Podczas lekcji wideo fizyki prowadzonej przez Akademię Nauk Rozrywkowych profesor Daniil Edisonovich kontynuuje rozpoczętą w poprzednim odcinku rozmowy o świetle. Telewidzowie już wiedzą, czym jest odbicie światła, ale czym jest załamanie światła? To załamanie światła wyjaśnia niektóre dziwne zjawiska optyczne, które możemy zaobserwować w naszym codziennym życiu.
Zjawisko załamania światła
Dlaczego nogi ludzi stojących w wodzie wydają się krótsze niż w rzeczywistości, a patrząc na dno rzeki wydają się bliższe? Wszystko opiera się na zjawisku załamania światła. Światło zawsze stara się poruszać po linii prostej, najkrótszą drogą. Jednak przejście z jednego środowiska fizycznego do innej części promieni słonecznych zmienia kierunek. W tym przypadku mamy do czynienia ze zjawiskiem załamania światła. To dlatego łyżeczka w szklance herbaty sprawia wrażenie stłuczonej – światło z części łyżki znajdującej się w herbacie dociera do naszych oczu pod innym kątem niż światło z części łyżeczki znajdującej się nad powierzchnią płynu . Załamanie światła w tym przypadku zachodzi na granicy powietrza i wody. Promień światła po odbiciu pokonuje najkrótszą drogę, a po załamaniu porusza się najszybciej. Korzystając z praw odbicia i załamania światła, ludzie stworzyli wiele rzeczy, bez których nasze dzisiejsze życie jest nie do pomyślenia. Teleskopy, peryskopy, mikroskopy, lupy, tego wszystkiego nie dałoby się stworzyć bez znajomości praw załamania i odbicia światła. Szkło powiększające powiększa, ponieważ po przejściu przez nie promienie światła wpadają do oka pod kątem większym niż promienie odbite od samego przedmiotu. Aby to zrobić, przedmiot należy umieścić pomiędzy lupą a jej ogniskiem optycznym. Ostrość optyczna; jest to punkt, w którym początkowo równoległe promienie przecinają się (ogniska) po przejściu przez układ zbierający (lub w którym przecinają się ich przedłużenia, jeśli układ jest rozpraszany). Soczewka (np. soczewka okularowa) ma dwie strony, więc promień światła załamuje się dwukrotnie – podczas wchodzenia i wychodzenia z soczewki. Powierzchnia soczewki może być zakrzywiona, wklęsła lub płaska, co dokładnie określa, jak będzie w niej zachodzić zjawisko załamania światła. Jeśli soczewka ma wypukłe boki po obu stronach, jest soczewką skupiającą. Załamane w takiej soczewce promienie świetlne skupiają się w jednym punkcie. Nazywa się to głównym ogniskiem obiektywu. Soczewkę o wklęsłych bokach nazywa się soczewką rozpraszającą. Na pierwszy rzut oka brakuje mu ostrości, gdyż przechodzące przez nią promienie są rozproszone i rozchodzą się na boki. Ale jeśli przekierowamy te promienie z powrotem, wówczas ponownie przechodząc przez soczewkę zgromadzą się w punkcie, który będzie ogniskiem tej soczewki. W ludzkim oku znajduje się soczewka, nazywa się ją soczewką. Można go porównać do projektora filmowego, który wyświetla obraz na ekranie – tylnej ścianie oka (siatkówce). Okazuje się więc, że jezioro jest gigantyczną soczewką, która powoduje zjawisko załamania światła. Dlatego nogi stojących w nim rybaków wydają się krótkie. Tęcze pojawiają się na niebie także dzięki soczewkom. Ich rolę pełnią maleńkie kropelki wody lub cząsteczki śniegu. Tęcze powstają, gdy światło słoneczne załamuje się i odbija od kropelek wody (deszczu lub mgły) unoszących się w atmosferze. Kropelki te w różny sposób załamują światło o różnych barwach. W efekcie światło białe ulega rozkładowi na widmo (następuje rozproszenie światła). Obserwator stojący tyłem do źródła światła widzi wielobarwną poświatę, która emanuje z przestrzeni w okręgach (łukach).
