Die Formel für das Gesetz der Lichtbrechung - allgemeine und spezielle Fälle

Das Gesetz der Lichtbrechung wird in vielen verschiedenen Bereichen angewendet und hilft zu bestimmen, wie sich Strahlen verhalten, wenn sie von einem Medium in ein anderes eintreten. Es ist nicht schwer, die Merkmale dieses Phänomens, seine Ursachen und andere wichtige Nuancen zu verstehen. Es lohnt sich auch, die Arten der Brechung zu verstehen, da sie für die Berechnung und Anwendung der Rechtsgrundsätze in der Praxis von großer Bedeutung sind.

Das häufigste Beispiel ist ein Rohr oder ein Löffel in einem klaren Glas Wasser.

Was ist das Phänomen der Lichtbrechung?

Fast jeder kennt dieses Phänomen, denn es ist im Alltag häufig anzutreffen. Schaut man beispielsweise auf den Boden eines durchsichtigen Wasserbeckens, so erscheint er immer näher, als er tatsächlich ist. Die Verzerrung kann in Aquarien beobachtet werden und ist fast jedem bekannt. Um das Thema zu verstehen, muss man jedoch einige wichtige Aspekte berücksichtigen.

Gründe für die Brechung

Entscheidend sind dabei die Eigenschaften der verschiedenen Medien, durch die sich das Licht bewegt. Ihre Dichte ist oft unterschiedlich, so dass sich das Licht mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Dies wirkt sich auch direkt auf seine Eigenschaften aus.

Wenn das Sonnenlicht durch ein Prisma fällt, breitet es sich in alle Farben des Spektrums aus.

Beim Übergang von einem Medium zum anderen (an der Stelle, an der die beiden Medien zusammentreffen) ändert das Licht seine Richtung aufgrund von Dichteunterschieden und anderen Merkmalen. Die Abweichung kann unterschiedlich sein, je größer der Unterschied in den Eigenschaften der Medien, desto größer ist die Verzerrung schließlich gebildet.

Übrigens! Wenn sich das Licht bricht, wird immer ein Teil davon reflektiert.

Beispiele aus dem Leben

Beispiele finden sich fast überall, so dass jeder sehen kann, wie die Brechung die Wahrnehmung von Objekten beeinflusst. Die charakteristischsten Varianten sind die folgenden:

1. Wenn Sie einen Löffel oder ein Rohr in ein Glas Wasser stellen, können Sie sehen, wie der Gegenstand optisch aufhört, gerade zu sein, und sich von der Grenze der beiden Medien aus biegt. Diese optische Täuschung wird am häufigsten als Beispiel verwendet.
2. Bei heißem Wetter entsteht auf Asphalt oft ein Pfützeneffekt. Das liegt daran, dass die Strahlen an dem starken Temperaturunterschied (in Bodennähe) gebrochen werden, so dass das Auge eine leichte Reflexion des Himmels sieht.
3. Trugbilder entstehen auch durch Brechung. Das ist komplizierter, aber dieses Phänomen tritt nicht nur in der Wüste auf, sondern auch in den Bergen und sogar in der Mittelzone. Eine weitere Möglichkeit ist, dass Sie Objekte jenseits der Horizontlinie sehen können.
   Eine Fata Morgana ist eines der Wunder der Natur, das durch die Brechung des Lichts verursacht wird.
4. Die Prinzipien der Brechung werden auch bei vielen Gegenständen des täglichen Lebens angewendet: Brillen, Lupen, Türspione, Projektoren und Diashows, Ferngläser und vieles mehr.
5. Viele wissenschaftliche Geräte funktionieren, indem sie das betreffende Gesetz anwenden. Dazu gehören Mikroskope, Teleskope und andere anspruchsvolle optische Instrumente.

Wie groß ist der Brechungswinkel?

Der Brechungswinkel ist der Winkel, der durch das Phänomen der Brechung am Übergang zwischen zwei transparenten Medien mit unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeitseigenschaften entsteht. Sie wird durch eine senkrecht zur Brechungsebene gezogene Linie bestimmt.

Wenn eine Flüssigkeit mit einer höheren Dichte als Wasser in ein Glas gegossen wird, wird der Brechungswinkel größer.

