Ko'ngilochar fanlar akademiyasining fizika video darsida professor Daniil Edisonovich dasturning oldingi qismida boshlangan yorug'lik haqidagi suhbatni davom ettiradi. Teletomoshabinlar yorug'likning aks etishi nima ekanligini allaqachon bilishadi, lekin yorug'likning sinishi nima? Kundalik hayotimizda kuzatishimiz mumkin bo'lgan ba'zi g'alati optik hodisalarni tushuntiradigan yorug'likning sinishi.
Yorug'likning sinishi hodisasi
Nima uchun suvda turgan odamlarning oyoqlari haqiqatdan ham qisqaroq ko'rinadi va daryo tubiga qarasangiz, yaqinroq ko'rinadi? Hamma narsa yorug'likning sinishi fenomeni haqida. Nur har doim to'g'ri chiziqda, eng qisqa yo'lda harakat qilishga harakat qiladi. Ammo quyosh nurlarining bir jismoniy muhitdan boshqa qismiga o'tish yo'nalishini o'zgartiradi. Bu holda biz yorug'likning sinishi hodisasi bilan shug'ullanamiz. Shuning uchun bir stakan choy ichidagi qoshiq singan ko'rinadi - qoshiqning choy ichidagi qismidan yorug'lik bizning ko'zimizga qoshiqning suyuqlik yuzasidan yuqoridagi qismidan boshqa burchak ostida etib boradi. . Bu holda yorug'likning sinishi havo va suv chegarasida sodir bo'ladi. Yorug'lik nuri aks etganda eng qisqa yo'lni bosib o'tadi, singanida esa eng tez harakat qiladi. Yorug'likning aks etishi va sinishi qonunlaridan foydalanib, odamlar ko'p narsalarni yaratdilar, ularsiz bugungi hayotimizni tasavvur qilib bo'lmaydi. Teleskoplar, periskoplar, mikroskoplar, kattalashtiruvchi oynalar - bularning barchasini yorug'likning sinishi va aks etish qonunlarini bilmasdan yaratish mumkin emas edi. Kattalashtiruvchi shisha kattalashtiradi, chunki u orqali o'tib, yorug'lik nurlari ko'zga ob'ektning o'zidan aks ettirilgan nurlardan kattaroq burchak ostida kiradi. Buning uchun ob'ektni lupa va uning optik fokusi orasiga qo'yish kerak. Optik fokus; bu yig'uvchi tizimdan o'tgandan so'ng (yoki tizim tarqalayotgan bo'lsa, ularning kengaytmalari kesishgan) dastlabki parallel nurlarning kesishgan (fokus) nuqtasidir. Ob'ektivning (masalan, ko'zoynak linzalari) ikki tomoni bor, shuning uchun yorug'lik nuri ikki marta sinadi - u linzaga kirib, undan chiqadi. Ob'ektivning yuzasi egri, konkav yoki tekis bo'lishi mumkin, bu yorug'likning sinishi hodisasi qanday sodir bo'lishini aniq belgilaydi. Ob'ektivning ikkala tomoni qavariq bo'lsa, u birlashtiruvchi linzadir. Bunday linzada singan yorug'lik nurlari bir nuqtada to'planadi. Bu linzalarning asosiy diqqat markazi deb ataladi. Yonlari botiq bo'lgan linzalar ajraladigan linzalar deyiladi. Bir qarashda, u diqqat markazida emas, chunki u orqali o'tadigan nurlar tarqalib, yon tomonlarga tarqaladi. Ammo agar biz bu nurlarni orqaga yo'naltirsak, ular yana linzalardan o'tib, ushbu linzaning diqqat markazida bo'ladigan nuqtada to'planadi. Inson ko'zida linza mavjud, u linzalar deb ataladi. Buni tasvirni ekranga - ko'zning orqa devoriga (to'r parda) aks ettiruvchi kinoproyektor bilan solishtirish mumkin. Shunday qilib, ko'l yorug'lik sinishi fenomenini keltirib chiqaradigan ulkan linza ekanligi ma'lum bo'ldi. Shuning uchun unda turgan baliqchilarning oyoqlari qisqa ko'rinadi. Osmonda linzalar tufayli kamalak ham paydo bo'ladi. Ularning rolini mayda suv tomchilari yoki qor zarralari bajaradi. Kamalaklar quyosh nurlari atmosferada suzuvchi suv tomchilari (yomg'ir yoki tuman) tomonidan sinishi va aks etganda paydo bo'ladi. Bu tomchilar turli rangdagi yorug'likni turlicha egadi. Natijada, oq yorug'lik spektrga parchalanadi (yorug'lik dispersiyasi sodir bo'ladi). Orqasini yorug'lik manbasiga qo'yib turgan kuzatuvchi kosmosdan aylana (yoylar) shaklida taralayotgan ko'p rangli nurni ko'radi.
