Valon taittumislain kaava - yleiset ja erityistapaukset

Valon taittumislakia käytetään monilla eri aloilla, ja sen avulla voidaan määrittää, miten säteet käyttäytyvät, kun ne siirtyvät yhdestä väliaineesta toiseen. Ei ole vaikeaa ymmärtää tämän ilmiön piirteitä, sen syitä ja muita tärkeitä vivahteita. Kannattaa myös ymmärtää taittumistyypit, sillä niillä on suuri merkitys laskettaessa ja käytettäessä lain periaatteita käytännössä.

Yleisin esimerkki on putki tai lusikka kirkkaassa vesilasissa.

Mikä on valon taittumisen ilmiö?

Lähes kaikki tuntevat tämän ilmiön, sillä se on laajalti esillä jokapäiväisessä elämässä. Jos esimerkiksi katsot läpinäkyvän vesialtaan pohjaa, se näyttää aina lähempänä kuin se todellisuudessa on. Vääristymä näkyy akvaarioissa ja on tuttu lähes kaikille. Asian ymmärtämiseksi on kuitenkin otettava huomioon muutamia tärkeitä näkökohtia.

Refraktion syyt

Tässä yhteydessä ratkaisevaa ovat niiden eri väliaineiden ominaisuudet, joiden läpi valo kulkee. Niiden tiheys vaihtelee usein, joten valo etenee eri nopeuksilla. Tällä on myös suora vaikutus sen ominaisuuksiin.

Kun auringonvalo kulkee prisman läpi, se jakautuu kaikkiin spektrin väreihin.

Kulkiessaan väliaineesta toiseen (niiden yhtymäkohdassa) valo muuttaa suuntaansa tiheyserojen ja muiden ominaisuuksien vuoksi. Poikkeama voi olla erilainen, mitä suurempi ero median ominaisuuksissa on, sitä suurempi vääristymä lopulta muodostuu.

Muuten! Kun valo taittuu, osa siitä heijastuu aina.

Esimerkkejä elämästä

Esimerkkejä löytyy lähes kaikkialta, joten kuka tahansa voi nähdä, miten taittuminen vaikuttaa kohteiden havaitsemiseen. Tyypillisimmät vaihtoehdot ovat seuraavat:

1. Jos asetat lusikan tai putken vesilasiin, voit havaita, kuinka esine lakkaa olemasta suora ja taipuu näiden kahden väliaineen rajalta alkaen. Tätä optista harhaa käytetään useimmiten esimerkkinä.
2. Kuumalla säällä asfaltilla esiintyy usein lätäkkövaikutusta. Tämä johtuu siitä, että säteet taittuvat jyrkässä lämpötilaerossa (lähellä itse maata) niin, että silmä näkee pienen heijastuksen taivaasta.
3. Myös heijastukset syntyvät taittumisen seurauksena. Tämä on monimutkaisempaa, mutta tätä ilmiötä ei esiinny vain aavikolla, vaan myös vuoristossa ja jopa keskivyöhykkeellä. Toinen vaihtoehto on, kun näet kohteita, jotka ovat horisontin ulkopuolella.
   Miraali on yksi luonnon ihmeistä, joka johtuu valon taittumisesta.
4. Taittumisen periaatteita käytetään myös monissa arkielämän esineissä: silmälaseissa, suurennuslasissa, ovien kurkistusluukuissa, projektoreissa ja diaesityksissä, kiikareissa ja paljon muussa.
5. Monet tieteelliset laitteet toimivat soveltamalla kyseistä lakia. Näihin kuuluvat mikroskoopit, kaukoputket ja muut kehittyneet optiset laitteet.

Mikä on taitekulma

Taitekulma on kulma, joka muodostuu taittumisilmiöstä kahden läpinäkyvän väliaineen, joilla on erilaiset valonläpäisyominaisuudet, yhtymäkohdassa. Se määritetään taittotasoa vastaan vedetystä kohtisuorasta viivasta.

Jos lasiin kaadetaan vettä tiheämpää nestettä, taitekulma kasvaa.

Tämä ilmiö johtuu kahdesta laista, energian ja liikemäärän säilymisestä. Kun väliaineen ominaisuudet muuttuvat, aallon nopeus muuttuu väistämättä, mutta sen taajuus pysyy samana.

