Në një mësim video të fizikës nga Akademia e Shkencave Argëtuese, profesor Daniil Edisonovich vazhdon bisedën për dritën e filluar në episodin e mëparshëm të programit. Shikuesit e TV tashmë e dinë se çfarë është reflektimi i dritës, por çfarë është përthyerja e dritës? Është thyerja e dritës që shpjegon disa nga fenomenet optike të çuditshme që ne mund të vëzhgojmë në jetën tonë të përditshme.
Fenomeni i përthyerjes së dritës
Pse këmbët e njerëzve që qëndrojnë në ujë duken më të shkurtra se sa janë në të vërtetë, dhe nëse shikoni në fund të lumit, duket më afër? Gjithçka ka të bëjë me fenomenin e përthyerjes së dritës. Drita gjithmonë përpiqet të lëvizë në një vijë të drejtë, në rrugën më të shkurtër. Por kalimi nga një mjedis fizik në një pjesë tjetër të rrezeve të diellit ndryshon drejtimin. Në këtë rast kemi të bëjmë me fenomenin e përthyerjes së dritës. Kjo është arsyeja pse një lugë në një gotë çaji duket e thyer - drita nga pjesa e lugës që është në çaj arrin në sytë tanë në një kënd të ndryshëm nga drita nga pjesa e lugës që është mbi sipërfaqen e lëngut. . Në këtë rast, thyerja e dritës ndodh në kufirin e ajrit dhe ujit. Kur reflektohet, një rreze drite përshkon rrugën më të shkurtër dhe kur thyhet, lëviz më shpejt. Duke përdorur ligjet e reflektimit dhe thyerjes së dritës, njerëzit kanë krijuar shumë gjëra pa të cilat jeta jonë sot është e paimagjinueshme. Teleskopët, periskopët, mikroskopët, syzet zmadhuese, e gjithë kjo do të ishte e pamundur të krijohej pa njohuri për ligjet e thyerjes dhe reflektimit të dritës. Një xham zmadhues zmadhohet sepse, duke kaluar nëpër të, rrezet e dritës hyjnë në sy në një kënd më të madh se rrezet e reflektuara nga vetë objekti. Për ta bërë këtë, objekti duhet të vendoset midis xhamit zmadhues dhe fokusit të tij optik. Fokusi optik; kjo është pika në të cilën fillimisht rrezet paralele kryqëzohen (përqendrohen) pasi kalojnë nëpër një sistem grumbullues (ose ku kryqëzohen zgjatimet e tyre nëse sistemi shpërndahet). Një lente (të tilla si thjerrëzat e syzeve) ka dy anë, kështu që një rreze drite përthyhet dy herë - ndërsa hyn dhe del nga thjerrëza. Sipërfaqja e thjerrëzës mund të jetë e lakuar, konkave ose e sheshtë, gjë që përcakton saktësisht se si do të ndodhë fenomeni i përthyerjes së dritës në të. Nëse të dyja anët e një thjerrëze janë konvekse, ajo është një lente konvergjente. Të thyera në një lente të tillë, rrezet e dritës përqendrohen në një pikë. Ky quhet fokusi kryesor i lenteve. Një lente me anë konkave quhet lente divergjente. Në pamje të parë, i mungon fokusi, sepse rrezet që kalojnë nëpër të janë të shpërndara dhe devijojnë në anët. Por nëse i ridrejtojmë këto rreze prapa, atëherë ato, duke kaluar përsëri nëpër thjerrëza, do të mblidhen në një pikë, e cila do të jetë fokusi i kësaj thjerrëze. Ka një lente në syrin e njeriut, ajo quhet lente. Mund të krahasohet me një projektor filmi, i cili projekton një imazh në një ekran - muri i pasmë i syrit (retina). Pra, rezulton se liqeni është një lente gjigante që shkakton fenomenin e përthyerjes së dritës. Kjo është arsyeja pse këmbët e peshkatarëve që qëndrojnë në të duken të shkurtra. Ylberët shfaqen edhe në qiell për shkak të lenteve. Roli i tyre luhet nga pika të vogla uji ose grimca bore. Ylberët ndodhin kur rrezet e diellit përthyhen dhe reflektohen nga pikat e ujit (shiu ose mjegulla) që notojnë në atmosferë. Këto pika përkulin ndryshe dritën e ngjyrave të ndryshme. Si rezultat, drita e bardhë zbërthehet në një spektër (ndodh shpërndarja e dritës). Një vëzhgues që qëndron me shpinë nga burimi i dritës sheh një shkëlqim shumëngjyrësh që buron nga hapësira në rrathë (harqe).
