Obrazy w soczewkach, działanie instrumentów takich jak mikroskopy i teleskopy, zjawisko tęczy i zwodnicze postrzeganie głębokości akwenu wodnego to przykłady zjawiska załamania światła. Prawa opisujące to zjawisko zostały omówione w tym artykule.
Zjawisko refrakcji
Zanim zajmiemy się prawami załamania światła w fizyce, zapoznajmy się z istotą samego zjawiska.
Jak wiesz, jeśli ośrodek jest jednorodny we wszystkich punktach przestrzeni, światło będzie się w nim poruszać po prostej drodze. Załamanie tej ścieżki ma miejsce, gdy wiązka światła przecina pod kątem granicę między dwoma przezroczystymi materiałami, takimi jak szkło i woda lub powietrze i szkło. Przemieszczając się do innego jednorodnego ośrodka, światło również będzie poruszało się po linii prostej, ale już będzie skierowane pod pewnym kątem do swojej trajektorii w pierwszym ośrodku. Jest to zjawisko załamywania się wiązki światła.
Poniższy film przedstawia zjawisko załamania światła na przykładzie szkła.
Ważnym punktem jest kąt padania napłaszczyzna interfejsu. Wartość tego kąta decyduje o tym, czy zjawisko załamania będzie obserwowane, czy nie. Jeżeli wiązka pada prostopadle do powierzchni, to po przejściu do drugiego ośrodka będzie nadal poruszać się po tej samej linii prostej. Drugi przypadek, w którym załamanie nie wystąpi, to kąty padania wiązki przechodzącej od ośrodka gęstszego optycznie do ośrodka o mniejszej gęstości, które są większe od pewnej wartości krytycznej. W takim przypadku energia świetlna zostanie całkowicie odbita z powrotem do pierwszego ośrodka. Ostatni efekt omówiono poniżej.
Pierwsza zasada refrakcji
Można to również nazwać prawem trzech linii na jednej płaszczyźnie. Załóżmy, że na styk dwóch przezroczystych materiałów pada wiązka światła A. W punkcie O wiązka ulega załamaniu i zaczyna poruszać się wzdłuż linii prostej B, która nie jest kontynuacją A. Jeśli przywrócimy prostopadłą N do płaszczyzny separacji do punktu O, to I zasada dla zjawiska załamanie można sformułować w następujący sposób: wiązka padająca A, normalna N i załamana wiązka B leżą w tej samej płaszczyźnie, która jest prostopadła do płaszczyzny interfejsu.
To proste prawo nie jest oczywiste. Jego sformułowanie jest wynikiem uogólnienia danych eksperymentalnych. Matematycznie można ją wyprowadzić za pomocą tzw. zasady Fermata lub zasady najmniejszego czasu.
Drugie prawo refrakcji
Szkolni nauczyciele fizyki często zadają uczniom następujące zadanie: „Sformułuj prawa załamania światła”. Rozważaliśmy jeden z nich, teraz przejdźmy do drugiego.
Oznacz kąt pomiędzy promieniem A i prostopadłym N jako θ1, kąt pomiędzy promieniem B i N będzie nazywany θ2. Bierzemy również pod uwagę, że prędkość wiązki A w ośrodku 1 wynosi v1, a prędkość wiązki B w ośrodku 2 wynosi v2. Teraz możemy podać matematyczne sformułowanie II prawa dla rozważanego zjawiska:
sin(θ1)/v1=grzech(θ2)/ v2.
Ta formuła została zdobyta przez Holendra Snella na początku XVII wieku i obecnie nosi jego nazwisko.
Z wyrażenia wynika ważny wniosek: im większa prędkość propagacji światła w ośrodku, tym dalej od normalnej będzie wiązka (im większy sinus kąta).
Pojęcie współczynnika załamania ośrodka
Powyższa formuła Snella jest obecnie napisana w nieco innej formie, która jest wygodniejsza w użyciu przy rozwiązywaniu praktycznych problemów. Rzeczywiście, prędkość v światła w materii, chociaż mniejsza niż w próżni, jest nadal dużą wartością, z którą trudno jest pracować. Dlatego do fizyki wprowadzono wartość względną, której równość przedstawiono poniżej:
n=c/v.
Tutaj c jest prędkością wiązki w próżni. Wartość n pokazuje, ile razy wartość c jest większa niż wartość v w materiale. Nazywa się to współczynnikiem załamania światła tego materiału.
Biorąc pod uwagę wprowadzoną wartość, wzór prawa załamania światła zostanie przepisany w następującej postaci:
sin(θ1)n1=grzech(θ2) n2.
Materiał o dużej wartości n,zwany optycznie gęsty. Przechodząc przez nią, światło zwalnia n razy w porównaniu do tej samej wartości dla przestrzeni bezpowietrznej.
Ten wzór pokazuje, że wiązka będzie leżeć bliżej normalnej w medium, które jest bardziej gęste optycznie.
Zauważyliśmy na przykład, że współczynnik załamania światła dla powietrza jest prawie równy jeden (1 00029). W przypadku wody jej wartość wynosi 1,33.
Całkowite odbicie w optycznie gęstym medium
Przeprowadźmy następujący eksperyment: skierujmy wiązkę światła od słupa wody w kierunku jego powierzchni. Ponieważ woda jest optycznie gęstsza niż powietrze (1, 33>1, 00029), kąt padania θ1 będzie mniejszy niż kąt załamania θ2. Teraz będziemy stopniowo zwiększać odpowiednio θ1, θ2, podczas gdy nierówność θ1<θ2zawsze pozostaje prawdą.
Nadejdzie chwila, kiedy θ1<90o i θ2=90 o. Ten kąt θ1 jest nazywany krytycznym dla pary mediów woda-powietrze. Wszelkie kąty padania większe niż ten nie spowodują, że żadna część wiązki nie przejdzie przez granicę woda-powietrze do ośrodka o mniejszej gęstości. Cały promień na granicy dozna całkowitego odbicia.
Obliczanie krytycznego kąta padania θc odbywa się według wzoru:
θc=arcsin(n2/n1).
Do wody mediów ipowietrze jest 48, 77o.
Zauważ, że to zjawisko nie jest odwracalne, to znaczy, gdy światło przemieszcza się z powietrza do wody, nie ma krytycznego kąta.
Opisane zjawisko jest wykorzystywane w działaniu światłowodów i wraz z rozpraszaniem światła jest przyczyną pojawiania się tęczy pierwotnej i wtórnej podczas deszczu.
