Typiske lyseffekter som enhver person ofte møter i hverdagen er refleksjon og refraksjon. I denne artikkelen vil vi vurdere tilfellet når begge effektene manifesterer seg i samme prosess, vil vi snakke om fenomenet intern total refleksjon.
Lysrefleksjon
Før du vurderer fenomenet intern total refleksjon av lys, bør du gjøre deg kjent med effektene av vanlig refleksjon og brytning. La oss starte med den første. For enkelhets skyld vil vi kun vurdere lys, selv om disse fenomenene er karakteristiske for en bølge av enhver art.
Refleksjon forstås som en endring av en rettlinjet bane, langs hvilken en lysstråle beveger seg, til en annen rettlinjet bane, når den møter en hindring på vei. Denne effekten kan observeres når du peker en laserpeker mot et speil. Utseendet til bilder av himmelen og trærne når man ser på vannoverflaten er også et resultat av refleksjon av sollys.
Følgende lov er gyldig for refleksjon: vinklerinnfall og refleksjon ligger i samme plan sammen med vinkelrett på den reflekterende overflaten og er lik hverandre.
Refraksjon av lys
Effekten av brytning ligner på refleksjon, bare den oppstår hvis hindringen i lysstrålens bane er et annet gjennomsiktig medium. I dette tilfellet reflekteres en del av den første strålen fra overflaten, og en del går inn i det andre mediet. Denne siste delen kalles brytningsstrålen, og vinkelen den danner med vinkelrett på grensesnittet kalles brytningsvinkelen. Den brutte strålen ligger i samme plan som den reflekterte og innfallende strålen.
Sterke eksempler på brytning er bruddet av en blyant i et glass vann eller den villedende dybden av en innsjø når en person ser ned på bunnen.
Matematisk er dette fenomenet beskrevet ved hjelp av Snells lov. Den tilsvarende formelen ser slik ut:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Her er innfalls- og brytningsvinklene angitt som henholdsvis θ1 og θ2. Mengdene n1, n2 reflekterer lysets hastighet i hvert medium. De kalles medias brytningsindekser. Jo større n, jo langsommere beveger lyset seg i et gitt materiale. For eksempel, i vann er lyshastigheten 25 % mindre enn i luft, så for den er brytningsindeksen 1,33 (for luft er den 1).
Fenomenet total intern refleksjon
Lysets brytningslov fører til enet interessant resultat når strålen forplanter seg fra et medium med stor n. La oss vurdere mer detaljert hva som vil skje med strålen i dette tilfellet. La oss skrive ut Snells formel:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Vi antar at n1>n2. I dette tilfellet, for at likheten skal forbli sann, må θ1 være mindre enn θ2. Denne konklusjonen er alltid gyldig, siden kun vinkler fra 0o til 90o vurderes, innenfor hvilke sinusfunksjonen øker konstant. Når man forlater et tettere optisk medium for et mindre tett medium (n1>n2), avviker strålen mer fra normalen.
La oss nå øke vinkelen θ1. Som et resultat vil øyeblikket komme da θ2 vil være lik 90o. Et utrolig fenomen oppstår: en stråle som sendes ut fra et tettere medium vil forbli i det, det vil si at grensesnittet mellom to gjennomsiktige materialer blir ugjennomsiktig.
Kritisk vinkel
Vinkelen θ1, som θ2=90o, kalles for kritisk for det betraktede medieparet. Enhver stråle som treffer grensesnittet i en vinkel større enn den kritiske vinkelen reflekteres fullstendig inn i det første mediet. For den kritiske vinkelen θc kan man skrive et uttrykk som følger direkte av Snells formel:
sin (θc)=n2 / n1.
Ifdet andre mediet er luft, så er denne likheten forenklet til formen:
sin (θc)=1 / n1.
For eksempel er den kritiske vinkelen for vann:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Hvis du dykker til bunnen av bassenget og ser opp, kan du se himmelen og skyene løpe over det bare over ditt eget hode, på resten av vannoverflaten vil bare veggene i bassenget være synlige.
Fra resonnementet ovenfor er det klart at, i motsetning til refraksjon, er totalrefleksjon ikke et reversibelt fenomen, det oppstår bare når man beveger seg fra et tettere til et mindre tett medium, men ikke omvendt.
Total refleksjon i natur og teknologi
Den kanskje vanligste effekten i naturen, som er umulig uten total refleksjon, er regnbuen. Regnbuens farger er et resultat av spredningen av hvitt lys i regndråper. Men når strålene passerer inne i disse dråpene, opplever de enten enkel eller dobbel intern refleksjon. Det er derfor regnbuen alltid vises dobbelt.
Fenomenet intern totalrefleksjon brukes i fiberoptisk teknologi. Takket være optiske fibre er det mulig å overføre elektromagnetiske bølger uten tap over lange avstander.
