I en fysikvideolektion från Academy of Entertaining Sciences fortsätter professor Daniil Edisonovich samtalet om ljus som påbörjades i föregående avsnitt av programmet. TV-tittare vet redan vad ljusreflektion är, men vad är ljusbrytning? Det är ljusets brytning som förklarar några av de märkliga optiska fenomen som vi kan observera i vår vardag.
Fenomenet ljusbrytning
Varför verkar benen på människor som står i vattnet kortare än de egentligen är, och om man tittar på botten av floden verkar det närmare? Allt handlar om fenomenet ljusbrytning. Ljus försöker alltid röra sig i en rak linje, den kortaste vägen. Men att ta sig från en fysisk miljö till en annan del av solens strålar ändrar riktning. I det här fallet har vi att göra med fenomenet ljusbrytning. Det är därför en sked i ett glas te verkar trasig - ljuset från den del av skeden som finns i teet når våra ögon i en annan vinkel än ljuset från den del av skeden som är ovanför vätskans yta . I detta fall sker ljusbrytningen vid gränsen mellan luft och vatten. När den reflekteras färdas en ljusstråle den kortaste vägen, och när den bryts rör den sig snabbast. Genom att använda lagarna för reflektion och ljusbrytning har människor skapat många saker utan vilka vårt liv idag är otänkbart. Teleskop, periskop, mikroskop, förstoringsglas, allt detta skulle vara omöjligt att skapa utan kunskap om lagarna för brytning och reflektion av ljus. Ett förstoringsglas förstoras eftersom ljusstrålar, efter att ha passerat genom det, kommer in i ögat i en vinkel som är större än de strålar som reflekteras från själva föremålet. För att göra detta måste objektet placeras mellan förstoringsglaset och dess optiska fokus. Optisk fokus; detta är den punkt där initialt parallella strålar skär varandra (fokuserar) efter att ha passerat genom ett uppsamlingssystem (eller där deras förlängningar skär varandra om systemet sprider sig). En lins (som en glasögonlins) har två sidor, så en ljusstråle bryts två gånger – när den kommer in i och ut ur linsen. Linsens yta kan vara krökt, konkav eller platt, vilket bestämmer exakt hur fenomenet ljusbrytning kommer att uppstå i den. Om en lins har konvexa sidor på båda sidor är det en konvergerande lins. Brytat i en sådan lins koncentreras ljusstrålarna vid en punkt. Detta kallas linsens huvudfokus. En lins med konkava sidor kallas en divergerande lins. Vid första anblicken saknar den fokus, eftersom strålarna som passerar genom den är utspridda och divergerar åt sidorna. Men om vi omdirigerar dessa strålar tillbaka, kommer de, som återigen passerar genom linsen, att samlas vid en punkt som kommer att vara fokus för denna lins. Det finns en lins i det mänskliga ögat, den kallas linsen. Det kan jämföras med en filmprojektor, som projicerar en bild på en duk – ögats bakvägg (näthinnan). Så det visar sig att sjön är en gigantisk lins som orsakar fenomenet ljusbrytning. Det är därför som benen på fiskarna som står i den verkar korta. Regnbågar dyker också upp på himlen på grund av linser. Deras roll spelas av små droppar vatten eller snöpartiklar. Regnbågar uppstår när solljus bryts och reflekteras av vattendroppar (regn eller dimma) som flyter i atmosfären. Dessa droppar böjer ljus av olika färger olika. Som ett resultat sönderdelas vitt ljus till ett spektrum (ljusspridning uppstår). En observatör som står med ryggen mot ljuskällan ser ett flerfärgat sken som utgår från rymden i cirklar (bågar).
Processer som är förknippade med ljus är en viktig komponent i fysiken och omger oss överallt i vår vardag. De viktigaste i denna situation är lagarna för reflektion och brytning av ljus, som modern optik bygger på. Ljusbrytningen är en viktig del av modern vetenskap.
Distorsionseffekt
Den här artikeln kommer att berätta vad fenomenet ljusbrytning är, samt hur brytningslagen ser ut och vad som följer av den.
Grunderna i ett fysiskt fenomen
När en stråle faller på en yta som är åtskilda av två transparenta ämnen som har olika optisk densitet (till exempel olika glas eller i vatten), kommer en del av strålarna att reflekteras, och en del kommer att tränga in i den andra strukturen (till exempel, de kommer att föröka sig i vatten eller glas). När man förflyttar sig från ett medium till ett annat ändrar en stråle vanligtvis sin riktning. Detta är fenomenet ljusbrytning.