Yorug'lik bilan bog'liq jarayonlar fizikaning muhim tarkibiy qismi bo'lib, bizni kundalik hayotimizda hamma joyda o'rab oladi. Bu vaziyatda eng muhimi, zamonaviy optika asosidagi yorug'likning aks etishi va sinishi qonunlari. Yorug'likning sinishi zamonaviy fanning muhim qismidir.
Buzilish effekti
Ushbu maqola sizga yorug'lik sinishi hodisasi nima ekanligini, shuningdek, sinishi qonuni qanday ko'rinishini va undan kelib chiqadigan narsalarni aytib beradi.
Fizik hodisaning asoslari
Nur turli xil optik zichlikka ega bo'lgan ikkita shaffof modda bilan (masalan, turli xil ko'zoynaklar yoki suvda) ajratilgan sirtga tushsa, nurlarning bir qismi aks etadi, ba'zilari esa ikkinchi tuzilishga kiradi (masalan, ular suvda yoki stakanda tarqaladi). Bir muhitdan ikkinchisiga o'tishda nur odatda o'z yo'nalishini o'zgartiradi. Bu yorug'likning sinishi hodisasidir.
Yorug'likning aks etishi va sinishi ayniqsa suvda ko'rinadi.
Suvdagi buzilish effekti
Suvdagi narsalarga qaraganda, ular buzilgan ko'rinadi. Bu, ayniqsa, havo va suv chegarasida seziladi. Vizual ravishda, suv osti ob'ektlari biroz egilgan ko'rinadi. Ta'riflangan jismoniy hodisa suvda barcha jismlarning buzilgan ko'rinishining aniq sababidir. Nurlar oynaga tushganda, bu ta'sir kamroq seziladi.
Yorug'likning sinishi - bu quyosh nurlarining bir muhitdan (tuzilma) ikkinchisiga o'tish paytidagi harakat yo'nalishining o'zgarishi bilan tavsiflangan fizik hodisa.
Ushbu jarayon haqidagi tushunchamizni yaxshilash uchun havodan suv urayotgan nurning misolini ko'rib chiqing (xuddi shisha uchun). Interfeys bo'ylab perpendikulyar chiziq chizish orqali yorug'lik nurining sinishi va qaytish burchagini o'lchash mumkin. Bu indeks (sinishi burchagi) oqim suvga (shisha ichidagi) kirib borishi bilan o'zgaradi.
Eslatma! Ushbu parametr nurning birinchi strukturadan ikkinchisiga o'tishida ikkita moddaning ajralishiga perpendikulyar chizilgan burchakka tushuniladi.
Nurli o'tish
Xuddi shu ko'rsatkich boshqa muhitlar uchun xosdir. Bu ko'rsatkich moddaning zichligiga bog'liq ekanligi aniqlandi. Agar nur kamroq zichlikdan zichroq tuzilishga tushsa, u holda yaratilgan buzilish burchagi kattaroq bo'ladi. Va agar buning aksi bo'lsa, unda u kamroq bo'ladi.
Shu bilan birga, pasayish moyilligining o'zgarishi ham ushbu ko'rsatkichga ta'sir qiladi. Ammo ular orasidagi munosabatlar doimiy bo'lib qolmaydi. Shu bilan birga, ularning sinuslarining nisbati doimiy qiymat bo'lib qoladi, bu quyidagi formula bilan aks ettiriladi: sina / sing = n, bu erda:
- n - har bir aniq modda (havo, shisha, suv va boshqalar) uchun tavsiflangan doimiy qiymat. Shuning uchun, bu qiymat qanday bo'lishini maxsus jadvallar yordamida aniqlash mumkin;
- a - tushish burchagi;
- g – sinish burchagi.
Ushbu fizik hodisani aniqlash uchun sinish qonuni yaratildi.
Jismoniy qonun
Yorug'lik oqimlarining sinishi qonuni shaffof moddalarning xususiyatlarini aniqlashga imkon beradi. Qonunning o'zi ikkita qoidadan iborat:
- Birinchi qism. Havo va suv (shisha va boshqalar) chegarasida, masalan, tushish nuqtasida tiklangan nur (hodisalar, o'zgartirilgan) va perpendikulyar bir xil tekislikda joylashgan bo'ladi;
- Ikkinchi qism. Ketish burchagi sinusining chegarani kesib o'tishda hosil bo'lgan bir xil burchak sinusiga nisbati doimiy qiymat bo'ladi.
