Meelelahutusteaduste akadeemia füüsika videotunnis jätkab professor Daniil Edisonovitš saate eelmises osas alustatud vestlust valgusest. Televaatajad juba teavad, mis on valguse peegeldumine, kuid mis on valguse murdumine? See on valguse murdumine, mis seletab mõningaid kummalisi optilisi nähtusi, mida võime oma igapäevaelus jälgida.
Valguse murdumise nähtus
Miks tunduvad vees seisvate inimeste jalad tegelikust lühemad ja kui vaadata jõe põhja, siis tundub see lähemal? See kõik puudutab valguse murdumise nähtust. Valgus püüab alati liikuda sirgjooneliselt, lühimal teel. Kuid ühest füüsilisest keskkonnast teise jõudmine muudab päikesekiirte suunda. Sel juhul on meil tegemist valguse murdumise nähtusega. Seetõttu näib lusikas teeklaasis katkine – tees oleva lusika osa valgus jõuab meie silmadeni erineva nurga all kui lusika vedeliku pinnast kõrgemal oleva osa valgus. . Sel juhul toimub valguse murdumine õhu ja vee piiril. Peegeldudes läbib valguskiir lühima tee ja murdudes liigub see kõige kiiremini. Valguse peegelduse ja murdumise seadusi kasutades on inimesed loonud palju asju, ilma milleta meie tänane elu pole mõeldav. Teleskoobid, periskoobid, mikroskoobid, suurendusklaasid – seda kõike oleks võimatu luua ilma valguse murdumise ja peegelduse seadusi tundmata. Suurendusklaas suurendab, kuna selle läbimisel satuvad valguskiired silma nurga all, mis on suurem kui objektilt endalt peegelduvad kiired. Selleks tuleb objekt asetada suurendusklaasi ja selle optilise fookuse vahele. Optiline fookus; see on punkt, kus algselt paralleelsed kiired lõikuvad (fookuvad) pärast kogumissüsteemi läbimist (või kus nende pikendused lõikuvad, kui süsteem hajub). Objektiivil (näiteks prilliläätsel) on kaks külge, nii et valguskiir murdub kaks korda – objektiivi sisenemisel ja sealt väljumisel. Objektiivi pind võib olla kumer, nõgus või tasane, mis määrab täpselt, kuidas valguse murdumise nähtus selles ilmneb. Kui läätse mõlemad pooled on kumerad, on tegemist koonduva läätsega. Sellises läätses murdudes koonduvad valguskiired ühte punkti. Seda nimetatakse objektiivi põhifookuseks. Nõgusate külgedega läätse nimetatakse lahknevaks läätseks. Esmapilgul puudub sellel fookus, sest seda läbivad kiired on hajutatud ja kalduvad külgedele. Aga kui me need kiired tagasi suuname, kogunevad nad uuesti objektiivi läbides punkti, mis on selle objektiivi fookus. Inimese silmas on lääts, seda nimetatakse läätseks. Seda võib võrrelda filmiprojektoriga, mis projitseerib pildi ekraanile – silma tagaseinale (võrkkest). Nii selgub, et järv on hiiglaslik lääts, mis põhjustab valguse murdumise nähtust. Seetõttu tunduvad selles seisvate kalurite jalad lühikesed. Tänu läätsedele ilmuvad taevasse ka vikerkaared. Nende rolli mängivad pisikesed veepiisad või lumeosakesed. Vikerkaar tekib siis, kui päikesevalgus murdub ja peegeldub atmosfääris hõljuvatest veepiiskadest (vihm või udu). Need tilgad painutavad erinevat värvi valgust erinevalt. Selle tulemusena laguneb valge valgus spektriks (tekib valguse dispersioon). Vaatleja, kes seisab seljaga valgusallika poole, näeb mitmevärvilist kuma, mis eraldub kosmosest ringidena (kaaredena).
Valgusega seotud protsessid on füüsika oluline komponent ja ümbritsevad meid kõikjal meie igapäevaelus. Olulisemad selles olukorras on valguse peegelduse ja murdumise seadused, millel põhineb kaasaegne optika. Valguse murdumine on kaasaegse teaduse oluline osa.
Moonutuse efekt
See artikkel räägib teile, mis on valguse murdumise nähtus, kuidas näeb välja murdumisseadus ja mis sellest tuleneb.
Füüsikalise nähtuse põhitõed
Kui kiir langeb pinnale, mis on eraldatud kahe erineva optilise tihedusega läbipaistva ainega (näiteks erinevad klaasid või vees), siis osa kiirtest peegeldub ja osa tungib teise struktuuri (näiteks nad levivad vees või klaasis). Ühest keskkonnast teise liikudes muudab kiir tavaliselt oma suunda. See on valguse murdumise nähtus.