Ljusets reflektion och brytning är särskilt synlig i vatten.
Distorsionseffekt i vatten
När man tittar på saker i vatten verkar de förvrängda. Detta märks särskilt vid gränsen mellan luft och vatten. Visuellt verkar undervattensobjekt vara något avböjda. Det beskrivna fysiska fenomenet är just anledningen till att alla föremål verkar förvrängda i vatten. När strålarna träffar glaset är denna effekt mindre märkbar.
Ljusbrytning är ett fysiskt fenomen som kännetecknas av en förändring i rörelseriktningen för en solstråle i det ögonblick den rör sig från ett medium (struktur) till ett annat.
För att förbättra vår förståelse av denna process, överväg ett exempel på en stråle som träffar vatten från luft (på samma sätt för glas). Genom att rita en vinkelrät längs gränsytan kan ljusstrålens brytningsvinkel och retur mätas. Detta index (brytningsvinkel) kommer att ändras när flödet tränger in i vattnet (inuti glaset).
Notera! Denna parameter förstås som vinkeln som bildas av en vinkelrät dragning mot separationen av två ämnen när en stråle penetrerar från den första strukturen till den andra.
Strålpassage
Samma indikator är typisk för andra miljöer. Det har fastställts att denna indikator beror på ämnets densitet. Om strålen faller från en mindre tät till en tätare struktur, blir den skapade förvrängningsvinkeln större. Och om det är tvärtom, så är det mindre.
Samtidigt kommer en förändring i nedgångens lutning också att påverka denna indikator. Men förhållandet mellan dem förblir inte konstant. Samtidigt kommer förhållandet mellan deras sinus att förbli ett konstant värde, vilket återspeglas av följande formel: sinα / sinγ = n, där:
- n är ett konstant värde som beskrivs för varje specifikt ämne (luft, glas, vatten, etc.). Därför kan vad detta värde blir bestämmas med hjälp av speciella tabeller;
- α – infallsvinkel;
- γ – brytningsvinkel.
För att bestämma detta fysiska fenomen skapades brytningslagen.
Fysisk lag
Lagen om brytning av ljusflöden tillåter oss att bestämma egenskaperna hos transparenta ämnen. Själva lagen består av två bestämmelser:
- Första delen. Strålen (infall, modifierad) och vinkelrät, som återställdes vid infallspunkten på gränsen, till exempel av luft och vatten (glas, etc.), kommer att vara placerade i samma plan;
- Den andra delen. Förhållandet mellan sinus för infallsvinkeln och sinus för samma vinkel som bildas när man passerar gränsen kommer att vara ett konstant värde.
Beskrivning av lagen
I det här fallet, i det ögonblick som strålen lämnar den andra strukturen in i den första (till exempel när ljusflödet passerar från luften, genom glaset och tillbaka in i luften), kommer också en distorsionseffekt att uppstå.
En viktig parameter för olika objekt
Huvudindikatorn i denna situation är förhållandet mellan sinus för infallsvinkeln och en liknande parameter, men för distorsion. Som följer av lagen som beskrivs ovan är denna indikator ett konstant värde.
Dessutom, när värdet på nedgångslutningen ändras, kommer samma situation att vara typisk för en liknande indikator. Denna parameter är av stor betydelse eftersom den är en integrerad egenskap hos transparenta ämnen.
Indikatorer för olika objekt
Tack vare denna parameter kan du ganska effektivt skilja mellan typer av glas, såväl som olika ädelstenar. Det är också viktigt för att bestämma ljusets hastighet i olika miljöer.
Notera! Den högsta hastigheten för ljusflödet är i ett vakuum.
När du flyttar från ett ämne till ett annat kommer dess hastighet att minska. Till exempel, i diamant, som har det högsta brytningsindexet, kommer fotonutbredningshastigheten att vara 2,42 gånger högre än luftens. I vatten kommer de att spridas 1,33 gånger långsammare. För olika typer av glas sträcker sig denna parameter från 1,4 till 2,2.
Notera! Vissa glas har ett brytningsindex på 2,2, vilket är mycket nära diamant (2,4). Därför är det inte alltid möjligt att skilja en glasbit från en riktig diamant.
Optisk densitet av ämnen
Ljus kan tränga igenom olika ämnen, som kännetecknas av olika optiska densiteter. Som vi sa tidigare kan du med hjälp av denna lag bestämma mediets (strukturens) densitetsegenskaper. Ju tätare den är, desto långsammare hastighet med vilken ljus sprids genom den. Till exempel kommer glas eller vatten att vara mer optiskt täta än luft.