Proceset që lidhen me dritën janë një komponent i rëndësishëm i fizikës dhe na rrethojnë kudo në jetën tonë të përditshme. Më të rëndësishmet në këtë situatë janë ligjet e reflektimit dhe thyerjes së dritës, mbi të cilat bazohet optika moderne. Përthyerja e dritës është një pjesë e rëndësishme e shkencës moderne.
Efekti i shtrembërimit
Ky artikull do t'ju tregojë se çfarë është fenomeni i përthyerjes së dritës, si dhe si duket ligji i përthyerjes dhe çfarë rrjedh prej tij.
Bazat e një dukurie fizike
Kur një rreze bie në një sipërfaqe që ndahet nga dy substanca transparente që kanë dendësi optike të ndryshme (për shembull, gota të ndryshme ose në ujë), disa nga rrezet do të reflektohen dhe disa do të depërtojnë në strukturën e dytë (për shembull, ato do të përhapen në ujë ose gotë). Kur lëviz nga një medium në tjetrin, një rreze zakonisht ndryshon drejtimin e saj. Ky është fenomeni i përthyerjes së dritës.
Reflektimi dhe thyerja e dritës është veçanërisht e dukshme në ujë.
Efekti i shtrembërimit në ujë
Duke parë gjërat në ujë, ato duken të shtrembëruara. Kjo është veçanërisht e dukshme në kufirin midis ajrit dhe ujit. Vizualisht, objektet nënujore duket se janë pak të devijuar. Dukuria fizike e përshkruar është pikërisht arsyeja pse të gjitha objektet duken të shtrembëruara në ujë. Kur rrezet godasin xhamin, ky efekt është më pak i dukshëm.
Përthyerja e dritës është një fenomen fizik që karakterizohet nga një ndryshim në drejtimin e lëvizjes së një rreze diellore në momentin që ajo lëviz nga një mjedis (strukturë) në tjetrin.
Për të përmirësuar të kuptuarit tonë të këtij procesi, merrni parasysh një shembull të një rrezeje që godet ujin nga ajri (në mënyrë të ngjashme për xhamin). Duke tërhequr një vijë pingule përgjatë ndërfaqes, mund të matet këndi i thyerjes dhe kthimit të rrezes së dritës. Ky indeks (këndi i thyerjes) do të ndryshojë kur rrjedha depërton në ujë (brenda xhamit).
Shënim! Ky parametër kuptohet si këndi i formuar nga një pingul i tërhequr në ndarjen e dy substancave kur një rreze depërton nga struktura e parë në të dytën.
Kalimi me rreze
I njëjti tregues është tipik për mjedise të tjera. Është vërtetuar se ky tregues varet nga dendësia e substancës. Nëse rrezja bie nga një strukturë më pak e dendur në një strukturë më të dendur, atëherë këndi i shtrembërimit të krijuar do të jetë më i madh. Dhe nëse është anasjelltas, atëherë është më pak.
Në të njëjtën kohë, një ndryshim në pjerrësinë e rënies do të ndikojë edhe në këtë tregues. Por marrëdhënia mes tyre nuk mbetet konstante. Në të njëjtën kohë, raporti i sinuseve të tyre do të mbetet një vlerë konstante, e cila reflektohet nga formula e mëposhtme: sinα / sinγ = n, ku:
- n është një vlerë konstante që përshkruhet për secilën substancë specifike (ajër, qelq, ujë, etj.). Prandaj, cila do të jetë kjo vlerë mund të përcaktohet duke përdorur tabela të veçanta;
- α – këndi i rënies;
- γ – këndi i thyerjes.
Për të përcaktuar këtë fenomen fizik, u krijua ligji i thyerjes.
Ligji fizik
Ligji i thyerjes së flukseve të dritës na lejon të përcaktojmë karakteristikat e substancave transparente. Vetë ligji përbëhet nga dy dispozita:
- Pjesa e parë. Rrezja (incidenca, e modifikuar) dhe pingulja, e cila u rivendos në pikën e rënies në kufi, për shembull, të ajrit dhe ujit (xhami, etj.), do të vendosen në të njëjtin rrafsh;
- Pjesa e dytë. Raporti i sinusit të këndit të rënies me sinusin e të njëjtit kënd të formuar gjatë kalimit të kufirit do të jetë një vlerë konstante.