Qonunning tavsifi
Bunday holda, hozirgi vaqtda nur ikkinchi tuzilishdan birinchisiga chiqadi (masalan, yorug'lik oqimi havodan, shisha orqali va havoga qaytganda), buzilish effekti ham paydo bo'ladi.
Turli ob'ektlar uchun muhim parametr
Bunday vaziyatda asosiy ko'rsatkich - tushish burchagi sinusining shunga o'xshash parametrga nisbati, ammo buzilish uchun. Yuqorida tavsiflangan qonundan kelib chiqqan holda, bu ko'rsatkich doimiy qiymatdir.
Bundan tashqari, pasayish nishabining qiymati o'zgarganda, xuddi shunday ko'rsatkich uchun xuddi shunday holat odatiy bo'ladi. Bu parametr katta ahamiyatga ega, chunki u shaffof moddalarning ajralmas xarakteristikasi hisoblanadi.
Turli ob'ektlar uchun ko'rsatkichlar
Ushbu parametr tufayli siz shisha turlarini, shuningdek turli xil qimmatbaho toshlarni juda samarali ajrata olasiz. Turli muhitlarda yorug'lik tezligini aniqlash uchun ham muhimdir.
Eslatma! Yorug'lik oqimining eng yuqori tezligi vakuumda.
Bir moddadan ikkinchisiga o'tganda uning tezligi pasayadi. Masalan, eng yuqori sindirish ko'rsatkichiga ega bo'lgan olmosda fotonning tarqalish tezligi havonikidan 2,42 baravar yuqori bo'ladi. Suvda ular 1,33 marta sekin tarqaladi. Har xil turdagi shisha uchun bu parametr 1,4 dan 2,2 gacha.
Eslatma! Ba'zi ko'zoynaklarning sinishi indeksi 2,2 ga teng, bu olmosga juda yaqin (2,4). Shuning uchun har doim ham shisha bo'lagini haqiqiy olmosdan farqlash mumkin emas.
Moddalarning optik zichligi
Yorug'lik turli xil optik zichliklari bilan ajralib turadigan turli moddalar orqali o'tishi mumkin. Yuqorida aytib o'tganimizdek, ushbu qonundan foydalanib, siz muhitning (tuzilmaning) zichlik xarakteristikasini aniqlashingiz mumkin. U qanchalik zichroq bo'lsa, yorug'lik u orqali tarqalish tezligi shunchalik sekin bo'ladi. Masalan, shisha yoki suv havodan ko'ra optik jihatdan zichroq bo'ladi.
Ushbu parametr doimiy qiymat bo'lishidan tashqari, u ikkita moddadagi yorug'lik tezligining nisbatini ham aks ettiradi. Jismoniy ma'noni quyidagi formula sifatida ko'rsatish mumkin:
Bu ko'rsatkich bir moddadan ikkinchisiga o'tganda fotonlarning tarqalish tezligi qanday o'zgarishini aytadi.
Yana bir muhim ko'rsatkich
Yorug'lik oqimi shaffof jismlar bo'ylab harakat qilganda, uning qutblanishi mumkin. Dielektrik izotrop muhitdan yorug'lik oqimining o'tishi paytida kuzatiladi. Polarizatsiya fotonlar shishadan o'tganda sodir bo'ladi.
Polarizatsiya effekti
Ikki dielektrik chegarasida yorug'lik oqimining tushish burchagi noldan farq qilganda qisman qutblanish kuzatiladi. Polarizatsiya darajasi tushish burchaklari qanday bo'lganiga bog'liq (Brewster qonuni).
To'liq ichki aks ettirish
Qisqa ekskursiyamizni yakunlab, bunday effektni to'liq ichki aks ettirish sifatida ko'rib chiqish kerak.
To'liq ko'rsatish fenomeni
Bunday effekt paydo bo'lishi uchun yorug'lik oqimining moddalar orasidagi chegaradagi zichroq muhitdan kamroq zichroq muhitga o'tish momentida tushish burchagini oshirish kerak. Agar ushbu parametr ma'lum bir cheklov qiymatidan oshib ketgan bo'lsa, u holda ushbu qismning chegarasiga tushgan fotonlar to'liq aks etadi. Aslida, bu biz xohlagan hodisa bo'ladi. Usiz optik tolalarni ishlab chiqarish mumkin emas edi.