Förutom att denna parameter är ett konstant värde, återspeglar den också förhållandet mellan ljusets hastighet i två ämnen. Den fysiska betydelsen kan visas som följande formel:
Den här indikatorn visar hur fortplantningshastigheten för fotoner förändras när de flyttas från ett ämne till ett annat.
En annan viktig indikator
När ett ljusflöde rör sig genom genomskinliga föremål är dess polarisering möjlig. Det observeras under passagen av ett ljusflöde från dielektriska isotropa medier. Polarisering uppstår när fotoner passerar genom glas.
Polarisationseffekt
Partiell polarisation observeras när ljusflödets infallsvinkel vid gränsen för två dielektrikum skiljer sig från noll. Graden av polarisering beror på vad infallsvinklarna var (Brewsters lag).
Full intern reflektion
Som avslutning på vår korta utflykt är det fortfarande nödvändigt att betrakta en sådan effekt som full intern reflektion.
Fenomenet med full visning
För att denna effekt ska uppträda är det nödvändigt att öka infallsvinkeln för ljusflödet i ögonblicket för dess övergång från ett mer tätt till ett mindre tätt medium vid gränsytan mellan ämnen. I en situation där denna parameter överskrider ett visst gränsvärde, kommer fotoner som faller in på gränsen för denna sektion att reflekteras helt. Egentligen kommer detta att vara vårt önskade fenomen. Utan det var det omöjligt att göra fiberoptik.
Slutsats
Den praktiska tillämpningen av beteendet hos ljusflödet har gett mycket, skapat en mängd olika tekniska enheter för att förbättra våra liv. Samtidigt har ljuset ännu inte avslöjat alla sina möjligheter för mänskligheten och dess praktiska potential har ännu inte förverkligats fullt ut.
Hur man gör en papperslampa med egna händer
Hur man kontrollerar prestanda för en LED-remsa
1. Vi genomför experiment på ljusets brytning
Låt oss genomföra ett sådant experiment. Låt oss rikta en smal ljusstråle mot vattenytan i ett brett kärl i en viss vinkel mot ytan. Vi kommer att märka att vid infallspunkterna reflekteras strålarna inte bara från vattenytan, utan passerar också delvis ut i vattnet och ändrar riktning (Fig. 3.33).
- Förändringen i ljusets utbredningsriktning när det passerar genom gränsytan mellan två medier kallas ljusbrytning.
Det första omnämnandet av ljusets brytning kan hittas i verk av den antika grekiske filosofen Aristoteles, som undrade: varför ser en pinne ut som trasig i vatten? Och i en av de antika grekiska avhandlingarna beskrivs följande experiment: "Du måste stå så att den platta ringen som är placerad på kärlets botten döljs bakom dess kant. Häll sedan vatten i kärlet, utan att ändra ögonens position.
Ris. 3.33 Schema för ett experiment för att demonstrera ljusets brytning. När en ljusstråle passerar från luft till vatten ändrar den sin riktning och förskjuts mot den vinkelräta som fastställts vid strålens infallspunkt
2. Det finns följande samband mellan infallsvinkeln och brytningsvinkeln:
a) om infallsvinkeln ökar ökar också brytningsvinkeln;
b) om en ljusstråle passerar från ett medium med en lägre optisk densitet till ett medium med en högre optisk densitet, då kommer brytningsvinkeln att vara mindre än infallsvinkeln;
c) om en ljusstråle passerar från ett medium med högre optisk densitet till ett medium med lägre optisk densitet, så kommer brytningsvinkeln att vara större än infallsvinkeln.
(Det bör noteras att i gymnasiet, efter att ha tagit en trigonometrikurs, kommer du att bli mer bekant med ljusets brytning och lära dig om det på lagnivå.)
4. Vi förklarar några optiska fenomen genom ljusets brytning
När vi, som står på stranden av en reservoar, försöker bestämma dess djup med ögat, verkar den alltid vara mindre än den faktiskt är. Detta fenomen förklaras av ljusets brytning (fig. 3.37).
Ris. 3. 39. Optiska anordningar vars funktion är baserad på fenomenet ljusbrytning
- Testfrågor
1. Vilket fenomen observerar vi när ljus passerar genom gränsytan mellan två medier?
L.I. Mandelstam studerade utbredningen av elektromagnetiska vågor, främst synligt ljus. Han upptäckte ett antal effekter, av vilka några nu bär hans namn (Raman-spridning, Mandelstam-Brillouin-effekten, etc.).