Përshkrimi i ligjit
Në këtë rast, në momentin që rrezja del nga struktura e dytë në të parën (për shembull, kur fluksi i dritës kalon nga ajri, përmes xhamit dhe përsëri në ajër), do të ndodhë gjithashtu një efekt shtrembërimi.
Një parametër i rëndësishëm për objekte të ndryshme
Treguesi kryesor në këtë situatë është raporti i sinusit të këndit të incidencës me një parametër të ngjashëm, por për shtrembërim. Siç del nga ligji i përshkruar më sipër, ky tregues është një vlerë konstante.
Për më tepër, kur vlera e pjerrësisë së rënies ndryshon, e njëjta situatë do të jetë tipike për një tregues të ngjashëm. Ky parametër ka një rëndësi të madhe sepse është një karakteristikë integrale e substancave transparente.
Treguesit për objekte të ndryshme
Falë këtij parametri, ju mund të dalloni në mënyrë mjaft efektive midis llojeve të qelqit, si dhe gurëve të ndryshëm të çmuar. Është gjithashtu e rëndësishme për përcaktimin e shpejtësisë së dritës në mjedise të ndryshme.
Shënim! Shpejtësia më e lartë e rrjedhës së dritës është në vakum.
Kur lëviz nga një substancë në tjetrën, shpejtësia e saj do të ulet. Për shembull, në diamantin, i cili ka indeksin më të lartë të thyerjes, shpejtësia e përhapjes së fotonit do të jetë 2.42 herë më e lartë se ajo e ajrit. Në ujë, ato do të përhapen 1.33 herë më ngadalë. Për lloje të ndryshme xhami, ky parametër varion nga 1.4 në 2.2.
Shënim! Disa gota kanë një indeks thyerjeje prej 2.2, që është shumë afër diamantit (2.4). Prandaj, nuk është gjithmonë e mundur të dallosh një copë xhami nga një diamant i vërtetë.
Dendësia optike e substancave
Drita mund të depërtojë përmes substancave të ndryshme, të cilat karakterizohen nga dendësi të ndryshme optike. Siç thamë më herët, duke përdorur këtë ligj mund të përcaktoni karakteristikën e densitetit të mediumit (strukturës). Sa më i dendur të jetë, aq më e ngadaltë është shpejtësia me të cilën drita do të përhapet nëpër të. Për shembull, qelqi ose uji do të jenë optikisht më të dendur se ajri.
Përveç faktit që ky parametër është një vlerë konstante, ai pasqyron edhe raportin e shpejtësisë së dritës në dy substanca. Kuptimi fizik mund të shfaqet si formula e mëposhtme:
Ky tregues tregon se si shpejtësia e përhapjes së fotoneve ndryshon kur lëviz nga një substancë në tjetrën.
Një tregues tjetër i rëndësishëm
Kur një fluks drite lëviz nëpër objekte transparente, polarizimi i tij është i mundur. Vërehet gjatë kalimit të një fluksi drite nga media izotropike dielektrike. Polarizimi ndodh kur fotonet kalojnë nëpër xhami.
Efekti i polarizimit
Polarizimi i pjesshëm vërehet kur këndi i incidencës së fluksit të dritës në kufirin e dy dielektrikëve ndryshon nga zero. Shkalla e polarizimit varet nga këndet e incidencës (ligji i Brewsterit).
Reflektim i plotë i brendshëm
Duke përfunduar ekskursionin tonë të shkurtër, është ende e nevojshme të konsiderohet një efekt i tillë si reflektim i plotë i brendshëm.
Fenomeni i shfaqjes së plotë
Që të shfaqet ky efekt, është e nevojshme të rritet këndi i incidencës së fluksit të dritës në momentin e kalimit të tij nga një mjedis më i dendur në një mjedis më pak të dendur në ndërfaqen midis substancave. Në një situatë kur ky parametër tejkalon një vlerë të caktuar kufizuese, atëherë fotonet që ndodhin në kufirin e këtij seksioni do të pasqyrohen plotësisht. Në fakt, ky do të jetë fenomeni ynë i dëshiruar. Pa të, ishte e pamundur të bëhej fibër optike.
konkluzioni
Zbatimi praktik i sjelljes së fluksit të dritës ka dhënë shumë, duke krijuar një shumëllojshmëri pajisjesh teknike për të përmirësuar jetën tonë. Në të njëjtën kohë, drita ende nuk ia ka zbuluar njerëzimit të gjitha mundësitë e saj dhe potenciali i saj praktik ende nuk është realizuar plotësisht.
