Formeln för ljusets brytningslag - allmänna och speciella fall

Lagen om ljusbrytning används inom många olika områden och hjälper till att bestämma hur strålar beter sig när de går från ett medium till ett annat. Det är inte svårt att förstå vad som kännetecknar detta fenomen, dess orsaker och andra viktiga nyanser. Det lönar sig också att förstå brytningstyperna, eftersom de är av stor betydelse när man beräknar och använder lagens principer i praktiken.

Det vanligaste exemplet visas med ett rör eller en sked i ett klart vattenglas.

Vad är fenomenet ljusbrytning?

Nästan alla känner till detta fenomen, eftersom det är vanligt förekommande i vardagen. Om du till exempel tittar på botten av en behållare med genomskinligt vatten verkar det alltid vara närmare än vad det egentligen är. Förvrängningen kan ses i akvarier och är bekant för nästan alla. Men för att förstå frågan måste man ta hänsyn till några viktiga aspekter.

Skäl till refraktion

Här är egenskaperna hos de olika medier som ljuset färdas genom avgörande. Deras densitet varierar ofta, vilket gör att ljuset sprids med olika hastighet. Detta har också en direkt effekt på dess egenskaper.

När solljuset passerar genom ett prisma sprids det i alla spektralfärger.

När ljuset passerar från ett medium till ett annat (vid den punkt där de möts) ändrar det riktning på grund av skillnader i densitet och andra egenskaper. Avvikelsen kan vara olika, ju större skillnaden i mediernas egenskaper är, desto större blir förvrängningen i slutändan.

Förresten! När ljuset bryts, reflekteras alltid en del av det.

Exempel från livet

Det finns exempel nästan överallt, så vem som helst kan se hur brytning påverkar uppfattningen av objekt. De mest karakteristiska varianterna är följande:

1. Om du placerar en sked eller ett rör i ett vattenglas kan du se hur föremålet visuellt upphör att vara rakt och avböjs från gränsen mellan de två medierna. Denna optiska illusion används oftast som exempel.
2. Vid varmt väder uppstår ofta en pöl-effekt på asfalt. Detta beror på att strålarna bryts vid den kraftiga temperaturskillnaden (nära själva marken) så att ögat ser en liten reflektion av himlen.
3. Mirages uppstår också som ett resultat av brytning. Detta är mer komplicerat, men fenomenet finns inte bara i öknen, utan även i bergen och till och med i mellanzonen. Ett annat alternativ är när du kan se objekt som ligger bortom horisontlinjen.
   En hägring är ett av naturens underverk som orsakas av ljusets brytning.
4. Principerna för brytning används också i många föremål som används i vardagen: glasögon, förstoringsglas, dörröppningar, projektorer och bildspel, kikare och mycket mer.
5. Många typer av vetenskaplig utrustning fungerar genom att tillämpa lagen i fråga. Det handlar bland annat om mikroskop, teleskop och andra sofistikerade optiska instrument.

Vad är brytningsvinkeln?

Brytningsvinkeln är den vinkel som bildas av brytningsfenomenet vid gränsen mellan två genomskinliga medier med olika egenskaper för ljusgenomsläpplighet. Den bestäms från en vinkelrät linje som dras till det brytande planet.

Om en vätska med högre densitet än vatten hälls i ett glas blir brytningsvinkeln större.

Detta fenomen orsakas av två lagar, nämligen energihushållning och rörelsemängdshushållning. När mediets egenskaper förändras ändras vågens hastighet oundvikligen, men frekvensen förblir densamma.

Vad beror brytningsvinkeln på?

Indexet kan variera och beror främst på egenskaperna hos de två medier som ljuset passerar genom. Ju större skillnaden mellan dem är, desto större är den visuella avledningen.

Vinkeln beror också på våglängden hos det utsända ljuset. När detta värde ändras, ändras även avvikelsen. I vissa miljöer har den elektromagnetiska vågens frekvens också stor betydelse, men det är inte alltid fallet.

I optiskt anisotropa material påverkas vinkeln av ljusets polarisation och riktning.

Typer av refraktion

Den vanligaste typen är ljusets vanliga brytning, när man på grund av olika egenskaper hos mediet kan observera en förvrängande effekt i viss utsträckning. Men det finns andra sorter som förekommer parallellt eller som kan ses som ett separat fenomen.

När en vertikalt polariserad våg träffar gränsen mellan två medier i en viss vinkel (kallad Brewster-vinkeln) kan man se den totala brytningen. I detta fall finns det ingen reflekterad våg alls.

Total intern reflektion kan endast observeras när strålning passerar från ett medium med högre brytningsindex till ett mindre tätt medium. I detta fall är brytningsvinkeln större än infallsvinkeln. Det finns alltså ett omvänt förhållande. När infallsvinkeln ökar blir indexet dessutom 90 grader när det når ett visst värde.

Om ljuset faller på gränsen mellan de två medierna i en viss vinkel kan det helt enkelt reflekteras.

Om du ökar värdet ytterligare kommer strålen att reflekteras från gränsen mellan de två ämnena utan att passera in i det andra mediet. Det är detta fenomen som kallas total intern reflektion.