Alternativ 1. Utrustning: en enhet för att studera geometrisk optiks lagar, en likriktare VS-24 eller VS 4-12, en platt spegel gjord av delar av enheten.
När du förbereder en geometrisk optikenhet för drift, justera skärmbelysningen. För att göra detta, lossa kulleden och rotera eller flytta belysningsinstrumentet tills den mittersta ljusremsan passerar genom hela skärmen (längs dess diameter). Belysningsinstrumentet är fixerat i detta läge. Om ljusremsan samtidigt är suddig och inte skarp, rotera, sänk eller höj den elektriska patronen genom att lossa skruven som fixerar elpatronen i belysningsinstrumentet tills en klar remsa av ljus erhålls på skärmen. Om sidolisterna av ljus inte når kanten av skärmen, bör lutningen på belysningsinstrumentet ändras. Efter justering är alla skruvar ordentligt fastsatta.
Installationen monteras enligt figur 278. Med hjälp av en klämma installeras en platt spegel från en uppsättning optiska delar så att dess reflekterande yta sammanfaller med den horisontella axeln. Endast en mittstråle är kvar. De ändrar infallsvinkeln från 0 till 90°, noterar reflektionsvinkeln, jämför dessa vinklar och drar en slutsats.
Experimentet upprepas och demonstrerar reversibilitetsegenskaperna hos ljusstrålar, för vilka belysningsinstrumentet överförs från en del av skivan till en annan. (När man demonstrerar experiment i geometrisk optik bör rummet mörkas.)
Ris. 278 Fig. 280
Experiment 2. Brytningar av ljus
Alternativ 1. Utrustning:
En transparent halvcylinder placeras på skärmen med den matta sidan mot skärmen och den platta uppskuren så att den sammanfaller med den horisontella axeln. Mitten av halvcylindern är i linje med mitten av skärmen med hjälp av märken på den matta ytan av halvcylindern (bild 280).
Använd mittstrålen när du demonstrerar experimentet. Strålen riktas mot mitten av halvcylindern vinkelrätt mot planet (strålen passerar utan att ändra riktning). Böj den infallande strålen från vinkelrät och lägg märke till att den brutna strålen lämnar halvcylindern i en annan vinkel. Infalls- och brytningsvinklarna jämförs och en slutsats dras.
Upprepa experimentet med en annan infallsvinkel. (Under experimentet bör du vara uppmärksam på förgrening av ljusstrålen vid gränssnittet mellan de två medierna.)
Experiment 3. Fenomenet total reflektion av ljus
Alternativ 1. Utrustning: en anordning för att studera lagarna för geometrisk optik, likriktare VS-24 eller VS 4-12, halvcylinder från en uppsättning optiska delar.
Efter att ha uppmärksammat förhållandet mellan infalls- och brytningsvinklarna i det föregående experimentet (fig. 280), ändras halvcylinderns position. Dess konvexa sida är installerad mot belysningsinstrumentet (det platta snittet sammanfaller med den horisontella axeln). Infallsvinklarna ändras, jämfört med brytningsvinklarna, och en slutsats dras.
Förhållandet mellan infalls- och brytningsvinklarna jämförs beroende på förhållandet mellan mediets optiska densitet (resultaten från detta och tidigare experiment). De drar en slutsats.
Se till att när infallsvinkeln ökar ökar ljusstyrkan för den reflekterade strålen och den för den bryta strålen minskar. Öka infallsvinkeln tills den brutna strålen försvinner. Med en ytterligare ökning av infallsvinkeln kommer endast den reflekterade strålen att observeras. Fenomenet med total reflektion av ljus observeras.
Fråga. Vilken är den gränsande vinkeln för total reflektion? (Ge ditt svar på en betydande siffra.)
Alternativ 2. Utrustning: projektionsanordning, akvarium.
Installationen monteras enligt figur 281. Ett vattenlager 7-8 cm tjockt hälls i ett glasbad (akvarium) och tonas med tallkoncentrat. En horisontell slits är installerad framför kondensorn på projektionsapparaten och en platt spegel placeras på linsramen. En ljusstråle riktas mot glasbadets sidovägg. Brytningen av en ljusstråle i vatten, total reflektion från vattenytan och brytning när strålen lämnar badet observeras. Genom att ändra infallsvinkeln kan man observera flera totala reflektioner av ljusstrålen från vattenytan och botten av badet.