Si të bëni një llambë letre me duart tuaja
Si të kontrolloni performancën e një shiriti LED
1. Kryejmë eksperimente mbi thyerjen e dritës
Le të bëjmë një eksperiment të tillë. Le të drejtojmë një rreze të ngushtë drite në sipërfaqen e ujit në një enë të gjerë në një kënd të caktuar me sipërfaqen. Do të vërejmë se në pikat e rënies rrezet jo vetëm që reflektohen nga sipërfaqja e ujit, por kalojnë pjesërisht në ujë, duke ndryshuar drejtimin e tyre (Fig. 3.33).
- Ndryshimi në drejtimin e përhapjes së dritës kur ajo kalon nëpër ndërfaqen midis dy mediave quhet thyerje e dritës.
Përmendja e parë e thyerjes së dritës mund të gjendet në veprat e filozofit të lashtë grek Aristotelit, i cili pyeste veten: pse një shkop duket i thyer në ujë? Dhe në një nga traktatet e lashta greke përshkruhet eksperimenti i mëposhtëm: "Duhet të qëndroni në këmbë në mënyrë që unaza e sheshtë e vendosur në fund të enës të fshihet pas skajit të saj. Më pas, pa ndryshuar pozicionin e syve, derdhni ujë në enë.
Oriz. 3.33 Skema e një eksperimenti për të demonstruar thyerjen e dritës. Duke kaluar nga ajri në ujë, një rreze drite ndryshon drejtimin e saj, duke u zhvendosur drejt pingulit të vendosur në pikën e rënies së rrezes
2. Ekzistojnë marrëdhëniet e mëposhtme ndërmjet këndit të rënies dhe këndit të thyerjes:
a) nëse rritet këndi i rënies, rritet edhe këndi i thyerjes;
b) nëse një rreze drite kalon nga një mjedis me një densitet optik më të ulët në një mjedis me një densitet optik më të lartë, atëherë këndi i thyerjes do të jetë më i vogël se këndi i rënies;
c) nëse një rreze drite kalon nga një mjedis me një densitet optik më të lartë në një mjedis me një densitet optik më të ulët, atëherë këndi i thyerjes do të jetë më i madh se këndi i rënies.
(Duhet të theksohet se në shkollën e mesme, pasi të keni marrë një kurs të trigonometrisë, do të njiheni më shumë me thyerjen e dritës dhe do të mësoni për të në nivelin e ligjeve.)
4. Disa dukuri optike i shpjegojmë me përthyerjen e dritës
Kur ne, duke qëndruar në bregun e një rezervuari, përpiqemi të përcaktojmë thellësinë e tij me sy, ai gjithmonë duket më i vogël se sa është në të vërtetë. Ky fenomen shpjegohet me thyerjen e dritës (Fig. 3.37).
Oriz. 3. 39. Pajisjet optike funksionimi i të cilave bazohet në dukurinë e përthyerjes së dritës
- Pyetjet e testit
1. Çfarë dukurie vërejmë kur drita kalon përmes ndërfaqes ndërmjet dy mediave?
L.I. Mandelstam studioi përhapjen e valëve elektromagnetike, kryesisht dritën e dukshme. Ai zbuloi një sërë efektesh, disa prej të cilave tani mbajnë emrin e tij (shpërndarja e Raman, efekti Mandelstam-Brillouin, etj.).
Opsioni 1. Pajisjet: një pajisje për studimin e ligjeve të optikës gjeometrike, një ndreqës VS-24 ose VS 4-12, një pasqyrë e sheshtë e bërë nga pjesë të pajisjes.
Kur përgatitni një pajisje optike gjeometrike për funksionim, rregulloni ndriçimin e ekranit. Për ta bërë këtë, lironi nyjen e topit dhe rrotulloni ose lëvizni ndriçuesin derisa rripi i mesëm i dritës të kalojë nëpër të gjithë ekranin (përgjatë diametrit të tij). Ndriçuesi është i fiksuar në këtë pozicion. Nëse në të njëjtën kohë shiriti i dritës është i turbullt dhe jo i mprehtë, atëherë duke lëshuar vidën që fikson fishekun elektrik në ndriçues, rrotullojeni, uleni ose ngrini fishekun elektrik derisa të merret një shirit i qartë drite në ekran. Nëse shiritat anësor të dritës nuk arrijnë skajin e ekranit, atëherë pjerrësia e ndriçuesit duhet të ndryshohet. Pas rregullimit, të gjitha vidhat janë të lidhura mirë.
