In einer Physik-Videolektion der Academy of Entertaining Sciences setzt Professor Daniil Edisonovich das in der vorherigen Folge der Sendung begonnene Gespräch über Licht fort. Fernsehzuschauer wissen bereits, was Lichtreflexion ist, aber was ist Lichtbrechung? Es ist die Lichtbrechung, die einige der seltsamen optischen Phänomene erklärt, die wir in unserem Alltag beobachten können.
Das Phänomen der Lichtbrechung
Warum scheinen die Beine von Menschen, die im Wasser stehen, kürzer zu sein, als sie wirklich sind, und wenn man auf den Grund des Flusses blickt, scheint er näher zu sein? Es geht um das Phänomen der Lichtbrechung. Licht versucht immer, sich auf dem kürzesten Weg geradeaus zu bewegen. Doch wenn ein Teil der Sonnenstrahlen von einer physischen Umgebung in eine andere gelangt, ändert sich ihre Richtung. In diesem Fall haben wir es mit dem Phänomen der Lichtbrechung zu tun. Aus diesem Grund erscheint ein Löffel in einem Teeglas zerbrochen – das Licht des Teils des Löffels, der sich im Tee befindet, erreicht unsere Augen in einem anderen Winkel als das Licht des Teils des Löffels, der sich über der Flüssigkeitsoberfläche befindet . In diesem Fall erfolgt die Lichtbrechung an der Grenze zwischen Luft und Wasser. Bei der Reflexion legt ein Lichtstrahl den kürzesten Weg zurück, bei der Brechung bewegt er sich am schnellsten. Mithilfe der Gesetze der Reflexion und Brechung des Lichts haben Menschen viele Dinge geschaffen, ohne die unser heutiges Leben undenkbar ist. Teleskope, Periskope, Mikroskope, Lupen – all dies wäre ohne Kenntnis der Gesetze der Lichtbrechung und -reflexion nicht zu erschaffen. Eine Lupe vergrößert, weil Lichtstrahlen, nachdem sie hindurchgegangen sind, in einem größeren Winkel in das Auge eintreten als die vom Objekt selbst reflektierten Strahlen. Dazu muss das Objekt zwischen der Lupe und seinem optischen Fokus platziert werden. Optischer Fokus; Dies ist der Punkt, an dem sich zunächst parallele Strahlen schneiden (Fokus), nachdem sie ein Sammelsystem durchlaufen haben (oder wo sich ihre Verlängerungen schneiden, wenn das System streut). Eine Linse (z. B. eine Brillenlinse) hat zwei Seiten, sodass ein Lichtstrahl zweimal gebrochen wird – beim Eintritt in die Linse und beim Austritt aus der Linse. Die Oberfläche der Linse kann gekrümmt, konkav oder flach sein, was genau bestimmt, wie das Phänomen der Lichtbrechung darin auftritt. Wenn beide Seiten einer Linse konvex sind, handelt es sich um eine Sammellinse. In einer solchen Linse gebrochen, werden Lichtstrahlen in einem Punkt konzentriert. Dies wird als Hauptfokus des Objektivs bezeichnet. Eine Linse mit konkaven Seiten wird Zerstreuungslinse genannt. Auf den ersten Blick fehlt ihm die Fokussierung, da die durch ihn hindurchtretenden Strahlen gestreut werden und zu den Seiten divergieren. Aber wenn wir diese Strahlen zurücklenken, dann sammeln sie sich, wenn sie erneut durch die Linse gehen, an einem Punkt, der der Brennpunkt dieser Linse sein wird. Im menschlichen Auge befindet sich eine Linse, sie wird Linse genannt. Man kann es mit einem Filmprojektor vergleichen, der ein Bild auf eine Leinwand – die Rückwand des Auges (Netzhaut) – projiziert. Es stellt sich also heraus, dass der See eine riesige Linse ist, die das Phänomen der Lichtbrechung verursacht. Deshalb wirken die Beine der darin stehenden Fischer kurz. Durch Linsen erscheinen auch Regenbögen am Himmel. Ihre Rolle spielen winzige Wassertröpfchen oder Schneepartikel. Regenbögen entstehen, wenn Sonnenlicht von in der Atmosphäre schwebenden Wassertröpfchen (Regen oder Nebel) gebrochen und reflektiert wird. Diese Tröpfchen beugen Licht verschiedener Farben unterschiedlich. Dadurch wird weißes Licht in ein Spektrum zerlegt (Lichtdispersion entsteht). Ein Beobachter, der mit dem Rücken zur Lichtquelle steht, sieht ein mehrfarbiges Leuchten, das in Kreisen (Bögen) aus dem Raum ausgeht.
