Załamanie światła: elementy, prawa i eksperyment
Refrakcja światła jest zjawiskiem optycznym, które pojawia się, gdy światło pada ukośnie na powierzchnię separacji dwóch mediów o różnym współczynniku załamania światła. Gdy tak się dzieje, światło zmienia swój kierunek i prędkość.
Refrakcja występuje, na przykład, gdy światło przechodzi z powietrza do wody, ponieważ woda ma niższy współczynnik załamania światła. Jest to zjawisko, które można doskonale zobaczyć w basenie, obserwując, jak formy ciała pod wodą wydają się odbiegać od kierunku, który powinny mieć.
Jest to zjawisko, które wpływa na różne typy fal, chociaż przypadek światła jest najbardziej reprezentatywny i ten, który ma większą obecność w naszym dniu na dzień.
Wyjaśnienie załamania światła zaproponował holenderski fizyk Willebrord Snell van Royen, który ustanowił prawo wyjaśniające, że stało się znane jako prawo Snella.
Innym naukowcem, który zwrócił szczególną uwagę na załamanie światła, był Izaak Newton. Aby go zbadać, stworzył słynny szklany pryzmat. W pryzmacie światło przenika przez jedną z jego twarzy, załamując się i rozkładając w różnych kolorach. W ten sposób przez zjawisko załamania światła udowodnił, że białe światło składa się ze wszystkich kolorów tęczy.
Elementy załamania
Główne elementy, które należy wziąć pod uwagę w badaniu refrakcji światła, są następujące: - Promień padający, czyli promień padający ukośnie na powierzchnię separacji dwóch fizycznych nośników. - Promień załamany, który jest promieniem, który przecina medium, modyfikując jego kierunek i prędkość. - Normalna linia, która jest wyobrażoną linią prostopadłą do powierzchni separacji dwóch mediów. -Kąt padania (i), który jest zdefiniowany jako kąt utworzony przez promień padający na normalny. -Kąt załamania (r), który jest zdefiniowany jako kąt utworzony przez normalny promień załamany.-Ponadto należy również wziąć pod uwagę współczynnik załamania (n) medium, który jest ilorazem prędkości światła w próżni i prędkości światła w ośrodku.
n = c / v
W związku z tym warto pamiętać, że prędkość światła w próżni przyjmuje wartość 300 000 000 m / s.
Współczynnik załamania światła w różnych mediach
Współczynnik załamania światła w niektórych z najczęstszych środków to:
Prawa załamania
Prawo Snella jest często określane jako prawo załamania, ale prawda jest taka, że można powiedzieć, że prawa załamania wynoszą dwa.
Pierwsze prawo załamania
Promień padający, promień załamany i promień normalny znajdują się w tej samej płaszczyźnie przestrzeni. W tym prawie, także wywnioskowanym przez Snella, stosuje się również odbicie.
Drugie prawo załamania
Drugie prawo załamania światła lub prawo Snella jest określone przez następujące wyrażenie:
n 1 sin i = n 2 sen
N1 jest współczynnikiem załamania światła ośrodka, z którego pochodzi światło; i kąt padania; n 2 współczynnik załamania światła ośrodka, w którym załamuje się światło; r kąt załamania.
Zasada Fermata
Od początku minimalnego czasu lub zasady Fermata możemy wydedukować zarówno prawa odbicia, jak i prawa refrakcji, które właśnie widzieliśmy.
Zasada ta potwierdza, że rzeczywista trajektoria, która podąża za promieniem światła, który porusza się między dwoma punktami przestrzeni, jest tą, która wymaga mniejszego czasu na jej przekroczenie.
Konsekwencje prawa Snella
Niektóre z bezpośrednich konsekwencji wynikających z poprzedniego wyrażenia to:
a) Jeśli n 2 > n 1 ; r <io io io io io io
Tak więc, gdy promień światła przechodzi z medium o niższym współczynniku załamania światła do ośrodka o wyższym współczynniku załamania, promień załamany zbliża się do normy.
b) Jeśli n 2 <n 1 ; s r> sin io sea r> i
Tak więc, kiedy promień światła przechodzi z medium o wyższym współczynniku załamania światła do medium o niższym indeksie, załamany promień odsuwa się od promienia normalnego.
c) Jeśli kąt padania wynosi zero, to kąt wiązki refrakcji również wynosi zero.
Kąt graniczny i całkowite odbicie wewnętrzne
Inną ważną konsekwencją prawa Snella jest tzw. Kąt graniczny. Jest to nazwa nadana kątowi padania, który odpowiada kątowi załamania 90º.
Gdy to nastąpi, załamany promień porusza się równo z powierzchnią separacji dwóch mediów. Kąt ten nazywany jest również kątem krytycznym.
W przypadku kątów powyżej kąta granicznego występuje zjawisko zwane całkowitym odbiciem wewnętrznym. W takim przypadku załamanie nie występuje, ponieważ cała wiązka światła jest odbijana wewnętrznie. Całkowite wewnętrzne odbicie występuje tylko podczas przemieszczania się z medium o wyższym współczynniku załamania światła do medium o niższym współczynniku załamania światła.
Jednym z zastosowań całkowitego wewnętrznego odbicia jest przewodzenie światła przez światłowód bez utraty energii. Dzięki temu możemy cieszyć się wysokimi prędkościami transmisji danych oferowanymi przez sieci światłowodowe.
Eksperymenty
Bardzo podstawowy eksperyment, aby móc obserwować zjawisko refrakcji, polega na wprowadzeniu ołówka lub pióra do szklanki pełnej wody. W wyniku załamania światła część zanurzonego pióra lub ołówka wydaje się nieco zepsuta lub odchylona w stosunku do trajektorii, którą powinna mieć.
Możesz także spróbować wykonać podobny eksperyment ze wskaźnikiem laserowym. Oczywiście konieczne jest wlanie kilku kropel mleka do szklanki wody, aby poprawić widoczność światła laserowego. W tym przypadku zaleca się przeprowadzenie eksperymentu w warunkach słabego oświetlenia, aby lepiej docenić ścieżkę wiązki światła.
W obu przypadkach warto wypróbować różne kąty padania i obserwować, jak zmienia się kąt załamania światła w zależności od tych zmian.
Przyczyny
Przyczyn tego efektu optycznego należy szukać w refrakcji światła, która powoduje, że obraz ołówka (lub wiązki laserowej) wydaje się być odchylany pod wodą w stosunku do obrazu, który widzimy w powietrzu.
Refrakcja światła w dzień na dzień
Załamanie światła można zaobserwować w wielu sytuacjach z dnia na dzień. Niektóre z nich już nazwaliśmy, inne omówimy poniżej.
Jedną z konsekwencji załamania jest to, że pule wydają się być płytsze niż są w rzeczywistości.
Innym efektem załamania jest tęcza, która występuje, ponieważ światło jest załamywane przez przepuszczanie kropel wody do atmosfery. Jest to to samo zjawisko, które występuje, gdy wiązka światła przechodzi przez pryzmat.
Inną konsekwencją załamania światła jest to, że obserwujemy zachód Słońca, gdy minęło już kilka minut, od kiedy tak się naprawdę stało.