Valguse peegeldumine ja murdumine on eriti nähtav vees.
Moonutav efekt vees
Vees olevaid asju vaadates tunduvad need moonutatud. See on eriti märgatav õhu ja vee piiril. Visuaalselt paistavad veealused objektid veidi kõrvale kalduvat. Kirjeldatud füüsikaline nähtus on just põhjus, miks kõik objektid paistavad vees moonutatuna. Kui kiired tabavad klaasi, on see efekt vähem märgatav.
Valguse murdumine on füüsikaline nähtus, mida iseloomustab päikesekiire liikumissuuna muutumine hetkel, mil see liigub ühest keskkonnast (struktuurist) teise.
Sellest protsessist arusaamise parandamiseks vaadake näidet, kuidas kiir tabab vett õhust (sarnaselt klaasi puhul). Joonistades piki liidest risti asetsevat joont, saab mõõta valguskiire murdumisnurka ja tagasipöördumist. See indeks (murdumisnurk) muutub, kui vool tungib vette (klaasi sees).
Märge! Selle parameetri all mõistetakse nurka, mille moodustab kahe aine eraldamise suhtes tõmmatud risti, kui kiir tungib esimesest konstruktsioonist teise.
Tala läbipääs
Sama näitaja on tüüpiline ka teistele keskkondadele. On kindlaks tehtud, et see näitaja sõltub aine tihedusest. Kui tala langeb vähem tihedalt struktuurilt tihedamale, on tekitatud moonutusnurk suurem. Ja kui see on vastupidi, siis on see vähem.
Samas mõjutab seda näitajat ka languse kalde muutus. Kuid nendevaheline suhe ei jää püsivaks. Samal ajal jääb nende siinuste suhe konstantseks väärtuseks, mis kajastub järgmises valemis: sinα / sinγ = n, kus:
- n on konstantne väärtus, mida kirjeldatakse iga konkreetse aine (õhk, klaas, vesi jne) kohta. Seetõttu saab selle väärtuse kindlaks määrata spetsiaalsete tabelite abil;
- α – langemisnurk;
- γ – murdumisnurk.
Selle füüsikalise nähtuse määramiseks loodi murdumisseadus.
Füüsiline seadus
Valgusvoogude murdumisseadus võimaldab määrata läbipaistvate ainete omadusi. Seadus ise koosneb kahest sättest:
- Esimene osa. Tala (intsident, modifitseeritud) ja rist, mis taastati langemispunktis näiteks õhu ja vee (klaasi jne) piiril, asuvad samas tasapinnas;
- Teine osa. Piiri ületamisel tekkiva langemisnurga siinuse ja sama nurga siinuse suhe on konstantne väärtus.
Seaduse kirjeldus
Sel juhul ilmneb hetkel, kui kiir väljub teisest konstruktsioonist esimesse (näiteks kui valgusvoog läheb õhust, läbi klaasi ja tagasi õhku), tekib ka moonutusefekt.
Oluline parameeter erinevate objektide jaoks
Peamine näitaja selles olukorras on langemisnurga siinuse suhe sarnasesse parameetrisse, kuid moonutuste jaoks. Nagu ülalkirjeldatud seadusest tuleneb, on see näitaja konstantne väärtus.
Pealegi, kui languskalde väärtus muutub, on sama olukord tüüpiline sarnase näitaja puhul. See parameeter on väga oluline, kuna see on läbipaistvate ainete lahutamatu omadus.
Erinevate objektide indikaatorid
Tänu sellele parameetrile saate üsna tõhusalt eristada klaasitüüpe, aga ka erinevaid vääriskive. See on oluline ka valguse kiiruse määramiseks erinevates keskkondades.
Märge! Suurim valgusvoo kiirus on vaakumis.
Ühelt ainelt teisele liikudes selle kiirus väheneb. Näiteks teemandis, millel on kõrgeim murdumisnäitaja, on footonite levimiskiirus 2,42 korda suurem kui õhul. Vees levivad nad 1,33 korda aeglasemalt. Erinevat tüüpi klaaside puhul on see parameeter vahemikus 1,4 kuni 2,2.
Märge! Mõne klaasi murdumisnäitaja on 2,2, mis on väga lähedane teemandile (2,4). Seetõttu pole alati võimalik klaasitükki ehtsast teemandist eristada.