Vorgänge, die mit Licht in Zusammenhang stehen, sind ein wichtiger Bestandteil der Physik und umgeben uns überall in unserem Alltag. Am wichtigsten sind dabei die Gesetze der Lichtreflexion und -brechung, auf denen die moderne Optik basiert. Die Lichtbrechung ist ein wichtiger Teil der modernen Wissenschaft.
Verzerrungseffekt
In diesem Artikel erfahren Sie, was das Phänomen der Lichtbrechung ist, wie das Brechungsgesetz aussieht und was sich daraus ergibt.
Grundlagen eines physikalischen Phänomens
Wenn ein Strahl auf eine Oberfläche fällt, die durch zwei transparente Substanzen mit unterschiedlicher optischer Dichte getrennt ist (z. B. verschiedene Gläser oder in Wasser), werden einige der Strahlen reflektiert und andere dringen in die zweite Struktur ein (z. B. sie vermehren sich in Wasser oder Glas). Beim Übergang von einem Medium in ein anderes ändert ein Strahl typischerweise seine Richtung. Dies ist das Phänomen der Lichtbrechung.
Die Reflexion und Brechung von Licht ist im Wasser besonders sichtbar.
Verzerrungseffekt im Wasser
Wenn man Dinge im Wasser betrachtet, erscheinen sie verzerrt. Dies macht sich besonders an der Grenze zwischen Luft und Wasser bemerkbar. Optisch wirken Unterwasserobjekte leicht abgelenkt. Das beschriebene physikalische Phänomen ist genau der Grund dafür, dass alle Objekte im Wasser verzerrt erscheinen. Wenn die Strahlen auf das Glas treffen, ist dieser Effekt weniger spürbar.
Lichtbrechung ist ein physikalisches Phänomen, das durch eine Änderung der Bewegungsrichtung eines Sonnenstrahls in dem Moment gekennzeichnet ist, in dem er sich von einem Medium (Struktur) zu einem anderen bewegt.
Um unser Verständnis dieses Prozesses zu verbessern, betrachten wir das Beispiel eines Strahls, der aus der Luft auf Wasser trifft (ähnlich wie bei Glas). Durch Zeichnen einer senkrechten Linie entlang der Grenzfläche kann der Brechungs- und Rückkehrwinkel des Lichtstrahls gemessen werden. Dieser Index (Brechungswinkel) ändert sich, wenn die Strömung in das Wasser (im Inneren des Glases) eindringt.
Beachten Sie! Unter diesem Parameter versteht man den Winkel, den eine Senkrechte zur Trennung zweier Stoffe bildet, wenn ein Strahl von der ersten Struktur zur zweiten durchdringt.
Strahldurchgang
Der gleiche Indikator ist typisch für andere Umgebungen. Es wurde festgestellt, dass dieser Indikator von der Dichte des Stoffes abhängt. Fällt der Strahl von einer weniger dichten auf eine dichtere Struktur, ist der erzeugte Verzerrungswinkel größer. Und wenn es umgekehrt ist, dann ist es weniger.
Gleichzeitig wird sich auch eine Änderung der Abwärtsneigung auf diesen Indikator auswirken. Aber die Beziehung zwischen ihnen bleibt nicht konstant. Gleichzeitig bleibt das Verhältnis ihrer Sinuswerte ein konstanter Wert, was sich in der folgenden Formel widerspiegelt: sinα / sinγ = n, wobei:
- n ist ein konstanter Wert, der für jeden spezifischen Stoff (Luft, Glas, Wasser usw.) beschrieben wird. Daher kann dieser Wert anhand spezieller Tabellen ermittelt werden;
- α – Einfallswinkel;
- γ – Brechungswinkel.
Um dieses physikalische Phänomen zu bestimmen, wurde das Brechungsgesetz geschaffen.
Physikalisches Gesetz
Das Gesetz der Lichtbrechung ermöglicht es uns, die Eigenschaften transparenter Substanzen zu bestimmen. Das Gesetz selbst besteht aus zwei Bestimmungen:
- Erster Teil. Der Strahl (einfallend, modifiziert) und die Senkrechte, die am Einfallspunkt an der Grenze beispielsweise von Luft und Wasser (Glas usw.) wiederhergestellt wurde, liegen in derselben Ebene;
- Der zweite Teil. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus desselben Winkels, der beim Überqueren der Grenze entsteht, ist ein konstanter Wert.