Procesy związane ze światłem są ważnym elementem fizyki i otaczają nas na każdym kroku w naszym codziennym życiu. Najważniejsze w tej sytuacji są prawa odbicia i załamania światła, na których opiera się współczesna optyka. Załamanie światła jest ważną częścią współczesnej nauki.
Efekt zniekształcenia
W tym artykule dowiesz się, na czym polega zjawisko załamania światła, a także jak wygląda prawo załamania światła i co z niego wynika.
Podstawy zjawisk fizycznych
Kiedy wiązka pada na powierzchnię oddzieloną dwiema przezroczystymi substancjami o różnej gęstości optycznej (na przykład różnymi szkłami lub w wodzie), część promieni zostanie odbita, a część przeniknie do drugiej struktury (na przykład będą się rozmnażać w wodzie lub szkle). Podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego promień zazwyczaj zmienia swój kierunek. Jest to zjawisko załamania światła.
Odbicie i załamanie światła jest szczególnie widoczne w wodzie.
Efekt zniekształcenia w wodzie
Patrząc na rzeczy w wodzie, wydają się zniekształcone. Jest to szczególnie widoczne na granicy powietrza i wody. Wizualnie podwodne obiekty wydają się lekko odchylone. Opisane zjawisko fizyczne jest właśnie powodem, dla którego wszystkie obiekty w wodzie wydają się zniekształcone. Kiedy promienie uderzają w szybę, efekt ten jest mniej zauważalny.
Załamanie światła to zjawisko fizyczne, które charakteryzuje się zmianą kierunku ruchu promienia słonecznego w momencie jego przejścia z jednego ośrodka (struktury) do drugiego.
Aby lepiej zrozumieć ten proces, rozważmy przykład uderzenia promienia w wodę z powietrza (podobnie jak w przypadku szkła). Rysując linię prostopadłą wzdłuż granicy faz, można zmierzyć kąt załamania i powrotu wiązki światła. Ten współczynnik (kąt załamania) będzie się zmieniać w miarę przenikania strumienia przez wodę (wewnątrz szkła).
Notatka! Parametr ten rozumiany jest jako kąt utworzony przez prostopadłą poprowadzoną do rozdzielenia dwóch substancji, gdy wiązka przechodzi z pierwszej konstrukcji do drugiej.
Przejście belki
Ten sam wskaźnik jest typowy dla innych środowisk. Ustalono, że wskaźnik ten zależy od gęstości substancji. Jeśli wiązka spadnie ze struktury mniej gęstej do gęstszej, wówczas powstały kąt zniekształcenia będzie większy. A jeśli jest odwrotnie, to mniej.
Jednocześnie zmiana nachylenia spadku będzie miała wpływ również na ten wskaźnik. Ale relacje między nimi nie pozostają stałe. Jednocześnie stosunek ich sinusów pozostanie stałą wartością, co odzwierciedla następujący wzór: sinα / sinγ = n, gdzie:
- n jest stałą wartością opisaną dla każdej konkretnej substancji (powietrze, szkło, woda itp.). Dlatego jaka będzie ta wartość, można określić za pomocą specjalnych tabel;
- α – kąt padania;
- γ – kąt załamania.
Aby określić to zjawisko fizyczne, stworzono prawo załamania światła.
Prawo fizyczne
Prawo załamania strumieni świetlnych pozwala określić właściwości substancji przezroczystych. Samo prawo składa się z dwóch przepisów:
- Pierwsza część. Belka (wypadająca, modyfikowana) i prostopadła, która została przywrócona w miejscu padania na granicę np. powietrza i wody (szkło itp.), będą znajdować się w tej samej płaszczyźnie;
- Druga część. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa tego samego kąta powstałego przy przekraczaniu granicy będzie miał wartość stałą.
