Когато лъч светлина преминава от една среда в друга - например когато излезе от езерце с вода или когато премине през очилата ви - може да сте забелязали, че се огъва. Това се нарича пречупване и се случва под различни ъгли в зависимост от падащата светлина и материала. Също така очите могат да виждат и предават изображения в мозъка.
Пречупване на светлината
Пречупването е огъване на светлинните лъчи при преминаването им от една среда във втора среда. Това е резултат от факта, че светлината се движи с малко по-различни скорости в различни среди. Колко се пречупва светлинният лъч ще зависи от това колко различна е неговата скорост във втората среда от първата. Колкото по-голяма е разликата в скоростите, толкова по-голям е ъгълът на пречупване.
Можете да мислите за това, като използвате принципа на най-малкото време. Представете си спасител, който се опитва да стигне до плувец, далеч по брега и във водата, за възможно най-кратък период от време. Тя знае, че може да тича много по-бързо, отколкото да плува. Опитът да стигнете до плувеца, като пътувате по права линия, би бил неефективен поради бавната й скорост на плуване спрямо скоростта й на бягане; вместо това тя бяга по плажа, докато не застане почти пред плувеца, и след това скача във водата.
Разстоянието, което изминава, е по-дълго, но изминатото време е по-кратко поради различните й скорости в различни среди. Това прави светлината, когато се пречупва.
Водните вълни могат да се пречупват и при пътуване между области с различна дълбочина, тъй като вълните ще се движат с различна скорост в зависимост от това дали са в плитки или дълбоки води.
Индекс на пречупване
Индексът на пречупване за дадена среда е безразмерно числонкъдетоn = c / v, където° Се скоростта на светлината във вакуум иvе скоростта на светлината в средата. Колкото по-бавно светлината се движи в среда, толкова по-висок ще бъде индексът на пречупване на тази среда. Скоростта на светлинната вълна в дадена среда ще зависи от нейната дължина на вълната, а следователно и индексът на пречупване.
Това води до феномен, наречендисперсия, което може да се види при леки призми: Когато бяла светлина, която съдържа светлинни вълни от много различни дължини на вълната, влиза в призма, всеки компонент на светлинната вълна се пречупва под различен ъгъл в зависимост от своя дължина на вълната. Това създава вид на дъга.
Индексът на пречупване във въздуха зависи от много фактори, включително налягане и температура. „Вълните“, наблюдавани от горещи предмети като настилка през лятото, се появяват, защото светлината се пречупва различно през по-горещия въздух, отколкото по-хладния, причинявайки изкривени изображения.
В допълнение, въздухът в близост до горещ път през лятото всъщност може да отразява светлината, която идва към наблюдателя под плитък ъгъл, като изглежда, че на огледалото има огледало или отразяваща водна повърхност път.
Законът на Снел
Законът на Снел свързва индексите на пречупване на две среди, както и ъгъла на паданеθiдо ъгъла на пречупванеθr, до това как светлината се огъва, когато преминава от една среда в друга.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Това уравнение може да предскаже ъгъла, при който светлината ще пречупи в дадена среда, ако са известни индексите на пречупване на двете среди и ъгъла на падане. Това важи за всяка ситуация, включваща пречупване на светлината, с всякакви две среди.
Общо вътрешно отражение
Ако светлинните вълни преминават от среда с висок показател на пречупване към среда с по-нисък показател на пречупване, има критичен ъгъл, над който светлината става достатъчно огъната, така че нито една от нея да не се премести в другата среда. Това се нарича пълно вътрешно отражение.
Критичният ъгъл е ъгълът на падане, за който изходящият лъч има ъгъл на пречупване от 90 градуса. Така
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
При ъгли над критичния ъгъл цялата светлина претърпява пълно вътрешно отражение.
Пълното вътрешно отражение обяснява защо от определен ъгъл повърхността вода / въздух в рибен резервоар, когато се наблюдава отдолу, ще изглежда като перфектно огледало. Въздухът има много по-нисък коефициент на пречупване от водата и затова светлинните вълни под малък ъгъл спрямо повърхността отдолу ще се отразява от повърхността, вместо да пречупва през нея, създавайки a огледало.
Пълно вътрешно отражение може да възникне и във водни вълни и звукови вълни.
Лещи
Пречупването на светлината в среда може да се промени, когато повърхността между медиите е извита. Всъщност светлината, която идва от една и съща посока, ще пречупва под различни ъгли в зависимост от това къде върху извитата повърхност удря.
Лещите са парчета от прозрачен материал с извити страни, които използват пречупване, за да повлияят на пътя на светлината. Сходящата се леща е по-дебела в средата, позволявайки на светлинните лъчи, влизащи от едната страна на лещата, да се сближат до фокусна точка от другата страна. Това използват лупите и някои телескопи.
Вдлъбнатата леща е по-тънка в средата, отколкото е в краищата, а светлинните лъчи, влизащи от едната страна, се пречупват навън и се разпространяват, когато се появяват от другата страна.
И двата вида лещи се използват в коригиращото зрение, независимо дали в очила или в контакти, в зависимост от това какъв е проблемът в окото.
Примери
Очите ни интерпретират светлината, използвайки пречупване. Светлината навлиза в роговицата и след това в лещата, пречупвайки се в точно определена точка на ретината. След това изображението се предава в мозъка чрез зрителния нерв. Сълзените очи водят до замъглено зрение поради пречупващите свойства на сълзите.
Всичко, което съдържа оптични влакна, разчита на пълното вътрешно отражение. Влакната имат висок индекс на пречупване и са заобиколени от материал с много нисък индекс на пречупване. Докато светлината се движи през влакното, ъгълът му с външната страна на влакното е достатъчно нисък, за да не му избяга. Това позволява на влакното да пренася много фокусирана светлина на голямо разстояние. Оптичната оптика се използва предимно в интернет и телефонни услуги.
Дъгите са причинени от пречупване и отразяване на слънчевата светлина от капките вода във въздуха. Това може да се случи след дъждовни бури или при мъгливи условия, но също и в близост до водопади и фонтани. Както бе споменато по-горе, различните дължини на вълните (цветовете) на светлината имат малко по-различни показатели на пречупване за даден материал, което ги кара да пречупват под различни ъгли. След това наблюдател вижда дъга от цветове, подредени по дължина на вълната.
Пречупването е причината водата в езерото да изглежда по-плитка, отколкото е в действителност. Веднага след като светлината във въздуха навлезе във вода, тя се огъва под по-малък ъгъл спрямо повърхността поради пречупване. За наблюдател от "въздушната" страна на повърхността изглежда, че всичко под повърхността е по-плитко, тъй като светлината е огъната под по-малки ъгли.
Критичният ъгъл също влияе върху начина на изрязване на скъпоценните камъни. Скъпоценният камък може да бъде изрязан така, че светлината, която влиза в него, да претърпи пълно вътрешно отражение, когато удари задните фасети, излизайки отново от предната страна на камъка, за да изглежда по-ярка. Диамантът с висок индекс на пречупване е особено идеален за това, което го прави популярен скъпоценен камък.