Beschreibung des Gesetzes
In diesem Fall tritt in dem Moment, in dem der Strahl aus der zweiten Struktur in die erste austritt (z. B. wenn der Lichtstrom von der Luft durch das Glas und zurück in die Luft gelangt), ebenfalls ein Verzerrungseffekt auf.
Ein wichtiger Parameter für verschiedene Objekte
Der Hauptindikator in dieser Situation ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zu einem ähnlichen Parameter, jedoch mit Verzerrung. Wie aus dem oben beschriebenen Gesetz hervorgeht, ist dieser Indikator ein konstanter Wert.
Wenn sich außerdem der Wert der Abfallsteigung ändert, ist die gleiche Situation typisch für einen ähnlichen Indikator. Dieser Parameter ist von großer Bedeutung, da er ein integrales Merkmal transparenter Stoffe ist.
Indikatoren für verschiedene Objekte
Dank dieses Parameters können Sie sehr effektiv zwischen Glasarten und verschiedenen Edelsteinen unterscheiden. Es ist auch wichtig, um die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Umgebungen zu bestimmen.
Beachten Sie! Die höchste Geschwindigkeit des Lichtflusses herrscht im Vakuum.
Beim Übergang von einem Stoff zum anderen verringert sich seine Geschwindigkeit. Beispielsweise ist in Diamant, der den höchsten Brechungsindex hat, die Geschwindigkeit der Photonenausbreitung 2,42-mal höher als die von Luft. Im Wasser breiten sie sich 1,33-mal langsamer aus. Für verschiedene Glasarten liegt dieser Parameter zwischen 1,4 und 2,2.
Beachten Sie! Einige Gläser haben einen Brechungsindex von 2,2, was dem von Diamant (2,4) sehr nahe kommt. Daher ist es nicht immer möglich, ein Stück Glas von einem echten Diamanten zu unterscheiden.
Optische Dichte von Stoffen
Licht kann verschiedene Stoffe durchdringen, die sich durch unterschiedliche optische Dichten auszeichnen. Wie bereits erwähnt, können Sie mit diesem Gesetz die Dichteeigenschaft des Mediums (Struktur) bestimmen. Je dichter es ist, desto langsamer breitet sich das Licht durch es aus. Beispielsweise sind Glas oder Wasser optisch dichter als Luft.
Abgesehen davon, dass dieser Parameter ein konstanter Wert ist, spiegelt er auch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in zwei Substanzen wider. Die physikalische Bedeutung kann als folgende Formel dargestellt werden:
Dieser Indikator gibt an, wie sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen ändert, wenn sie von einer Substanz zur anderen wechseln.
Ein weiterer wichtiger Indikator
Wenn sich ein Lichtstrom durch transparente Objekte bewegt, ist seine Polarisation möglich. Es wird beim Durchgang eines Lichtstroms aus dielektrischen isotropen Medien beobachtet. Polarisation tritt auf, wenn Photonen Glas passieren.
Polarisationseffekt
Eine partielle Polarisation wird beobachtet, wenn der Einfallswinkel des Lichtflusses an der Grenze zweier Dielektrika von Null abweicht. Der Grad der Polarisation hängt von den Einfallswinkeln ab (Brewstersches Gesetz).
Volle innere Reflexion
Zum Abschluss unserer kurzen Exkursion ist es noch notwendig, einen solchen Effekt als vollständige interne Reflexion zu betrachten.
Das Phänomen der Volldarstellung
Damit dieser Effekt auftritt, ist es notwendig, den Einfallswinkel des Lichtstroms im Moment seines Übergangs von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium an der Grenzfläche zwischen Stoffen zu vergrößern. In einer Situation, in der dieser Parameter einen bestimmten Grenzwert überschreitet, werden an der Grenze dieses Abschnitts einfallende Photonen vollständig reflektiert. Tatsächlich wird dies unser gewünschtes Phänomen sein. Ohne sie wäre die Herstellung von Glasfasern nicht möglich.
Abschluss
Die praktische Anwendung des Lichtflussverhaltens hat viel gebracht und eine Vielzahl technischer Geräte zur Verbesserung unseres Lebens geschaffen. Gleichzeitig hat das Licht der Menschheit noch nicht alle seine Möglichkeiten offenbart und sein praktisches Potenzial ist noch nicht vollständig ausgeschöpft.
