Bilder i linser, betjening av instrumenter som mikroskoper og teleskoper, fenomenet regnbuer og den villedende oppfatningen av dybden til en vannmasse er alle eksempler på fenomenet lysbrytning. Lovene som beskriver dette fenomenet er omt alt i denne artikkelen.
Fenomenet refraksjon
Før vi vurderer lovene for lysbrytning i fysikk, la oss bli kjent med essensen av selve fenomenet.
Som du vet, hvis mediet er homogent på alle punkter i rommet, vil lyset bevege seg i det langs en rett bane. Brytning av denne banen oppstår når en lysstråle krysser grensesnittet mellom to gjennomsiktige materialer i en vinkel, som glass og vann eller luft og glass. Ved å flytte til et annet homogent medium, vil lyset også bevege seg i en rett linje, men det vil allerede være rettet i en vinkel til banen i det første mediet. Dette er fenomenet brytning av lysstrålen.
Videoen nedenfor demonstrerer brytningsfenomenet med glass som eksempel.
Det viktige poenget her er innfallsvinkelen pågrensesnittplan. Verdien av denne vinkelen avgjør om brytningsfenomenet vil bli observert eller ikke. Hvis strålen faller vinkelrett på overflaten, vil den, etter å ha passert inn i det andre mediet, fortsette å bevege seg langs den samme rette linjen. Det andre tilfellet, når brytning ikke vil forekomme, er innfallsvinklene til en stråle som går fra et optisk tettere medium til et mindre tett medium, som er større enn en kritisk verdi. I dette tilfellet vil lysenergien bli fullstendig reflektert tilbake til det første mediet. Den siste effekten diskuteres nedenfor.
Første brytningslov
Det kan også kalles loven om tre linjer i ett plan. Anta at det er en lysstråle A som faller på grensesnittet mellom to gjennomsiktige materialer. I punktet O brytes strålen og begynner å bevege seg langs den rette linjen B, som ikke er en fortsettelse av A. Hvis vi gjenoppretter perpendikulæren N til separasjonsplanet til punktet O, så er 1. lov for fenomenet brytning kan formuleres som følger: innfallsstrålen A, normalen N og brytningsstrålen B ligger i samme plan, som er vinkelrett på grensesnittplanet.
Denne enkle loven er ikke åpenbar. Formuleringen er resultatet av en generalisering av eksperimentelle data. Matematisk kan det utledes ved å bruke det såk alte Fermat-prinsippet eller prinsippet om minste tid.
Andre brytningslov
Skolefysikklærere gir ofte elevene følgende oppgave: "Formuler lovene for lysets brytning." Vi har vurdert en av dem, la oss nå gå videre til den andre.
Betegn vinkelen mellom stråle A og vinkelrett N som θ1, vinkelen mellom stråle B og N vil bli k alt θ2. Vi tar også i betraktning at hastigheten til stråle A i medium 1 er v1, hastigheten til stråle B i medium 2 er v2. Nå kan vi gi en matematisk formulering av 2. lov for fenomenet som vurderes:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Denne formelen ble oppnådd av nederlenderen Snell på begynnelsen av 1600-tallet og bærer nå etternavnet hans.
En viktig konklusjon følger av uttrykket: jo større hastigheten på lysutbredelsen i mediet er, jo lenger fra normalen vil strålen være (jo større sinus til vinkelen).
Konseptet med brytningsindeksen til mediet
Snell-formelen ovenfor er for øyeblikket skrevet i en litt annen form, som er mer praktisk å bruke når man løser praktiske problemer. Faktisk er lyshastigheten v i materie, selv om den er mindre enn i vakuum, fortsatt en stor verdi som er vanskelig å jobbe med. Derfor ble en relativ verdi introdusert i fysikk, hvor likheten er presentert nedenfor:
n=c/v.
Her er c hastigheten til strålen i vakuum. Verdien av n viser hvor mange ganger verdien av c er større enn verdien av v i materialet. Det kalles brytningsindeksen til dette materialet.
Ta hensyn til den angitte verdien, vil formelen for lysbrytningsloven skrives om i følgende form:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materiale som har en stor verdi på n,k alt optisk tett. Når lyset passerer gjennom det, reduserer lyset hastigheten med n ganger sammenlignet med samme verdi for luftfri plass.
Denne formelen viser at strålen vil ligge nærmere normalen i mediet som er mer optisk tett.
For eksempel merker vi at brytningsindeksen for luft er nesten lik én (1, 00029). For vann er verdien 1,33.
Total refleksjon i et optisk tett medium
La oss utføre følgende eksperiment: la oss starte en lysstråle fra vannsøylen mot overflaten. Siden vann er optisk tettere enn luft (1, 33>1, 00029), vil innfallsvinkelen θ1 være mindre enn brytningsvinkelen θ2. Nå vil vi gradvis øke henholdsvis θ1, θ2 vil også øke, mens ulikheten θ1<θ2forblir alltid sant.
Det kommer et øyeblikk når θ1<90o og θ2=90 o. Denne vinkelen θ1 kalles kritisk for et par vann-luft-medier. Eventuelle innfallsvinkler større enn dette vil føre til at ingen del av strålen passerer gjennom vann-luft-grensesnittet inn i et mindre tett medium. Hele strålen ved grensen vil oppleve total refleksjon.
Beregning av den kritiske innfallsvinkelen θc utføres med formelen:
θc=arcsin(n2/n1).
For media vann ogluft det er 48, 77o.
Merk at dette fenomenet ikke er reversibelt, det vil si at når lys beveger seg fra luft til vann, er det ingen kritisk vinkel.
Det beskrevne fenomenet brukes i drift av optiske fibre, og sammen med spredning av lys er det årsaken til at primære og sekundære regnbuer oppstår under regn.