Opis prawa
W takim przypadku w momencie, gdy wiązka wyjdzie z drugiej struktury do pierwszej (na przykład, gdy strumień światła przejdzie z powietrza, przez szybę i z powrotem do powietrza), wystąpi również efekt zniekształcenia.
Ważny parametr dla różnych obiektów
Głównym wskaźnikiem w tej sytuacji jest stosunek sinusa kąta padania do podobnego parametru, ale zniekształcenia. Jak wynika z prawa opisanego powyżej, wskaźnik ten ma wartość stałą.
Co więcej, gdy zmieni się wartość nachylenia spadku, ta sama sytuacja będzie typowa dla podobnego wskaźnika. Parametr ten ma ogromne znaczenie, gdyż jest integralną cechą substancji przezroczystych.
Wskaźniki dla różnych obiektów
Dzięki temu parametrowi można dość skutecznie rozróżnić rodzaje szkła, a także różne kamienie szlachetne. Jest to również ważne przy określaniu prędkości światła w różnych środowiskach.
Notatka! Największa prędkość przepływu światła występuje w próżni.
Podczas przemieszczania się z jednej substancji na drugą jej prędkość będzie się zmniejszać. Przykładowo w diamencie, który ma najwyższy współczynnik załamania światła, prędkość propagacji fotonów będzie 2,42 razy większa niż w powietrzu. W wodzie rozprzestrzeniają się 1,33 razy wolniej. Dla różnych rodzajów szkła parametr ten waha się od 1,4 do 2,2.
Notatka! Niektóre okulary mają współczynnik załamania światła 2,2, czyli bardzo blisko diamentu (2,4). Dlatego nie zawsze da się odróżnić kawałek szkła od prawdziwego diamentu.
Gęstość optyczna substancji
Światło może przenikać przez różne substancje, które charakteryzują się różną gęstością optyczną. Jak powiedzieliśmy wcześniej, za pomocą tego prawa można określić charakterystykę gęstości ośrodka (struktury). Im jest gęstszy, tym wolniejsza jest prędkość, z jaką światło się w nim rozchodzi. Na przykład szkło lub woda będą bardziej gęste optycznie niż powietrze.
Oprócz tego, że parametr ten jest wartością stałą, odzwierciedla on także stosunek prędkości światła w dwóch substancjach. Znaczenie fizyczne można przedstawić za pomocą następującego wzoru:
Wskaźnik ten informuje, jak zmienia się prędkość propagacji fotonów podczas przechodzenia z jednej substancji do drugiej.
Kolejny ważny wskaźnik
Kiedy strumień światła przechodzi przez przezroczyste obiekty, możliwa jest jego polaryzacja. Obserwuje się to podczas przejścia strumienia światła z ośrodków dielektrycznych izotropowych. Polaryzacja zachodzi, gdy fotony przechodzą przez szkło.
Efekt polaryzacji
Częściową polaryzację obserwuje się, gdy kąt padania strumienia świetlnego na granicy dwóch dielektryków jest różny od zera. Stopień polaryzacji zależy od kąta padania (prawo Brewstera).
Pełne odbicie wewnętrzne
Kończąc naszą krótką wycieczkę, nadal konieczne jest rozważenie takiego efektu, jak pełne odbicie wewnętrzne.
Zjawisko pełnego wyświetlania
Aby taki efekt wystąpił, konieczne jest zwiększenie kąta padania strumienia świetlnego w momencie jego przejścia z ośrodka gęstszego do rzadszego na granicy faz. W sytuacji, gdy parametr ten przekroczy pewną wartość graniczną, wówczas fotony padające na granicę tego odcinka zostaną całkowicie odbite. Właściwie będzie to nasze pożądane zjawisko. Bez tego nie byłoby możliwe wykonanie światłowodów.
Wniosek
Praktyczne zastosowanie zachowania strumienia świetlnego dało wiele, tworząc różnorodne urządzenia techniczne poprawiające nasze życie. Jednocześnie światło nie ujawniło jeszcze ludzkości wszystkich swoich możliwości, a jego praktyczny potencjał nie został jeszcze w pełni wykorzystany.
