Když paprsek světla prochází z jednoho média do druhého - například když opouští vodní nádrž nebo když prochází brýlemi - možná jste si všimli, že se ohýbá. Tomu se říká lom a děje se v různých úhlech v závislosti na dopadajícím světle a materiálu. Je to také způsob, jakým mohou oči vidět a přenášet obrazy do mozku.
Lom světla
Lom je ohýbání světelných paprsků, které procházejí z jednoho média do druhého média. Vyplývá to ze skutečnosti, že světlo se pohybuje v různých médiích mírně odlišnými rychlostmi. Kolik se světelný paprsek láme, bude záviset na tom, jak odlišná je jeho rychlost ve druhém médiu od prvního. Čím větší je rozdíl rychlostí, tím větší je úhel lomu.
Můžete o tom přemýšlet pomocí principu nejméně času. Představte si plavčíka, jak se snaží v nejkratší možné době dosáhnout plavce, daleko dolů na břeh a ve vodě. Ví, že umí běžet mnohem rychleji, než umí plavat. Pokus dostat se k plavci přímou cestou by byl neefektivní kvůli její pomalé rychlosti plavání vzhledem k její rychlosti běhu; místo toho běží po pláži, dokud není téměř před plavecem, a pak skočí do vody.
Vzdálenost, kterou cestuje, je delší, ale uběhnutý čas je kratší kvůli různým rychlostem v různých médiích. To je to, co světlo dělá, když je lomeno.
Vodní vlny lze také lámat, když cestujete mezi oblastmi různých hloubek, protože vlny se budou pohybovat různými rychlostmi v závislosti na tom, zda jsou v mělké vodě nebo hluboké vodě.
Index lomu
Index lomu pro dané médium je bezjednotkové číslonkden = c / v, kdeCje rychlost světla ve vakuu aprotije rychlost světla v médiu. Čím pomalejší světlo se pohybuje v médiu, tím vyšší bude index lomu média. Rychlost světelné vlny v médiu bude záviset na její vlnové délce, a proto bude i index lomu.
To vede k jevu zvanémudisperze, které lze vidět ve světelných hranolech: Když bílé světlo, které obsahuje světelné vlny mnoha různých vlnové délky vstupuje do hranolu, každá složená světelná vlna se láme pod jiným úhlem v závislosti na jejím vlnová délka. To vytváří vzhled duhy.
Index lomu ve vzduchu závisí na mnoha faktorech, včetně tlaku a teploty. Viděné „vlny“ vyzařované z horkých předmětů, jako je dlažba v létě, se vyskytují, protože světlo se láme jiným teplým vzduchem než chladnějším vzduchem a způsobuje zkreslené obrazy.
Navíc vzduch v blízkosti horké cesty v létě může ve skutečnosti odrážet světlo přicházející k pozorovateli v mělkém úhlu, takže to vypadalo, jako by na něm bylo zrcadlo nebo odrazná vodní plocha silnice.
Snellov zákon
Snellův zákon se týká indexů lomu dvou médií a úhlu dopaduθido úhlu lomuθr, jak se světlo ohýbá při přechodu z jednoho média do druhého.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Tato rovnice může předpovědět úhel, pod kterým se světlo bude lámat v daném médiu, pokud jsou známy indexy lomu obou médií a dopadajícího úhlu. Platí to v každé situaci zahrnující lom světla, s jakýmikoli dvěma médii.
Celková vnitřní reflexe
Pokud světelné vlny procházejí ze média s vysokým indexem lomu do média s nižším indexem lomu, existuje kritický úhel, nad kterým se světlo ohne natolik, že se žádné z nich nepohne do jiného média. Tomu se říká úplná vnitřní reflexe.
Kritický úhel je úhel dopadu, pro který má vycházející paprsek úhel lomu 90 stupňů. Tak
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
V úhlech nad kritickým úhlem prochází veškeré světlo úplným vnitřním odrazem.
Celkový vnitřní odraz vysvětluje, proč z určitého úhlu bude povrch vody a vzduchu v akváriu při pozorování zdola vypadat jako dokonalé zrcadlo. Vzduch má mnohem nižší index lomu než voda, a proto jsou k němu lehké vlny v mělkém úhlu povrch zespodu se bude od povrchu odrážet, místo aby se lámal, čímž vytvoří a zrcadlo.
K úplnému vnitřnímu odrazu může dojít také ve vodních vlnách a zvukových vlnách.
Objektivy
Lom světla v médiu se může změnit, když je povrch mezi médii zakřivený. Ve skutečnosti bude světlo přicházející ze stejného směru lámat v různých úhlech v závislosti na tom, kam na zakřivený povrch dopadne.
Objektivy jsou kousky průhledného materiálu se zakřivenými stranami, které využívají lom světla k ovlivnění dráhy světla. Sbíhající se čočka je uprostřed silnější, což umožňuje světelným paprskům vstupujícím z jedné strany čočky, aby se sbíhaly k ohnisku na druhé straně. To používají lupy a některé dalekohledy.
Konkávní čočka je uprostřed tenčí než na okrajích a světelné paprsky vstupující z jedné strany se lámou směrem ven a šíří se od sebe, jak se objevují na druhé straně.
Oba druhy čoček se používají v korekčním vidění, ať už v brýlích nebo kontaktech, podle toho, jaký je problém v oku.
Příklady
Naše oči interpretují světlo pomocí lomu. Světlo vstupuje do rohovky a poté do čočky a láme se do přesného bodu na sítnici. Obraz se poté přenáší do mozku optickým nervem. Uplakané oči vedou k rozmazanému vidění kvůli refrakčním vlastnostem slz.
Cokoli, co obsahuje optická vlákna, závisí na úplném vnitřním odrazu. Vlákna mají vysoký index lomu a jsou obklopena materiálem s velmi nízkým indexem lomu. Jak světlo prochází vláknem, jeho úhel s vnější stranou vlákna je dostatečně nízký, aby zabránil úniku. To umožňuje vláknu nést velmi zaostřené světlo na velkou vzdálenost. Vláknová optika se používá především v internetových a telefonních službách.
Duhy jsou způsobeny lomem a odrazem slunečního světla od kapiček vody ve vzduchu. K tomu může dojít po bouřkách nebo v mlhavých podmínkách, ale také v blízkosti vodopádů a fontán. Jak již bylo zmíněno dříve, různé vlnové délky (barvy) světla mají mírně odlišné indexy lomu pro daný materiál, což je činí lomem pod různými úhly. Pozorovatel pak uvidí duhu barev v pořadí podle vlnové délky.
Lom světla je důvod, proč voda v rybníku vypadá mělčí, než ve skutečnosti je. Jakmile světlo ve vzduchu pronikne do vody, ohne se v důsledku lomu pod povrchem v mělčím úhlu. Pozorovateli na „vzduchové“ straně povrchu se zdá, jako by vše pod povrchem bylo mělčí, protože světlo je ohnuté v mělčích úhlech.
Kritický úhel také ovlivňuje způsob broušení drahokamů. Drahokam může být řezán tak, že světlo, které do něj vstupuje, prochází úplným vnitřním odrazem, když zasáhne zadní fazety, znovu se vynoří z přední části kamene, aby vypadalo jasnější. K tomu je zvláště vhodný diamant s vysokým indexem lomu, který z něj činí oblíbený drahokam.