Dieses Phänomen ist auf zwei Gesetze zurückzuführen: die Erhaltung der Energie und die Erhaltung des Impulses. Wenn sich die Eigenschaften des Mediums ändern, ändert sich zwangsläufig die Geschwindigkeit der Welle, aber ihre Frequenz bleibt gleich.

Wovon hängt der Brechungswinkel ab?

Der Index kann variieren und hängt in erster Linie von den Eigenschaften der beiden Medien ab, durch die das Licht fällt. Je größer der Unterschied zwischen ihnen ist, desto größer ist die visuelle Ablenkung.

Der Winkel hängt auch von der Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts ab. Wenn sich dieser Wert ändert, ändert sich auch die Abweichung. In manchen Umgebungen hat die Frequenz der elektromagnetischen Welle einen großen Einfluss, dies ist jedoch nicht immer der Fall.

Bei optisch anisotropen Materialien wird der Winkel durch die Polarisation des Lichts und dessen Richtung beeinflusst.

Arten der Brechung

Die häufigste Form ist die allgemeine Lichtbrechung, bei der aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften des Mediums in gewissem Umfang eine verzerrende Wirkung beobachtet werden kann. Es gibt aber auch andere Varianten, die parallel dazu auftreten oder als eigenständiges Phänomen betrachtet werden können.

Wenn eine vertikal polarisierte Welle unter einem bestimmten Winkel (dem so genannten Brewster-Winkel) auf die Grenze zwischen zwei Medien trifft, kann man die Gesamtbrechung sehen. In diesem Fall gibt es überhaupt keine reflektierte Welle.

Die Totalreflexion kann nur beobachtet werden, wenn Strahlung von einem Medium mit höherem Brechungsindex in ein weniger dichtes Medium gelangt. In diesem Fall ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Das heißt, es besteht eine umgekehrte Beziehung. Außerdem nimmt der Einfallswinkel zu, und sobald er einen bestimmten Wert erreicht, beträgt der Index 90 Grad.

Wenn Licht in einem bestimmten Winkel auf die Grenze der beiden Medien fällt, kann es einfach reflektiert werden.

Erhöht man den Wert noch weiter, wird der Strahl an der Grenze der beiden Stoffe reflektiert, ohne in das andere Medium einzudringen. Dieses Phänomen wird als innere Totalreflexion bezeichnet.

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Die Gesetze der Lichtreflexion und die Geschichte ihrer Entdeckung

 

Hier ist eine Klarstellung bezüglich der Berechnung der Zahlen erforderlich, da die Formel von der Standardformel abweicht. In diesem Fall sieht es wie folgt aus:

Sünde _pr=n₂₁

Dieses Phänomen ermöglichte die Entwicklung von Glasfasern, einem Material, das enorme Informationsmengen über unbegrenzte Entfernungen mit einer Geschwindigkeit übertragen kann, die für andere Möglichkeiten unerreichbar ist. Im Gegensatz zu einem Spiegel erfolgt die Reflexion in diesem Fall ohne Energieverlust, selbst bei Mehrfachreflexionen.

Optische Fasern haben eine einfache Struktur:

1. Der lichtdurchlässige Kern besteht aus Kunststoff oder Glas. Je größer der Querschnitt, desto mehr Informationen können übertragen werden.
2. Der Mantel soll das Licht im Kern reflektieren, so dass es sich nur durch den Kern ausbreitet. Es ist wichtig, dass der Strahl am Eintrittspunkt in den Lichtleiter in einem größeren Winkel als dem Grenzwert einfällt, dann wird er ohne Energieverlust reflektiert.
3. Die Schutzisolierung verhindert eine Beschädigung der Faser und schützt sie vor nachteiligen Einflüssen. Dank dieses Teils kann das Kabel auch unterirdisch verlegt werden.

Die Glasfasertechnik hat die Übertragung von Informationen auf eine völlig neue Ebene gebracht.

Wie das Gesetz der Lichtbrechung entdeckt wurde

Sie wurde entdeckt von von Willebrord Snellius.einem niederländischen Mathematiker, im Jahr 1621. Nach einer Reihe von Experimenten gelang es ihm, die grundlegenden Aspekte zu formulieren, die bis heute praktisch unverändert geblieben sind. Er war es, der als Erster die Konstanz des Verhältnisses der Sinusse der Einfalls- und Ausfallswinkel feststellte.