Läs också

Lagarna för ljusets reflektion och historien om hur de upptäcktes

 

Här behövs ett förtydligande när det gäller beräkningen av siffrorna, eftersom formeln skiljer sig från standardformeln. I det här fallet ser det ut så här:

sin _pr=n₂₁

Detta fenomen gjorde det möjligt att skapa optiska fibrer, ett material som kan överföra enorma mängder information över obegränsade avstånd med en hastighet som är otillgänglig för andra alternativ. Till skillnad från en spegel sker reflektionen i det här fallet utan energiförlust, även vid flera reflektioner.

Optiska fibrer har en enkel struktur:

1. Den ljusgenomsläppliga kärnan är tillverkad av plast eller glas. Ju större tvärsnittet är, desto större informationsmängd kan överföras.
2. Höljet måste reflektera ljuset i kärnan så att det bara sprids genom kärnan. Det är viktigt att strålen faller i en vinkel som är större än gränsen vid den punkt där den går in i ljusledaren, då den reflekteras utan energiförlust.
3. Skyddsisoleringen förhindrar skador på fibern och skyddar den från negativa påverkan. Tack vare denna del kan kabeln också förläggas under jord.

Fiberoptik har tagit informationsöverföringen till en helt ny nivå.

Hur brytningslagen upptäcktes

Den upptäcktes av av Willebrord Snellius., en nederländsk matematiker, 1621. Efter en rad experiment kunde han formulera de grundläggande aspekterna, som har förblivit praktiskt taget oförändrade fram till i dag. Det var han som först noterade att förhållandet mellan sinus av infallsvinklarna och reflektionsvinklarna är konstant.

Den första publikationen med materialet från upptäckten gjordes av den franska forskaren René Descartes.. Experterna är dock oense; vissa anser att han använde Snellius material och andra är övertygade om att han upptäckte det på egen hand.

Läs också

Vad kallas ljusets dispersion?

 

Definition och formel för brytningsindex

De infallande och brytande strålarna och den vinkelräta strålen som passerar genom de två mediernas korsningspunkt ligger i samma plan. Sinus av infallsvinkeln i förhållande till sinus av brytningsvinkeln är ett konstant värde. Så här låter definitionen, som kan se olika ut men vars innebörd alltid är densamma. Den grafiska förklaringen och formeln visas i bilden nedan.

Formulan är universell och lämpar sig för olika medier.

Det är värt att notera att indexen brytning har inga måttenheter.. Vid ett tillfälle, när de studerade de fysiska grunderna för fenomenet i fråga, var det två forskare som samtidigt - Christian Huygens från Holland och Pierre Fermat från Frankrike kom till samma slutsats. Enligt honom är sinus av infall och sinus av brytning lika med förhållandet mellan hastigheterna i de medier som vågorna passerar genom. Om ljuset passerar genom ett medium snabbare än det andra är det optiskt mindre tätt.

Förresten! Ljusets hastighet i ett vakuum är högre än i något annat ämne.

Den fysiska innebörden av Snellius' lag

När ljuset passerar från ett vakuum in i något annat ämne interagerar det oundvikligen med dess molekyler. Ju högre optisk täthet mediet har, desto mer interagerar ljuset med atomerna och desto lägre är dess utbredningshastighet, och ju högre täthet desto högre brytningsindex.

Absolut brytning betecknas med bokstaven n, vilket ger en uppfattning om hur ljusets hastighet förändras när det rör sig från ett vakuum till ett medium.

Relativ brytning (n₂₁) visar hur ljusets hastighet förändras när det rör sig från ett medium till ett annat.

I videon förklaras lagen från fysik i årskurs 8 mycket enkelt med grafik och animationer.

Lagens räckvidd inom tekniken

Det har gått mycket tid sedan fenomenet upptäcktes och den praktiska forskningen inleddes. Resultaten har bidragit till att utveckla och förverkliga ett stort antal anordningar som används inom olika sektorer, och det är värt att ta fram de vanligaste exemplen:

1. Oftalmologisk utrustning. Gör det möjligt att göra en mängd olika undersökningar och upptäcka patologier.
2. Anordningar för undersökning av mage och inre organ. Du kan få en tydlig bild utan att använda en kamera, vilket gör processen mycket enklare och snabbare.
3. Teleskop och annan astronomisk utrustning kan tack vare refraktion ge bilder som inte kan ses med blotta ögat.
   Ljusets brytning i teleskopens linser gör att ljuset kan samlas in i fokus, vilket ger hög precision i forskningen.
4. Kikare och liknande instrument fungerar också enligt de principer som beskrivs ovan. De innehåller också mikroskop.
5. Foto- och videoutrustning, och närmare bestämt dess optik, använder sig av ljusbrytning.
6. Fiberoptik som överför stora mängder information över ett obegränsat avstånd.

Videolektion: Slutsats om lagen om ljusets brytning.

Ljusets brytning är ett fenomen som orsakas av egenskaperna hos olika medier. Den kan observeras i den punkt där de kombineras; avböjningsvinkeln beror på skillnaden mellan ämnena. Denna funktion används i stor utsträckning inom modern vetenskap och teknik.