Jak zrobić lampę papierową własnymi rękami
Jak sprawdzić działanie paska LED
1. Przeprowadzamy eksperymenty dotyczące załamania światła
Przeprowadźmy taki eksperyment. Skierujmy wąską wiązkę światła na powierzchnię wody w szerokim naczyniu pod pewnym kątem do powierzchni. Zauważymy, że w punktach padania promienie nie tylko odbijają się od powierzchni wody, ale także częściowo przedostają się do wody, zmieniając swój kierunek (ryc. 3.33).
- Zmiana kierunku rozchodzenia się światła podczas jego przejścia przez granicę między dwoma ośrodkami nazywana jest załamaniem światła.
Pierwszą wzmiankę o załamaniu światła można znaleźć w pracach starożytnego greckiego filozofa Arystotelesa, który zastanawiał się: dlaczego kij wydaje się złamany w wodzie? A w jednym ze starożytnych traktatów greckich opisano następujący eksperyment: „Trzeba stać tak, aby płaski pierścień umieszczony na dnie naczynia był ukryty za jego krawędzią. Następnie, nie zmieniając pozycji oczu, wlej wodę do naczynia.
Ryż. 3.33 Schemat doświadczenia mającego na celu wykazanie załamania światła. Przechodząc z powietrza do wody, promień światła zmienia swój kierunek, przesuwając się w stronę prostopadłej ustalonej w punkcie padania promienia
2. Istnieją następujące zależności pomiędzy kątem padania i kątem załamania:
a) jeśli wzrasta kąt padania, zwiększa się również kąt załamania;
b) jeżeli promień świetlny przechodzi z ośrodka o mniejszej gęstości optycznej do ośrodka o większej gęstości optycznej, to kąt załamania będzie mniejszy niż kąt padania;
c) jeżeli promień świetlny przechodzi z ośrodka o większej gęstości optycznej do ośrodka o mniejszej gęstości optycznej, to kąt załamania będzie większy od kąta padania.
(Należy zaznaczyć, że w szkole średniej, po ukończeniu kursu trygonometrii, zapoznasz się bliżej z załamaniem światła i poznasz je na poziomie praw.)
4. Niektóre zjawiska optyczne wyjaśniamy poprzez załamanie światła
Kiedy stojąc na brzegu zbiornika, próbujemy naocznie określić jego głębokość, zawsze wydaje się on mniejszy niż jest w rzeczywistości. Zjawisko to tłumaczy się załamaniem światła (ryc. 3.37).
Ryż. 3. 39. Urządzenia optyczne, których działanie opiera się na zjawisku załamania światła
- Pytania testowe
1. Jakie zjawisko obserwujemy, gdy światło przechodzi przez granicę między dwoma ośrodkami?
L.I. Mandelstam badał propagację fal elektromagnetycznych, głównie światła widzialnego. Odkrył szereg efektów, z których niektóre noszą teraz jego imię (rozpraszanie Ramana, efekt Mandelstama-Brillouina itp.).
Opcja 1. Sprzęt: urządzenie do badania praw optyki geometrycznej, prostownik VS-24 lub VS 4-12, płaskie lustro wykonane z części urządzenia.
Przygotowując urządzenie z optyką geometryczną do pracy, wyreguluj podświetlenie ekranu. W tym celu należy poluzować przegub kulowy i obracać lub przesuwać oświetlacz do momentu, aż środkowy pasek światła przejdzie przez cały ekran (wzdłuż jego średnicy). Oświetlacz jest unieruchomiony w tej pozycji. Jeżeli jednocześnie pasek światła jest rozmyty i nieostry, to odkręcając śrubę mocującą wkład elektryczny w oświetlaczu, obracaj, obniżaj lub podnoś wkład elektryczny, aż do uzyskania na ekranie wyraźnego paska światła. Jeżeli boczne paski światła nie dochodzą do krawędzi ekranu, należy zmienić nachylenie oświetlacza. Po regulacji wszystkie śruby są bezpiecznie dokręcone.