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1. Wir führen Experimente zur Lichtbrechung durch
Lassen Sie uns ein solches Experiment durchführen. Richten wir einen schmalen Lichtstrahl in einem breiten Gefäß in einem bestimmten Winkel zur Wasseroberfläche auf die Wasseroberfläche. Wir werden feststellen, dass die Strahlen an den Einfallspunkten nicht nur von der Wasseroberfläche reflektiert werden, sondern teilweise auch ins Wasser gelangen und dabei ihre Richtung ändern (Abb. 3.33).
- Die Änderung der Ausbreitungsrichtung von Licht beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien wird als Lichtbrechung bezeichnet.
Die erste Erwähnung der Lichtbrechung findet sich in den Werken des antiken griechischen Philosophen Aristoteles, der sich fragte: Warum erscheint ein Stock im Wasser zerbrochen? Und in einer der antiken griechischen Abhandlungen wird folgendes Experiment beschrieben: „Man muss so stehen, dass der flache Ring am Boden des Gefäßes hinter seinem Rand verborgen ist.“ Gießen Sie dann, ohne die Position der Augen zu verändern, Wasser in das Gefäß.
Reis. 3.33 Schema eines Experiments zur Demonstration der Lichtbrechung. Beim Übergang von Luft zu Wasser ändert ein Lichtstrahl seine Richtung und verschiebt sich in Richtung der Senkrechten am Einfallspunkt des Strahls
2. Zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel bestehen folgende Zusammenhänge:
a) Wenn der Einfallswinkel zunimmt, nimmt auch der Brechungswinkel zu;
b) Wenn ein Lichtstrahl von einem Medium mit geringerer optischer Dichte zu einem Medium mit höherer optischer Dichte gelangt, ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel;
c) Wenn ein Lichtstrahl von einem Medium mit höherer optischer Dichte in ein Medium mit niedrigerer optischer Dichte gelangt, ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel.
(Es ist zu beachten, dass Sie in der Oberstufe nach dem Besuch eines Trigonometriekurses besser mit der Lichtbrechung vertraut werden und sie auf der Ebene der Gesetze kennenlernen.)
4. Wir erklären einige optische Phänomene durch die Lichtbrechung
Wenn wir am Ufer eines Stausees stehen und versuchen, seine Tiefe mit dem Auge zu bestimmen, erscheint er immer kleiner, als er tatsächlich ist. Dieses Phänomen wird durch die Lichtbrechung erklärt (Abb. 3.37).
Reis. 3. 39. Optische Geräte, deren Funktionsweise auf dem Phänomen der Lichtbrechung beruht
- Testfragen
1. Welches Phänomen beobachten wir, wenn Licht die Grenzfläche zwischen zwei Medien passiert?
L.I. Mandelstam untersuchte die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, hauptsächlich sichtbares Licht. Er entdeckte eine Reihe von Effekten, von denen einige heute seinen Namen tragen (Raman-Streuung, Mandelstam-Brillouin-Effekt usw.).
Variante 1. Ausrüstung: ein Gerät zum Studium der Gesetze der geometrischen Optik, ein Gleichrichter VS-24 oder VS 4-12, ein flacher Spiegel aus Teilen des Geräts.
Passen Sie die Bildschirmbeleuchtung an, wenn Sie ein Gerät mit geometrischer Optik für den Betrieb vorbereiten. Lösen Sie dazu das Kugelgelenk und drehen oder bewegen Sie den Illuminator, bis der mittlere Lichtstreifen den gesamten Bildschirm (entlang seines Durchmessers) durchdringt. Der Illuminator ist in dieser Position fixiert. Wenn gleichzeitig der Lichtstreifen verschwommen und nicht scharf ist, lösen Sie die Schraube, mit der die elektrische Patrone im Illuminator befestigt ist, und drehen, senken oder heben Sie die elektrische Patrone, bis ein klarer Lichtstreifen auf dem Bildschirm erscheint. Wenn die seitlichen Lichtstreifen nicht bis zum Rand des Bildschirms reichen, sollte die Neigung des Illuminators geändert werden. Nach der Justierung sind alle Schrauben fest angezogen.