Ainete optiline tihedus
Valgus võib tungida läbi erinevate ainete, mida iseloomustavad erinevad optilised tihedused. Nagu me varem ütlesime, saate selle seaduse abil määrata keskkonnale (struktuurile) iseloomuliku tiheduse. Mida tihedam see on, seda aeglasemalt levib valgus sellest läbi. Näiteks klaas või vesi on optiliselt tihedam kui õhk.
Lisaks sellele, et see parameeter on konstantne väärtus, peegeldab see ka kahe aine valguse kiiruse suhet. Füüsilist tähendust saab kuvada järgmise valemiga:
See indikaator näitab, kuidas footonite levimiskiirus muutub ühelt ainelt teisele liikumisel.
Teine oluline näitaja
Kui valgusvoog liigub läbi läbipaistvate objektide, on selle polarisatsioon võimalik. Seda täheldatakse valgusvoo läbimisel dielektrilisest isotroopsest keskkonnast. Polarisatsioon tekib siis, kui footonid läbivad klaasi.
Polarisatsiooniefekt
Osalist polarisatsiooni täheldatakse siis, kui valgusvoo langemisnurk kahe dielektriku piiril erineb nullist. Polarisatsiooniaste sõltub sellest, millised olid langemisnurgad (Brewsteri seadus).
Täielik sisemine peegeldus
Lühiekskursiooni lõpetuseks tuleb sellist efekti siiski käsitleda kui täielikku sisemist peegeldust.
Täisekraani nähtus
Selle efekti ilmnemiseks on vaja suurendada valgusvoo langemisnurka selle ülemineku hetkel tihedamast keskkonnast vähem tihedale keskkonnale ainete vahelisel liidesel. Olukorras, kus see parameeter ületab teatud piirväärtuse, peegelduvad selle lõigu piirile sattunud footonid täielikult. Tegelikult on see meie soovitud nähtus. Ilma selleta oli fiiberoptika valmistamine võimatu.
Järeldus
Valgusvoo käitumise praktiline rakendamine on andnud palju, luues mitmesuguseid tehnilisi seadmeid meie elu parandamiseks. Samal ajal ei ole valgus inimkonnale veel kõiki oma võimalusi paljastanud ja selle praktiline potentsiaal pole veel täielikult realiseerunud.
Kuidas oma kätega paberist lampi teha
Kuidas kontrollida LED-riba jõudlust
1. Teeme katseid valguse murdumise kohta
Teeme sellise katse. Suuname kitsa valgusvihu laias anumas veepinnale teatud nurga all veepinna suhtes. Märkame, et kiired langemiskohtades mitte ainult ei peegeldu veepinnalt, vaid lähevad ka osaliselt vette, muutes oma suunda (joon. 3.33).
- Valguse levimissuuna muutumist, kui see läbib kahe keskkonna liidest, nimetatakse valguse murdumiseks.
Valguse murdumise esmamainimist võib leida Vana-Kreeka filosoofi Aristotelese töödest, kes mõtlesid: miks näib kepp vees purunenud? Ja ühes Vana-Kreeka traktaadis kirjeldatakse järgmist katset: "Peate seisma nii, et anuma põhja asetatud lame rõngas oleks selle serva taha peidetud. Seejärel valage anumasse vett ilma silmade asendit muutmata.
Riis. 3.33 Katse skeem valguse murdumise demonstreerimiseks. Õhust vette liikudes muudab valguskiir oma suunda, nihkudes kiirte langemispunktis määratud risti suunas
2. Langemisnurga ja murdumisnurga vahel on järgmised seosed:
a) kui langemisnurk suureneb, suureneb ka murdumisnurk;
b) kui valguskiir liigub madalama optilise tihedusega keskkonnast suurema optilise tihedusega keskkonda, siis on murdumisnurk väiksem kui langemisnurk;
c) kui valguskiir läheb kõrgema optilise tihedusega keskkonnast madalama optilise tihedusega keskkonda, siis on murdumisnurk suurem kui langemisnurk.
(Tuleb märkida, et keskkoolis, pärast trigonomeetria kursuse läbimist, saate valguse murdumisest rohkem tuttavaks ja õppida seda seaduste tasemel.)
4. Seletame mõningaid optilisi nähtusi valguse murdumisega
Kui me, seistes veehoidla kaldal, proovime selle sügavust silma järgi määrata, tundub see alati väiksem, kui see tegelikult on. Seda nähtust seletatakse valguse murdumisega (joon. 3.37).
Riis. 3. 39. Optilised seadmed, mille töö põhineb valguse murdumise nähtusel
- Testi küsimused
1. Millist nähtust me täheldame, kui valgus läbib kahe meediumi liidest?
L.I.Mandelstam uuris elektromagnetlainete, eelkõige nähtava valguse levikut. Ta avastas mitmeid efekte, millest mõned kannavad nüüd tema nime (Ramani hajumine, Mandelstami-Brillouini efekt jne).