Xulosa
Yorug'lik oqimining xatti-harakatlarini amaliy qo'llash hayotimizni yaxshilash uchun turli xil texnik qurilmalarni yaratib, ko'p narsalarni berdi. Shu bilan birga, yorug'lik hali insoniyatga o'zining barcha imkoniyatlarini ochib bermagan va uning amaliy imkoniyatlari hali to'liq amalga oshirilmagan.
O'z qo'lingiz bilan qog'oz chiroqni qanday qilish kerak
LED chizig'ining ishlashini qanday tekshirish mumkin
1. Yorug`likning sinishi bo`yicha tajribalar o`tkazamiz
Keling, shunday tajriba o'tkazaylik. Keng idishdagi suv yuzasiga ma'lum burchak ostida tor yorug'lik nurini yo'naltiramiz. Ko'ramizki, tushish nuqtalarida nurlar nafaqat suv yuzasidan aks etadi, balki ularning yo'nalishini o'zgartirib, qisman suvga o'tadi (3.33-rasm).
- Ikki muhit orasidagi interfeysdan o'tganda yorug'likning tarqalish yo'nalishining o'zgarishi yorug'likning sinishi deyiladi.
Yorug'likning sinishi haqida birinchi eslatmani qadimgi yunon faylasufi Aristotelning asarlarida topish mumkin, u hayron bo'lgan: nima uchun tayoq suvda singan ko'rinadi? Qadimgi yunon risolalaridan birida quyidagi tajriba tasvirlangan: “Idishning pastki qismiga o'rnatilgan tekis halqa uning chetida yashirinishi uchun siz turishingiz kerak. Keyin, ko'zlarning holatini o'zgartirmasdan, idishga suv quying.
Guruch. 3.33 Yorug`likning sinishini ko`rsatuvchi tajriba sxemasi. Havodan suvga o'tgan yorug'lik nuri o'z yo'nalishini o'zgartirib, nurning tushish nuqtasida o'rnatilgan perpendikulyar tomonga siljiydi.
2. Tushish burchagi va sinish burchagi o‘rtasida quyidagi bog‘liqliklar mavjud:
a) tushish burchagi oshsa, sinish burchagi ham ortadi;
b) yorug'lik nuri optik zichligi past bo'lgan muhitdan yuqori optik zichlikka ega bo'lgan muhitga o'tsa, u holda sinish burchagi tushish burchagidan kichik bo'ladi;
v) yorug'lik nuri optik zichligi yuqori bo'lgan muhitdan optik zichligi past bo'lgan muhitga o'tsa, u holda sinish burchagi tushish burchagidan katta bo'ladi.
(Shuni ta'kidlash kerakki, o'rta maktabda trigonometriya kursini o'qiganingizdan so'ng siz yorug'likning sinishi bilan ko'proq tanishasiz va bu haqda qonunlar darajasida bilib olasiz.)
4. Ba'zi optik hodisalarni yorug'likning sinishi bilan izohlaymiz
Biz suv ombori qirg'og'ida turib, uning chuqurligini ko'z bilan aniqlashga harakat qilsak, u har doim avvalgisidan kichikroq bo'lib tuyuladi. Bu hodisa yorug'likning sinishi bilan izohlanadi (3.37-rasm).
Guruch. 3. 39. Ishlashi yorug`likning sinishi hodisasiga asoslangan optik qurilmalar
- Test savollari
1. Ikki muhit orasidagi interfeys orqali yorug'lik o'tganda qanday hodisani kuzatamiz?
L.I. Mandelstam elektromagnit to'lqinlarning, birinchi navbatda, ko'rinadigan yorug'likning tarqalishini o'rgangan. U bir qator effektlarni kashf etdi, ulardan ba'zilari hozir uning nomi bilan ataladi (Ramanning tarqalishi, Mandelstam-Brillouin effekti va boshqalar).
Variant 1. Uskunalar: geometrik optika qonunlarini o'rganish uchun moslama, VS-24 yoki VS 4-12 rektifikator, qurilma qismlaridan yasalgan tekis oyna.
Geometrik optika moslamasini ishlashga tayyorlashda ekran yoritilishini sozlang. Buni amalga oshirish uchun koptokni bo'shating va yorug'likning o'rta chizig'i butun ekrandan (diametri bo'ylab) o'tguncha yoritgichni aylantiring yoki harakatlantiring. Yoritish moslamasi bu holatda o'rnatiladi. Agar bir vaqtning o'zida yorug'lik chizig'i loyqa va o'tkir bo'lmasa, yoritgichdagi elektr kartridjni mahkamlaydigan vintni bo'shatib, ekranda aniq yorug'lik chizig'i paydo bo'lguncha elektr kartrijni aylantiring, tushiring yoki ko'taring. Yon yorug'lik chiziqlari ekranning chetiga etib bormasa, yoritgichning egilishini o'zgartirish kerak. Sozlashdan so'ng, barcha vintlar mahkam bog'langan.