Die Installation wird gemäß Abbildung 278 zusammengebaut. Mit einer Klemme wird aus einem Satz optischer Teile ein flacher Spiegel so montiert, dass seine reflektierende Oberfläche mit der horizontalen Achse übereinstimmt. Es ist nur noch ein mittlerer Strahl übrig. Sie ändern den Einfallswinkel von 0 auf 90°, notieren den Reflexionswinkel, vergleichen diese Winkel und ziehen eine Schlussfolgerung.
Das Experiment wird wiederholt und demonstriert die Reversibilitätseigenschaften von Lichtstrahlen, für die der Illuminator von einem Teil der Scheibe auf einen anderen übertragen wird. (Bei der Vorführung von Experimenten zur geometrischen Optik sollte der Raum abgedunkelt werden.)
Reis. 278 Abb. 280
Experiment 2. Lichtbrechungen
Variante 1. Ausrüstung:
Ein transparenter Halbzylinder wird auf den Bildschirm gelegt, wobei die matte Seite zum Bildschirm zeigt und die flache Seite nach oben geschnitten wird, sodass sie mit der horizontalen Achse übereinstimmt. Die Mitte des Halbzylinders wird mithilfe von Markierungen auf der matten Oberfläche des Halbzylinders an der Mitte des Bildschirms ausgerichtet (Abb. 280).
Verwenden Sie zur Demonstration des Experiments den Mittelstrahl. Der Strahl wird senkrecht zur Ebene auf die Mitte des Halbzylinders gerichtet (der Strahl verläuft ohne Richtungsänderung). Lenken Sie den einfallenden Strahl von der Senkrechten ab und beachten Sie, dass der gebrochene Strahl den Halbzylinder in einem anderen Winkel verlässt. Die Einfalls- und Brechungswinkel werden verglichen und eine Schlussfolgerung gezogen.
Wiederholen Sie das Experiment mit einem anderen Einfallswinkel. (Während des Experiments sollte man auf die Aufteilung des Lichtstrahls an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien achten.)
Experiment 3. Das Phänomen der Totalreflexion von Licht
Variante 1. Ausrüstung: ein Gerät zum Studium der Gesetze der geometrischen Optik, Gleichrichter VS-24 oder VS 4-12, Halbzylinder aus einem Satz optischer Teile.
Nachdem im vorherigen Experiment (Abb. 280) auf das Verhältnis der Einfalls- und Brechungswinkel geachtet wurde, wird die Position des Halbzylinders verändert. Seine konvexe Seite ist zum Illuminator hin angebracht (der flache Schnitt fällt mit der horizontalen Achse zusammen). Die Einfallswinkel werden verändert, mit den Brechungswinkeln verglichen und eine Schlussfolgerung gezogen.
Das Verhältnis der Einfalls- und Brechungswinkel wird in Abhängigkeit vom Verhältnis der optischen Dichte der Medien verglichen (die Ergebnisse dieses und früherer Experimente). Sie ziehen ein Fazit.
Stellen Sie sicher, dass mit zunehmendem Einfallswinkel die Helligkeit des reflektierten Strahls zunimmt und die des gebrochenen Strahls abnimmt. Erhöhen Sie den Einfallswinkel, bis der gebrochene Strahl verschwindet. Bei einer weiteren Vergrößerung des Einfallswinkels wird nur noch der reflektierte Strahl beobachtet. Es wird das Phänomen der Totalreflexion von Licht beobachtet.
Frage. Was ist der Grenzwinkel der Totalreflexion? (Geben Sie Ihre Antwort einer bedeutenden Zahl an.)
Option 2. Ausrüstung: Projektionsgerät, Aquarium.
Der Aufbau der Anlage erfolgt gemäß Abbildung 281. Eine 7-8 cm dicke Wasserschicht wird in ein Glasbad (Aquarium) gegossen und mit Kiefernkonzentrat eingefärbt. Vor dem Kondensor des Projektionsgeräts ist ein horizontaler Schlitz angebracht und auf dem Linsenrahmen ist ein flacher Spiegel angebracht. Ein Lichtstrahl wird auf die Seitenwand der Glasbadewanne gerichtet. Beobachtet werden die Brechung eines Lichtstrahls in Wasser, die Totalreflexion an der Wasseroberfläche und die Brechung, wenn der Strahl das Bad verlässt. Durch Veränderung des Einfallswinkels kann man mehrere Totalreflexionen des Lichtstrahls an der Wasseroberfläche und am Wannenboden beobachten.