Mistä taitekulma riippuu?

Indeksi voi vaihdella, ja se riippuu pääasiassa niiden kahden väliaineen ominaisuuksista, joiden läpi valo kulkee. Mitä suurempi niiden välinen ero on, sitä suurempi on visuaalinen poikkeama.

Kulma riippuu myös emittoituneen valon aallonpituudesta. Kun tämä arvo muuttuu, myös poikkeama muuttuu. Joissakin ympäristöissä myös sähkömagneettisen aallon taajuudella on suuri vaikutus, mutta näin ei aina ole.

Optisesti anisotrooppisissa materiaaleissa kulmaan vaikuttavat valon polarisaatio ja suunta.

Refraktion tyypit

Yleisin tyyppi on valon yleinen taittuminen, jolloin väliaineen erilaisten ominaisuuksien vuoksi voidaan havaita tietyssä määrin vääristymiä. On kuitenkin myös muita lajikkeita, jotka esiintyvät rinnakkain tai joita voidaan pitää erillisenä ilmiönä.

Kun pystysuoraan polarisoitunut aalto osuu kahden väliaineen rajalle tietyssä kulmassa (jota kutsutaan Brewsterin kulmaksi), on mahdollista havaita täydellinen taittuminen. Tällöin heijastunutta aaltoa ei synny lainkaan.

Sisäistä kokonaisheijastusta voidaan havaita vain silloin, kun säteily kulkee väliaineesta, jonka taitekerroin on suurempi, vähemmän tiheään väliaineeseen. Tällöin taitekulma on suurempi kuin tulokulma. Toisin sanoen on olemassa käänteinen suhde. Lisäksi, kun kohtauskulma kasvaa, kun se saavuttaa tietyn arvon, indeksistä tulee 90 astetta.

Jos valo osuu kahden väliaineen rajalle tietyssä kulmassa, se voi yksinkertaisesti heijastua.

Jos arvoa kasvatetaan vielä enemmän, säde heijastuu kahden aineen rajalta kulkematta toiseen väliaineeseen. Tätä ilmiötä kutsutaan täydelliseksi sisäiseksi heijastukseksi.

Lue myös

Valon heijastumisen lait ja niiden löytämisen historiaa

 

Lukujen laskentaa on selvitettävä, sillä kaava poikkeaa vakiokaavasta. Tässä tapauksessa se näyttää tältä:

sin _pr=n₂₁

Tämä ilmiö mahdollisti optisten kuitujen luomisen, materiaalin, jolla voidaan välittää valtavia määriä tietoa rajattomien etäisyyksien yli nopeudella, joka on saavuttamattomissa muilla vaihtoehdoilla. Toisin kuin peilissä, tässä tapauksessa heijastuminen tapahtuu ilman energiahäviötä, vaikka heijastuksia olisi useita.

Optisten kuitujen rakenne on yksinkertainen:

1. Valoa läpäisevä ydin on valmistettu muovista tai lasista. Mitä suurempi poikkileikkaus on, sitä enemmän tietoa voidaan välittää.
2. Vaipan on heijastettava valoa ytimessä niin, että se leviää vain ytimen läpi. On tärkeää, että valonsäde putoaa valonohjaimen sisäänmenokohdassa raja-arvoa suuremmassa kulmassa, jolloin se heijastuu ilman energiahäviötä.
3. Suojaeristys estää kuidun vaurioitumisen ja suojaa sitä haitallisilta vaikutuksilta. Tämän osan ansiosta kaapeli voidaan asentaa myös maan alle.

Kuituoptiikka on nostanut tiedonsiirron aivan uudelle tasolle.

Miten taittumislaki löydettiin

Sen löysi kirjoittanut Willebrord Snellius., hollantilainen matemaatikko, vuonna 1621. Useiden kokeilujen jälkeen hän pystyi muotoilemaan perusnäkökohdat, jotka ovat säilyneet käytännössä muuttumattomina tähän päivään asti. Hän oli se, joka ensimmäisenä havaitsi, että insidenssi- ja heijastuskulmien sinien suhde on vakio.