O'rnatish 278-rasmga muvofiq yig'iladi. Bir qisqich yordamida optik qismlar to'plamidan tekis oyna o'rnatiladi, shunda uning aks ettiruvchi yuzasi gorizontal o'qga to'g'ri keladi. Faqat bitta o'rta nur qoldi. Ular tushish burchagini 0 dan 90 ° gacha o'zgartiradilar, aks ettirish burchagini qayd etadilar, bu burchaklarni solishtiradilar va xulosa chiqaradilar.
Tajriba takrorlanib, yorug'lik nurlarining qaytaruvchanlik xususiyatlarini ko'rsatadi, buning uchun yoritgich diskning bir qismidan ikkinchisiga o'tkaziladi. (Geometrik optika bo'yicha tajribalarni namoyish qilishda xonani qorong'ilash kerak.)
Guruch. 278-rasm. 280
Tajriba 2. Yorug'likning sinishi
Variant 1. Uskunalar:
Shaffof yarim silindr ekranga mot tomoni ekranga qaragan holda va gorizontal o'qga to'g'ri keladigan tekis kesilgan holda joylashtiriladi. Yarim tsilindrning markazi yarim silindrning mat yuzasidagi belgilar yordamida ekranning markaziga to'g'ri keladi (280-rasm).
Tajribani namoyish qilishda o'rta nurdan foydalaning. Nur tekislikka perpendikulyar bo'lgan yarim silindrning markaziga yo'naltiriladi (nur yo'nalishini o'zgartirmasdan o'tadi). Tushgan nurni perpendikulyardan burish va singan nurning yarim silindrdan boshqa burchak ostida chiqishiga e'tibor bering. Tushish va sinish burchaklari solishtirilib, xulosa chiqariladi.
Tajribani boshqa tushish burchagida takrorlang. (Tajriba davomida siz ikkita vosita orasidagi interfeysdagi yorug'lik nurining bifurkatsiyasiga e'tibor berishingiz kerak.)
Tajriba 3. Yorug`likning to`liq aks etish hodisasi
Variant 1. Uskunalar: geometrik optika qonunlarini o'rganish uchun moslama, rektifikator VS-24 yoki VS 4-12, optik qismlar to'plamidan yarim silindr.
Oldingi tajribada (280-rasm) tushish va sinish burchaklarining nisbatiga e'tibor berib, yarim silindrning holati o'zgartiriladi. Uning konveks tomoni yoritgichga qarab o'rnatiladi (tekis kesim gorizontal o'qga to'g'ri keladi). Tushish burchaklari o'zgartiriladi, sinish burchaklari bilan taqqoslanadi va xulosa chiqariladi.
Tushish va sinish burchaklarining nisbati muhitning optik zichligi nisbatiga qarab taqqoslanadi (bu va oldingi tajribalar natijalari). Ular xulosa chiqaradilar.
Tushish burchagi ortishi bilan aks ettirilgan nurning yorqinligi ortib, singan nurning yorqinligi kamayishiga ishonch hosil qiling. Singan nur yo'qolguncha tushish burchagini oshiring. Tushish burchagi yanada oshishi bilan faqat aks ettirilgan nur kuzatiladi. Yorug'likning to'liq aks etishi hodisasi kuzatiladi.
Savol. Umumiy aks ettirishning cheklovchi burchagi nima? (Bir muhim raqamga javobingizni bering.)
Variant 2. Uskunalar: proyeksiya qurilmasi, akvarium.
O'rnatish 281-rasmga muvofiq yig'iladi. 7-8 sm qalinlikdagi suv qatlami shisha hammomga (akvarium) quyiladi va qarag'ay konsentrati bilan bo'yaladi. Proyeksiya apparatining kondensatori oldida gorizontal tirqish o'rnatilgan va linzalar ramkasida tekis oyna o'rnatilgan. Shisha vannaning yon devoriga yorug'lik nuri yo'naltiriladi. Yorug'lik nurining suvda sinishi, suv yuzasidan to'liq aks etishi va nurning vannadan chiqqanda sinishi kuzatiladi. Tushish burchagini o'zgartirib, suv yuzasidan va vannaning pastki qismidan yorug'lik nurlarining bir nechta umumiy aksini kuzatish mumkin.