Valik 1. Varustus: seade geomeetrilise optika seaduste uurimiseks, alaldi VS-24 või VS 4-12, seadme osadest valmistatud tasapinnaline peegel.
Geomeetrilise optikaseadme tööks ettevalmistamisel reguleerige ekraani valgustust. Selleks vabastage kuulliigend ja pöörake või liigutage illuminaatorit, kuni keskmine valgusriba läbib kogu ekraani (piki selle läbimõõtu). Valgusti on selles asendis fikseeritud. Kui samal ajal on valgusriba udune ja mitte terav, siis vabastades illuminaatoris elektrikassetti kinnitava kruvi, keerake, langetage või tõstke elektrikassetti, kuni ekraanile tekib selge valgusriba. Kui külgmised valgusribad ei ulatu ekraani servani, tuleks illuminaatori kallet muuta. Pärast reguleerimist on kõik kruvid kindlalt kinnitatud.
Paigaldus on kokku pandud vastavalt joonisele 278. Klambri abil paigaldatakse optiliste osade komplektist tasapinnaline peegel nii, et selle peegeldav pind langeb kokku horisontaalteljega. Ainult üks keskmine kiir on alles. Nad muudavad langemisnurka 0 kuni 90°, märgivad üles peegeldusnurga, võrdlevad neid nurki ja teevad järelduse.
Katset korratakse, demonstreerides valguskiirte pöörduvusomadusi, mille jaoks illuminaator viiakse ketta ühest osast teise. (Geomeetrilise optika katsete demonstreerimisel tuleks ruum pimedaks muuta.)
Riis. 278 Joon. 280
Katse 2. Valguse murdumine
Valik 1. Varustus:
Ekraanile asetatakse läbipaistev poolsilinder nii, et matt külg on ekraani poole ja tasapinnaline on lõigatud nii, et see langeb kokku horisontaalteljega. Poolsilindri keskosa joondatakse ekraani keskkohaga, kasutades poolsilindri mattpinnal olevaid märke (joonis 280).
Katse demonstreerimisel kasutage keskmist tala. Tala suunatakse poolsilindri keskpunkti tasapinnaga risti (kiir läbib suunda muutmata). Suunake langev kiir risti ja pange tähele, et murdunud kiir väljub poolsilindrist erineva nurga all. Võrreldakse langemis- ja murdumisnurki ning tehakse järeldus.
Korrake katset erineva nurga all. (Katse ajal peaksite pöörama tähelepanu valguskiire hargnemisele kahe kandja liideses.)
Katse 3. Valguse täieliku peegelduse nähtus
Valik 1. Varustus: seade geomeetrilise optika seaduste uurimiseks, alaldi VS-24 või VS 4-12, poolsilinder optiliste osade komplektist.
Olles eelmises katses (joonis 280) pööranud tähelepanu langemis- ja murdumisnurkade suhtele, muudetakse poolsilindri asendit. Selle kumer külg on paigaldatud illuminaatori poole (tasane lõige langeb kokku horisontaalteljega). Langemisnurki muudetakse, võrreldakse murdumisnurkadega ja tehakse järeldus.
Langemis- ja murdumisnurkade suhet võrreldakse sõltuvalt kandja optilise tiheduse suhtest (selle ja varasemate katsete tulemused). Nad teevad järelduse.
Veenduge, et langemisnurga suurenedes peegeldunud kiire heledus suureneb ja murdunud kiire heledus väheneb. Suurendage langemisnurka, kuni murdunud kiir kaob. Kui langemisnurk suureneb veelgi, vaadeldakse ainult peegeldunud kiirt. Täheldatakse valguse täieliku peegelduse nähtust.
küsimus. Mis on täieliku peegelduse piirnurk? (Andke oma vastus ühele olulisele numbrile.)
2. variant. Varustus: projektsiooniseade, akvaarium.
Installatsioon on kokku pandud vastavalt joonisele 281. Klaasvanni (akvaariumi) valatakse 7-8 cm paksune veekiht ja toonitakse männikontsentraadiga. Projektsiooniseadme kondensaatori ette on paigaldatud horisontaalne pilu ja objektiivi raamile asetatakse tasane peegel. Valgusvihk on suunatud klaasvanni külgseinale. Vaadeldakse valguskiire murdumist vees, täielikku peegeldumist veepinnalt ja valguskiire murdumist vannist väljumisel. Langemisnurka muutes on võimalik jälgida valguskiire mitmekordset summaarset peegeldust veepinnalt ja vanni põhjast.
