Формулата на закона за пречупване на светлината - общи и специални случаи

Законът за пречупване на светлината се използва в много различни области и помага да се определи как ще се държат лъчите, когато навлизат от една среда в друга. Не е трудно да се разберат характеристиките на това явление, причините за него и други важни нюанси. Струва си също така да се разберат видовете рефракция, тъй като те са от голямо значение при изчисляването и използването на принципите на закона в практиката.

Най-често срещаният пример е показан с тръба или лъжица в прозрачна чаша с вода.

Какво представлява явлението пречупване на светлината?

Почти всеки е запознат с това явление, тъй като то е широко разпространено в ежедневието. Например, ако погледнете дъното на резервоар с прозрачна вода, то винаги изглежда по-близо, отколкото е в действителност. Изкривяването може да се види в аквариумите и е познато на почти всички. Но за да разберем проблема, трябва да разгледаме няколко важни аспекта.

Причини за рефракция

Тук решаващо значение имат характеристиките на различните среди, през които преминава светлината. Плътността им често варира, поради което светлината се разпространява с различна скорост. Това оказва пряко влияние и върху свойствата му.

Когато слънчевата светлина премине през призма, тя се разпръсква във всички цветове на спектъра.

При преминаването си от една среда в друга (в точката на съединяването им) светлината променя посоката си поради разликите в плътността и други характеристики. Отклонението може да бъде различно, колкото по-голяма е разликата в характеристиките на средата, толкова по-голямо е евентуалното изкривяване.

Между другото! Когато светлината се пречупва, част от нея винаги се отразява.

Примери от живота

Примери могат да се намерят почти навсякъде, така че всеки може да види как рефракцията влияе на възприемането на обектите. Най-характерните варианти са следните:

1. Ако поставите лъжица или тръба в чаша с вода, можете да видите как визуално обектът престава да бъде прав и се отклонява, започвайки от границата на двете среди. Тази оптична илюзия се използва най-често като пример.
2. В горещо време върху асфалта често се появява ефектът на локвата. Това е така, защото лъчите се пречупват при рязката температурна разлика (близо до самата земя), така че окото вижда леко отражение на небето.
3. Миражите се появяват и в резултат на пречупване. Това е по-сложно, но този феномен се среща не само в пустинята, но и в планините и дори в средната зона. Друг вариант е, когато можете да видите обекти, които се намират отвъд линията на хоризонта.
   Миражът е едно от чудесата на природата, което се дължи на пречупването на светлината.
4. Принципите на пречупване се използват и в много предмети, използвани в ежедневието: очила, лупи, прозорци на врати, проектори и слайдшоута, бинокли и много други.
5. Много видове научно оборудване работят чрез прилагане на съответния закон. Те включват микроскопи, телескопи и други сложни оптични инструменти.

Какъв е ъгълът на пречупване

Ъгълът на пречупване е ъгълът, който се образува от явлението пречупване на светлината на границата между две прозрачни среди с различни свойства на пропускане на светлината. Тя се определя от перпендикулярна линия, прекарана през равнината на пречупване.

Ако в чаша се налее течност с по-голяма плътност от тази на водата, ъгълът на пречупване ще стане по-голям.

Това явление се дължи на два закона - за запазване на енергията и за запазване на импулса. С промяната на свойствата на средата скоростта на вълната неизбежно се променя, но честотата ѝ остава същата.

От какво зависи ъгълът на пречупване?

Индексът може да варира и зависи главно от характеристиките на двете среди, през които преминава светлината. Колкото по-голяма е разликата между тях, толкова по-голямо е визуалното отклонение.

Освен това ъгълът зависи от дължината на вълната на излъчваната светлина. С промяната на тази стойност се променя и отклонението. В някои среди честотата на електромагнитната вълна също оказва голямо влияние, но това не винаги е така.

При оптично анизотропните материали ъгълът се влияе от поляризацията на светлината и нейната посока.

Видове рефракция

Най-разпространеният вид е обикновеното пречупване на светлината, когато поради различните характеристики на средата може да се наблюдава ефект на изкривяване до известна степен. Но има и други разновидности, които се появяват паралелно или могат да се разглеждат като отделно явление.

Когато вертикално поляризирана вълна попадне на границата между две среди под определен ъгъл (наречен ъгъл на Брюстър), може да се види пълното пречупване. В този случай изобщо няма да има отразена вълна.

Пълно вътрешно отражение може да се наблюдава само когато лъчението преминава от среда с по-висок индекс на пречупване в среда с по-малка плътност. В този случай ъгълът на пречупване е по-голям от ъгъла на падане. Това означава, че съществува обратна зависимост. Освен това с увеличаване на ъгъла на падане, когато той достигне определена стойност, индексът става 90 градуса.

Ако светлината попадне на границата на двете среди под определен ъгъл, тя може просто да се отрази.

Ако увеличите стойността още повече, лъчът ще се отрази от границата на двете вещества, без да премине в другата среда. Именно това явление се нарича пълно вътрешно отражение.

