, spustite ili podignite električni uložak dok se na ekranu ne dobije jasna svjetlosna traka. Ako bočne trake svjetla ne dopiru do ruba ekrana, tada treba promijeniti nagib iluminatora. Nakon podešavanja, svi zavrtnji su sigurno pričvršćeni.
Instalacija je montirana prema slici 278. Pomoću stezaljke iz kompleta optičkih dijelova ugrađuje se ravno ogledalo tako da se njegova reflektirajuća površina poklapa s horizontalnom osom. Ostao je samo jedan srednji zrak. Oni menjaju upadni ugao od 0 do 90°, beleže ugao refleksije, upoređuju ove uglove i izvode zaključak.
Eksperiment se ponavlja, demonstrirajući svojstva reverzibilnosti svjetlosnih snopova, za koje se iluminator prenosi s jednog dijela diska na drugi. (Prilikom demonstriranja eksperimenata u geometrijskoj optici, prostoriju treba zamračiti.)
Rice. 278 Fig. 280
Eksperiment 2. Refrakcije svjetlosti
Opcija 1. Oprema:
Prozirni polucilindar je postavljen na sito sa mat stranom okrenutom prema ekranu i ravnim rezom nagore tako da se poklapa sa horizontalnom osom. Središte polucilindra je poravnato sa centrom ekrana pomoću oznaka na mat površini polucilindra (Sl. 280).
Prilikom demonstracije eksperimenta koristite srednji snop. Snop je usmjeren u središte polucilindra okomito na ravan (snop prolazi bez promjene smjera). Skrenite upadnu zraku od okomice i primijetite da prelomljena zraka izlazi iz polucilindra pod drugim kutom. Uspoređuju se uglovi upada i prelamanja i izvlači se zaključak.
Ponovite eksperiment pod drugim kutom upada. (Tokom eksperimenta treba obratiti pažnju na bifurkaciju svjetlosnog snopa na granici između dva medija.)
Eksperiment 3. Fenomen totalne refleksije svjetlosti
Opcija 1. Oprema: uređaj za proučavanje zakona geometrijske optike, ispravljač VS-24 ili VS 4-12, polucilindar iz kompleta optičkih dijelova.
Obrativši pažnju na odnos upadnih uglova i prelamanja u prethodnom eksperimentu (slika 280), položaj polucilindra se menja. Njegova konveksna strana je postavljena prema iluminatoru (ravni rez se poklapa sa horizontalnom osom). Upadni uglovi se menjaju u poređenju sa uglovima prelamanja i izvodi se zaključak.
Odnos upadnih i prelamajućih uglova se poredi u zavisnosti od odnosa optičke gustine medija (rezultati ovog i prethodnih eksperimenata). Oni donose zaključak.
Uvjerite se da kako se upadni ugao povećava, svjetlina reflektiranog snopa se povećava, a refraktiranog zraka smanjuje. Povećajte upadni ugao sve dok prelomljeni snop ne nestane. Sa daljim povećanjem upadnog ugla, posmatraće se samo reflektovani snop. Uočen je fenomen totalne refleksije svjetlosti.
Pitanje. Koji je granični ugao ukupne refleksije? (Odgovor dajte na jednu značajnu cifru.)
Opcija 2. Oprema: projekcijski uređaj, akvarij.
Instalacija je montirana prema slici 281. Sloj vode debljine 7-8 cm sipa se u staklenu kupku (akvarij) i tonira borovim koncentratom. Ispred kondenzatora projekcionog aparata postavljen je horizontalni prorez, a na okvir sočiva postavljeno je ravno ogledalo. Snop svjetlosti usmjeren je na bočni zid staklene kupke. Uočava se prelamanje svjetlosnog snopa u vodi, totalna refleksija od površine vode i prelamanje zraka kada snop izađe iz kupke. Promjenom upadnog ugla može se uočiti višestruka ukupna refleksija svjetlosnog snopa od površine vode i dna kupke.