Die erste Veröffentlichung mit dem Material der Entdeckung wurde von dem französischen Wissenschaftler René Descartes.. Die Experten sind sich jedoch uneinig; einige glauben, dass er das Material von Snellius verwendet hat, andere sind überzeugt, dass er es unabhängig davon wiederentdeckt hat.

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Definition und Formel für den Brechungsindex

Die einfallenden und die gebrochenen Strahlen sowie die Senkrechte, die durch die Verbindungsstelle der beiden Medien verläuft, liegen in derselben Ebene. Der Sinus des Einfallswinkels im Verhältnis zum Sinus des Brechungswinkels ist ein konstanter Wert. So klingt die Definition, die sich in der Darstellung unterscheiden kann, aber die Bedeutung bleibt immer dieselbe. Die grafische Erklärung und die Formel sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die Formel ist universell und für verschiedene Medien geeignet.

Es ist zu beachten, dass die Indizes der Brechung haben keine Maßeinheiten. Bei der Untersuchung der physikalischen Grundlagen des fraglichen Phänomens haben zwei Wissenschaftler auf einmal - Christian Huygens aus Holland und Pierre Fermat aus Frankreich, kamen zu demselben Schluss. Ihm zufolge sind der Sinus des Einfalls und der Sinus der Brechung gleich dem Verhältnis der Geschwindigkeiten in den Medien, durch die die Wellen laufen. Wenn das Licht ein Medium schneller durchläuft als das andere, ist es optisch weniger dicht.

Apropos! Die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist höher als in jedem anderen Stoff.

Die physikalische Bedeutung des Snellius'schen Gesetzes

Wenn Licht aus einem Vakuum in eine andere Substanz eindringt, tritt es unweigerlich mit deren Molekülen in Wechselwirkung. Je höher die optische Dichte des Mediums ist, desto stärker interagiert das Licht mit den Atomen und desto geringer ist seine Ausbreitungsgeschwindigkeit, und je höher die Dichte, desto höher ist der Brechungsindex.

Die absolute Brechung wird mit dem Buchstaben n bezeichnet, der eine Vorstellung davon vermittelt, wie sich die Geschwindigkeit des Lichts ändert, wenn es vom Vakuum in ein Medium gelangt.

Relative Brechung (n₂₁) zeigt, wie sich die Lichtgeschwindigkeit beim Übergang von einem Medium in ein anderes ändert.

Das Video erklärt das Gesetz aus der 8. Klasse Physik sehr einfach mit Grafiken und Animationen.

Geltungsbereich des Rechts in der Technik

Seit der Entdeckung des Phänomens und der praktischen Forschung ist viel Zeit vergangen. Die Ergebnisse haben dazu beigetragen, eine große Anzahl von Geräten zu entwickeln und zu realisieren, die in verschiedenen Sektoren eingesetzt werden; es lohnt sich, einen Blick auf die gängigsten Beispiele zu werfen:

1. Ophthalmologische Ausrüstung. Ermöglicht eine Vielzahl von Untersuchungen und den Nachweis von Pathologien.
2. Geräte zur Untersuchung von Magen und inneren Organen. Sie können ein klares Bild erhalten, ohne eine Kamera einführen zu müssen, was den Prozess viel einfacher und schneller macht.
3. Teleskope und andere astronomische Geräte können dank der Lichtbrechung Bilder erzeugen, die mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind.
   Die Brechung des Lichts in den Linsen der Teleskope ermöglicht es, das Licht im Fokus zu sammeln, was eine hochpräzise Forschung gewährleistet.
4. Ferngläser und ähnliche Instrumente funktionieren ebenfalls nach den oben beschriebenen Prinzipien. Sie umfassen auch Mikroskope.
5. Foto- und Videogeräte, genauer gesagt ihre Optik, nutzen die Brechung des Lichts.
6. Glasfaserkabel, die große Mengen an Informationen über beliebige Entfernungen übertragen.

Videolektion: Schlussfolgerung zum Gesetz der Lichtbrechung.

Die Brechung von Licht ist ein Phänomen, das durch die Eigenschaften verschiedener Medien verursacht wird. Sie kann an der Stelle beobachtet werden, an der sie zusammenkommen; der Ablenkungswinkel hängt von der Differenz zwischen den Substanzen ab. Dieses Merkmal wird in der modernen Wissenschaft und Technik häufig verwendet.