Прочетете също

Законите за отразяване на светлината и историята на тяхното откриване

 

Тук е необходимо да се поясни начинът на изчисляване на цифрите, тъй като формулата се различава от стандартната формула. В този случай тя ще изглежда по следния начин:

грях _пр=n₂₁

Този феномен позволи да се създаде оптично влакно - материал, който може да предава огромни количества информация на неограничени разстояния със скорост, недостъпна за други варианти. За разлика от огледалото, в този случай отразяването се осъществява без загуба на енергия, дори при многократни отражения.

Оптичните влакна имат проста структура:

1. Светлопропускащата сърцевина е изработена от пластмаса или стъкло. Колкото по-голямо е напречното сечение, толкова по-голям е обемът на информацията, която може да бъде предадена.
2. Обвивката трябва да отразява светлината в сърцевината, така че тя да се разпространява само през сърцевината. Важно е в точката на навлизане в светловода лъчът да пада под ъгъл, по-голям от граничния, тогава той ще се отрази без загуба на енергия.
3. Защитната изолация предотвратява увреждането на влакното и го предпазва от неблагоприятни въздействия. Благодарение на тази част кабелът може да се полага и под земята.

Оптичните влакна издигнаха предаването на информация на съвсем ново ниво.

Как е открит законът за пречупването

Той е открит от от Willebrord Snellius., холандски математик, през 1621 г. След поредица от експерименти той успява да формулира основните аспекти, които са останали практически непроменени и до днес. Именно той пръв забелязва постоянството на отношението на синусите на ъглите на падане и отражение.

Първата публикация с материала за откритието е направена от френския учен Рене Декарт.. Експертите обаче не са единодушни - някои смятат, че той е използвал материалите на Снелиус, а други са убедени, че го е открил самостоятелно.

Прочетете също

Какво се нарича дисперсия на светлината

 

Определение и формула за показателя на пречупване

Падащите и пречупените лъчи, както и перпендикулярът, минаващ през мястото на свързване на двете среди, се намират в една и съща равнина. Синусът на ъгъла на падане спрямо синуса на ъгъла на пречупване е постоянна величина. Така звучи определението, което може да се различава в представянето си, но смисълът винаги остава един и същ. Графичното обяснение и формулата са показани на снимката по-долу.

Формулата е универсална и подходяща за различни медии.

Струва си да се отбележи, че индексите на пречупване нямат никакви мерни единици. По едно време, докато изучават физическите основи на въпросното явление, двама учени едновременно - Кристиан Хюйгенс от Холандия и Пиер Ферма от Франция, стигат до същото заключение. Според него синусът на падане и синусът на пречупване са равни на отношението на скоростите в средата, през която преминават вълните. Ако светлината преминава през едната среда по-бързо от другата, тя е оптически по-малко плътна.

Между другото! Скоростта на светлината във вакуум е по-висок от този на всяко друго вещество.

Физическото значение на закона на Снелиус

Когато светлината преминава от вакуум във всяко друго вещество, тя неизбежно взаимодейства с неговите молекули. Колкото по-висока е оптичната плътност на средата, толкова повече светлината взаимодейства с атомите и толкова по-ниска е скоростта ѝ на разпространение, а колкото по-висока е плътността, толкова по-висок е показателят на пречупване.

Абсолютната рефракция се обозначава с буквата n, която дава представа как се променя скоростта на светлината, когато тя преминава от вакуум в среда.

Относително пречупване (n₂₁) показва как се променя скоростта на светлината при преминаване от една среда в друга.

Видеото обяснява закона от физиката в 8. клас много просто, с графики и анимация.

Обхват на правото в областта на технологиите

От откриването на явлението и практическите изследвания е изминало много време. Резултатите са помогнали за разработването и реализацията на голям брой устройства, използвани в различни сектори, като си струва да се разгледат най-често срещаните примери:

1. Офталмологично оборудване. Позволява разнообразни изследвания и откриване на патологии.
2. Уреди за изследване на стомаха и вътрешните органи. Можете да получите ясен образ, без да използвате фотоапарат, което прави процеса много по-лесен и бърз.
3. Благодарение на рефракцията телескопите и другото астрономическо оборудване могат да създават изображения, които не могат да се видят с просто око.
   Пречупването на светлината в лещите на телескопите позволява тя да се събира на фокус, което осигурява висока прецизност на изследванията.
4. Биноклите и други подобни уреди също работят по гореописаните принципи. Могат да бъдат включени и микроскопи.
5. Фото- и видеооборудването, и по-точно неговата оптика, използва пречупване на светлината.
6. Оптични влакна, които предават големи количества информация на всякакви разстояния.

Видео урок: Извод за закона за пречупване на светлината.

Пречупването на светлината е явление, което се дължи на характеристиките на различните среди. То може да се наблюдава в точката, в която те се комбинират; ъгълът на отклонение зависи от разликата между веществата. Тази функция се използва широко в съвременната наука и технологии.