Instalacja jest montowana zgodnie z rysunkiem 278. Za pomocą zacisku montuje się płaskie lustro z zestawu części optycznych tak, aby jego powierzchnia odbijająca pokrywała się z osią poziomą. Pozostał tylko jeden promień środkowy. Zmieniają kąt padania od 0 do 90°, zapisują kąt odbicia, porównują te kąty i wyciągają wnioski.
Eksperyment powtarza się, wykazując właściwości odwracalności wiązek światła, dla których iluminator jest przenoszony z jednej części dysku na drugą. (Podczas demonstrowania eksperymentów z optyki geometrycznej pomieszczenie powinno być zaciemnione.)
Ryż. 278 Ryc. 280
Eksperyment 2. Załamanie światła
Opcja 1. Sprzęt:
Na ekranie umieszczony jest przezroczysty półcylinder, matową stroną skierowaną w stronę ekranu i płaskim wycięciem tak, aby pokrywał się z osią poziomą. Środek półcylindra wyrównuje się ze środkiem ekranu za pomocą znaków na matowej powierzchni półcylindra (ryc. 280).
Podczas demonstracji eksperymentu użyj środkowej belki. Wiązka skierowana jest do środka półwalca prostopadle do płaszczyzny (wiązka przechodzi bez zmiany kierunku). Odchyl padający promień od prostopadłej i zwróć uwagę, że załamany promień wychodzi z półwalca pod innym kątem. Porównuje się kąty padania i załamania i wyciąga się wnioski.
Powtórz doświadczenie pod innym kątem padania. (Podczas eksperymentu należy zwrócić uwagę na rozwidlenie wiązki światła na styku obu ośrodków.)
Doświadczenie 3. Zjawisko całkowitego odbicia światła
Opcja 1. Sprzęt: urządzenie do badania praw optyki geometrycznej, prostownik VS-24 lub VS 4-12, półcylinder z zestawu części optycznych.
Po zwróceniu uwagi na stosunek kątów padania i załamania w poprzednim eksperymencie (ryc. 280) zmienia się położenie półcylindra. Jego wypukłą stroną montujemy w kierunku oświetlacza (płaskie nacięcie pokrywa się z osią poziomą). Kąty padania zmieniają się w porównaniu z kątami załamania i wyciągany jest wniosek.
Porównuje się stosunek kątów padania i załamania w zależności od stosunku gęstości optycznej ośrodków (wyniki tego i poprzednich eksperymentów). Wyciągają wniosek.
Upewnij się, że wraz ze wzrostem kąta padania jasność wiązki odbitej wzrasta, a jasność wiązki załamanej maleje. Zwiększaj kąt padania, aż załamana wiązka zniknie. Wraz ze wzrostem kąta padania obserwowana będzie już tylko wiązka odbita. Obserwuje się zjawisko całkowitego odbicia światła.
Pytanie. Jaki jest graniczny kąt całkowitego odbicia? (Odpowiedz proszę podać jedną znaczącą cyfrę.)
Opcja 2. Sprzęt: urządzenie projekcyjne, akwarium.
Instalacja jest montowana zgodnie z rysunkiem 281. Warstwę wody o grubości 7-8 cm wlewa się do szklanej wanny (akwarium) i zabarwia koncentratem sosnowym. Przed kondensorem aparatu projekcyjnego zainstalowana jest pozioma szczelina, a na ramce obiektywu umieszczone jest płaskie lustro. Wiązka światła skierowana jest na boczną ścianę szklanej wanny. Obserwuje się załamanie wiązki światła w wodzie, całkowite odbicie od powierzchni wody oraz załamanie przy wyjściu wiązki światła z wanny. Zmieniając kąt padania, można zaobserwować wielokrotne całkowite odbicia wiązki światła od powierzchni wody i dna wanny.