Instalimi është montuar sipas figurës 278. Duke përdorur një kapëse, një pasqyrë e sheshtë është instaluar nga një grup pjesësh optike në mënyrë që sipërfaqja e saj reflektuese të përkojë me boshtin horizontal. Mbetet vetëm një rreze e mesme. Ata ndryshojnë këndin e rënies nga 0 në 90°, shënojnë këndin e reflektimit, krahasojnë këto kënde dhe nxjerrin një përfundim.
Eksperimenti përsëritet, duke demonstruar vetitë e kthyeshmërisë së rrezeve të dritës, për të cilat ndriçuesi transferohet nga një pjesë e diskut në tjetrën. (Kur demonstroni eksperimente në optikën gjeometrike, dhoma duhet të errësohet.)
Oriz. 278 Fig. 280
Eksperimenti 2. Përthyerjet e dritës
Opsioni 1. Pajisjet:
Një gjysmë cilindër transparent vendoset në ekran me anën mat përballë ekranit dhe me pjesën e sheshtë të prerë lart në mënyrë që të përputhet me boshtin horizontal. Qendra e gjysmë cilindrit është në linjë me qendrën e ekranit duke përdorur shenja në sipërfaqen mat e gjysmë cilindrit (Fig. 280).
Kur demonstroni eksperimentin, përdorni rrezen e mesme. Rrezja drejtohet në qendër të gjysmë cilindrit pingul me rrafshin (rrezja kalon pa ndryshuar drejtimin). Devijoni rrezen rënëse nga pingulja dhe vini re se rrezja e përthyer del nga gjysmë cilindri në një kënd tjetër. Krahasohen këndet e rënies dhe të thyerjes dhe nxirret përfundimi.
Përsëriteni eksperimentin në një kënd tjetër incidence. (Gjatë eksperimentit, duhet t'i kushtoni vëmendje bifurkacionit të rrezes së dritës në ndërfaqen midis dy mediave.)
Eksperimenti 3. Dukuria e reflektimit total të dritës
Opsioni 1. Pajisjet: një pajisje për studimin e ligjeve të optikës gjeometrike, ndreqës VS-24 ose VS 4-12, gjysmë cilindri nga një grup pjesësh optike.
Duke i kushtuar vëmendje raportit të këndeve të rënies dhe thyerjes në eksperimentin e mëparshëm (Fig. 280), pozicioni i gjysmëcilindri ndryshohet. Ana e saj konveks është e instaluar drejt ndriçuesit (prerja e sheshtë përkon me boshtin horizontal). Këndet e rënies ndryshohen, krahasuar me këndet e thyerjes dhe nxirret një përfundim.
Raporti i këndeve të incidencës dhe thyerjes krahasohet në varësi të raportit të densitetit optik të medias (rezultatet e këtij dhe eksperimenteve të mëparshme). Ata nxjerrin një përfundim.
Sigurohuni që me rritjen e këndit të rënies, shkëlqimi i rrezes së reflektuar të rritet dhe ai i rrezes së përthyer të zvogëlohet. Rriteni këndin e rënies derisa rrezja e përthyer të zhduket. Me një rritje të mëtejshme në këndin e rënies, do të vërehet vetëm rrezja e reflektuar. Vërehet fenomeni i reflektimit total të dritës.
Pyetje. Cili është këndi kufizues i reflektimit total? (Jepni përgjigjen tuaj për një shifër të rëndësishme.)
Opsioni 2. Pajisjet: pajisje projeksioni, akuariumi.
Instalimi është montuar sipas figurës 281. Një shtresë uji me trashësi 7-8 cm hidhet në një banjë xhami (akuarium) dhe lyhet me koncentrat pishe. Një çarje horizontale është instaluar përpara kondensatorit të aparatit të projektimit, dhe një pasqyrë e sheshtë është vendosur në kornizën e lenteve. Një rreze drite drejtohet në murin anësor të banjës së xhamit. Vërehet thyerja e një rreze drite në ujë, reflektimi total nga sipërfaqja e ujit dhe thyerja kur rrezja del nga banja. Duke ndryshuar këndin e incidencës, mund të vëzhgoni reflektime të shumta totale të rrezes së dritës nga sipërfaqja e ujit dhe fundi i banjës.
