Fenomenet refraksjon. Brytningsindeks for luft

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 17:53

Optikk er en av de eldste grenene innen fysikk. Siden antikkens Hellas har mange filosofer vært interessert i lovene om bevegelse og forplantning av lys i ulike gjennomsiktige materialer som vann, glass, diamant og luft. Denne artikkelen diskuterer fenomenet lysbrytning, med fokus på luftens brytningsindeks.

Effekten av lysstrålens brytning

Alle i livet hans møtte hundrevis av ganger manifestasjonen av denne effekten når han så på bunnen av et reservoar eller på et glass vann med en gjenstand plassert i det. Samtidig virket ikke reservoaret så dypt som det egentlig var, og gjenstander i et glass vann så deformerte eller ødelagte ut.

Fenomenet brytning av en lysstråle er et brudd i dens rettlinjede bane når den krysser grensesnittet mellom to transparente materialer. Ved å oppsummere et stort antall eksperimentelle data, mottok nederlenderen Willebrord Snell på begynnelsen av 1600-tallet et matematisk uttrykk,som nøyaktig beskrev dette fenomenet. Dette uttrykket skrives vanligvis i følgende form:

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ) ₂)=konst.

Her er n₁, n₂ de absolutte brytningsindeksene for lys i det tilsvarende materialet, θ_{1og θ}2 _{- vinklene mellom innfallende og refrakterte stråler og vinkelrett på grensesnittplanet, som er tegnet gjennom skjæringspunktet mellom strålen og dette planet.}

Denne formelen kalles Snells eller Snell-Descartes' lov (det var franskmannen som skrev den ned i presentert form, mens nederlenderen ikke brukte sinus, men lengdeenheter).

Foruten denne formelen, er brytningsfenomenet beskrevet av en annen lov, som er geometrisk i naturen. Det ligger i det faktum at de markerte vinkelrett på planet og to stråler (brytt og innfallende) ligger i samme plan.

Absolutt brytningsindeks

Denne verdien er inkludert i Snell-formelen, og verdien spiller en viktig rolle. Matematisk tilsvarer brytningsindeksen n formelen:

n=c/v.

Symbolet c er hastigheten til elektromagnetiske bølger i vakuum. Det er omtrent 310⁸m/s. Verdien v er lyshastigheten i mediet. Dermed reflekterer brytningsindeksen mengden av bremsing av lys i et medium med hensyn til luftløst rom.

Det er to viktige implikasjoner fra formelen ovenfor:

• verdi n er alltid større enn 1 (for vakuum er den lik én);
• dette er en dimensjonsløs mengde.

For eksempel er brytningsindeksen til luft 1,00029, mens den for vann er 1,33.

Bryningsindeksen er ikke en konstant verdi for et bestemt medium. Det avhenger av temperaturen. Dessuten, for hver frekvens av en elektromagnetisk bølge, har den sin egen betydning. Så tallene ovenfor tilsvarer en temperatur på 20 ^oC og den gule delen av det synlige spekteret (bølgelengden er omtrent 580-590 nm).

Avhengigheten av verdien til n av lysets frekvens manifesteres i dekomponeringen av hvitt lys av et prisme til en rekke farger, samt i dannelsen av en regnbue på himmelen under kraftig regn.

Refraksjonsindeks for lys i luft

Verdien er allerede gitt ovenfor (1, 00029). Siden luftbrytningsindeksen bare skiller seg fra null på fjerde desimal, kan den for å løse praktiske problemer betraktes som lik en. En liten forskjell på n for luft fra enhet indikerer at lys praktisk t alt ikke bremses ned av luftmolekyler, noe som er assosiert med dens relativt lave tetthet. Så gjennomsnittlig lufttetthet er 1,225 kg/m³, det vil si at den er mer enn 800 ganger lettere enn ferskvann.

Air er et optisk tynt medium. Selve prosessen med å senke lyshastigheten i et materiale er av kvantenatur og er assosiert med absorpsjon og emisjon av fotoner fra materiens atomer.

Endringer i luftens sammensetning (for eksempel en økning i innholdet av vanndamp i den) og endringer i temperaturen fører til betydelige endringer i indikatorenbrytning. Et slående eksempel er luftspeilingseffekten i ørkenen, som oppstår på grunn av forskjellen i brytningsindeksene til luftlag med forskjellige temperaturer.

Glass-luft-grensesnitt

Glass er et mye tettere medium enn luft. Dens absolutte brytningsindeks varierer fra 1,5 til 1,66, avhengig av glasstypen. Hvis vi tar gjennomsnittsverdien på 1,55, kan brytningen av strålen ved luft-glass-grensesnittet beregnes ved å bruke formelen:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

Verdien n₂₁ kalles den relative brytningsindeksen til luft - glass. Hvis strålen går ut av glasset i luften, bør følgende formel brukes:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Hvis vinkelen til den brutte strålen i sistnevnte tilfelle vil være lik 90^o, kalles innfallsvinkelen som tilsvarer den kritisk. For kantglasset - luft er det:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Hvis strålen faller på grensen mellom glass og luft med større vinkler enn 40, 17^o, vil den reflekteres fullstendig tilbake i glasset. Dette fenomenet kalles "total intern refleksjon".

Den kritiske vinkelen eksisterer bare når strålen beveger seg fra et tett medium (fra glass til luft, men ikke omvendt).