Ensimmäisen julkaisun, joka sisälsi löytöaineistoa, teki ranskalainen tiedemies René Descartes.. Asiantuntijat ovat kuitenkin eri mieltä; jotkut uskovat, että hän käytti Snelliuksen aineistoa, ja toiset ovat vakuuttuneita siitä, että hän löysi sen itsenäisesti uudelleen.

Lue myös

Mitä kutsutaan valon hajonnaksi

 

Taitekertoimen määritelmä ja kaava

Sattuvat ja taittuvat säteet sekä näiden kahden väliaineen risteyksen läpi kulkeva kohtisuora ovat samassa tasossa. Peittokulman sini suhteessa taitekulman siniin on vakioarvo. Tältä kuulostaa määritelmä, joka voi vaihdella esitystavassa, mutta merkitys pysyy aina samana. Graafinen selitys ja kaava on esitetty alla olevassa kuvassa.

Kaava on yleispätevä ja soveltuu erilaisille väliaineille.

On syytä huomata, että indeksit taittovoimalla ei ole mittayksiköitä.. Tutkiessaan kyseisen ilmiön fysikaalisia perusteita kaksi tiedemiestä kerralla - Christian Huygens Hollannista ja Pierre Fermat Ranskasta, tulivat samaan johtopäätökseen. Hänen mukaansa osuussinus ja taitekuopan sini ovat yhtä suuret kuin aaltojen läpäisevien väliaineiden nopeuksien suhde. Jos valo kulkee toisen väliaineen läpi nopeammin kuin toisen, se on optisesti vähemmän tiheä.

Muuten! Valon nopeus tyhjiössä on suurempi kuin missään muussa aineessa.

Snelliuksen lain fysikaalinen merkitys

Kun valo kulkee tyhjiöstä mihin tahansa aineeseen, se joutuu väistämättä vuorovaikutukseen sen molekyylien kanssa. Mitä suurempi väliaineen optinen tiheys on, sitä enemmän valo vuorovaikuttaa atomien kanssa ja sitä pienempi on sen etenemisnopeus, ja mitä suurempi tiheys on, sitä suurempi on taitekerroin.

Absoluuttista taittumista merkitään n-kirjaimella, joka kertoo, miten valon nopeus muuttuu, kun se siirtyy tyhjiöstä väliaineeseen.

Suhteellinen taittuminen (n₂₁) osoittaa, miten valon nopeus muuttuu siirryttäessä väliaineesta toiseen.

Videolla selitetään 8. luokan fysiikan laki hyvin yksinkertaisesti grafiikan ja animaation avulla.

Lainsäädännön soveltamisala tekniikan alalla

Ilmiön löytämisestä ja käytännön tutkimuksesta on kulunut paljon aikaa. Tulokset ovat auttaneet kehittämään ja toteuttamaan suuren määrän eri aloilla käytettäviä laitteita, joista kannattaa erottaa yleisimmät esimerkit:

1. Silmälääketieteelliset laitteet. Mahdollistaa erilaiset tutkimukset ja patologioiden havaitsemisen.
2. Laitteet vatsan ja sisäelinten tutkimiseen. Saat selkeän kuvan ilman kameraa, mikä tekee prosessista paljon helpomman ja nopeamman.
3. Kaukoputket ja muut tähtitieteelliset laitteet voivat taittumisen ansiosta tuottaa kuvia, joita ei voi nähdä paljain silmin.
   Valon taittuminen kaukoputkien linsseissä mahdollistaa valon keräämisen tarkennettuna, mikä takaa erittäin tarkan tutkimuksen.
4. Myös kiikarit ja vastaavat laitteet toimivat edellä kuvattujen periaatteiden mukaisesti. Niihin kuuluu myös mikroskooppeja.
5. Valokuva- ja videolaitteet, tarkemmin sanottuna niiden optiikka, käyttävät valon taittumista.
6. Kuituoptiikka, joka siirtää suuria tietomääriä millä tahansa etäisyydellä.

Videotunti: Johtopäätös valon taittumislaista.

Valon taittuminen on ilmiö, joka johtuu eri väliaineiden ominaisuuksista. Se voidaan havaita kohdassa, jossa ne yhdistyvät; taipumiskulma riippuu aineiden välisestä erosta. Tätä ominaisuutta käytetään laajalti nykyaikaisessa tieteessä ja tekniikassa.