Når en lysstråle passerer fra et medium til et andet - som når det kommer ud af en dam med vand, eller når det passerer gennem dine briller - har du måske bemærket, at det bøjes. Dette kaldes brydning, og det sker i forskellige vinkler afhængigt af det indfaldende lys og materialet. Det er også, hvordan øjne kan se og overføre billeder til hjernen.
Brydning af lys
Brydning er bøjning af lysstråler, når de passerer fra et medium til et andet medium. Det skyldes, at lys bevæger sig med lidt forskellige hastigheder i forskellige medier. Hvor meget en lysstråle brydes, afhænger af, hvor forskellig hastigheden er i det andet medium fra det første. Jo større forskellen i hastigheder, jo større brydningsvinkel.
Du kan tænke over dette ved hjælp af princippet om mindst tid. Forestil dig en livredder, der prøver at nå en svømmer langt ned ad kysten og ude i vandet på kortest mulig tid. Hun ved, at hun kan løbe meget hurtigere, end hun kan svømme. At forsøge at komme til svømmeren ved at rejse i lige linje ville være ineffektivt på grund af hendes langsomme svømmehastighed i forhold til hendes løbehastighed; i stedet løber hun ned ad stranden, indtil hun er næsten foran svømmeren og hopper derefter i vandet.
Den afstand, hun rejser, er længere, men den tilbagelagte tid er kortere på grund af hendes forskellige hastigheder i forskellige medier. Dette er hvad lyset gør, når det brydes.
Vandbølger kan også brydes, når de rejser mellem områder med forskellige dybder, fordi bølger bevæger sig med forskellige hastigheder afhængigt af om de er på lavt vand eller dybt vand.
Brydningsindeks
Brydningsindekset for et givet medium er et enhedsløst talnhvorn = c / v, hvorcer lysets hastighed i vakuum ogver lysets hastighed i mediet. Jo langsommere lys bevæger sig i et medium, jo højere vil mediets brydningsindeks være. Hastigheden af en lysbølge i et medium vil afhænge af dens bølgelængde, og derfor også brydningsindekset.
Dette fører til et fænomen kaldetspredning, som kan ses i lysprismer: Når hvidt lys, som indeholder lysbølger af mange forskellige bølgelængder, går ind i et prisme, hver komponents lysbølge brydes i en anden vinkel afhængigt af dens bølgelængde. Dette skaber udseendet af en regnbue.
Luftbrydningsindekset afhænger af mange faktorer, herunder tryk og temperatur. De "bølger", der ses fra varme genstande som fortov om sommeren, opstår, fordi lys bryder anderledes gennem varmere luft end køligere luft og forårsager forvrængede billeder.
Derudover kan luft nær en varm vej om sommeren faktisk reflektere lys, der kommer mod en observatør i en lav vinkel, så det ser ud som om der var et spejl eller en reflekterende vandoverflade på vej.
Snells lov
Snells lov vedrører brydningsindekserne for to medier såvel som indfaldsvinklenθjegtil brydningsvinklenθr, til hvordan lyset bøjer sig, når det passerer fra det ene medium til det andet.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Denne ligning kan forudsige den vinkel, hvormed lys brydes i et givet medium, hvis brydningsindekserne for begge medier og den indfaldende vinkel er kendt. Det gælder i enhver situation, der involverer lysbrydning med to medier.
Total intern refleksion
Hvis lysbølger passerer fra et medium med et højt brydningsindeks til et medium med et lavere brydningsindeks, der er en kritisk vinkel, over hvilken lyset bliver bøjet nok til, at intet af det bevæger sig ind i det andet medium. Dette kaldes total intern refleksion.
Den kritiske vinkel er den indfaldende vinkel, for hvilken den udgående stråle har en brydningsvinkel på 90 grader. Så
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
Ved vinkler over den kritiske vinkel gennemgår alt lys total intern refleksion.
Total intern refleksion forklarer, hvorfor vand / luftoverfladen i en akvarium set fra neden fra en bestemt vinkel vil se ud som et perfekt spejl. Luft har et meget lavere brydningsindeks end vand, og så lysbølger i en lav vinkel i forhold til overflade nedenfra reflekteres ud af overfladen i stedet for at bryde igennem den og skabe en spejl.
Total intern refleksion kan også forekomme i vandbølger og lydbølger.
Linser
Brydningen af lys i et medium kan ændre sig, når overfladen mellem medierne er buet. Faktisk vil lys, der kommer fra samme retning, bryde i forskellige vinkler afhængigt af hvor på den buede overflade det rammer.
Linser er stykker af gennemsigtigt materiale med buede sider, der bruger brydning for at påvirke lysets vej. En konvergerende linse er tykkere i midten, så lysstråler, der kommer ind fra den ene side af linsen, konvergerer til et brændpunkt på den anden side. Dette er hvad forstørrelsesglas og nogle teleskoper bruger.
En konkav linse er tyndere i midten, end den er ved kanterne, og lysstråler, der kommer ind fra den ene side, brydes udad og spredes fra hinanden, når de kommer frem på den anden side.
Begge linser bruges til korrigerende syn, hvad enten det er i briller eller kontakter, afhængigt af hvad problemet i øjet er.
Eksempler
Vores øjne fortolker lys ved hjælp af brydning. Lys kommer ind i hornhinden og derefter linsen og bryder ind i et præcist punkt ved nethinden. Billedet transmitteres derefter til hjernen gennem synsnerven. Triste øjne fører til sløret syn på grund af tåres brydningsegenskaber.
Alt, der indeholder optiske fibre, er afhængig af total intern refleksion. Fibrene har et højt brydningsindeks og er omgivet af materiale med et meget lavt brydningsindeks. Når lys bevæger sig gennem fiberen, er dens vinkel med fiberens yderside lav nok til at forhindre den i at undslippe. Dette gør det muligt for fiberen at bære meget fokuseret lys en stor afstand. Fiberoptik bruges primært i internet- og telefontjenester.
Regnbuer er forårsaget af refraktion og refleksion af sollys fra vanddråber i luften. Dette kan ske efter regnvejr eller under tåge, men også nær vandfald og springvand. Som nævnt før har forskellige bølgelængder (farver) af lys lidt forskellige brydningsindeks for et givet materiale, hvilket får dem til at bryde i forskellige vinkler. En observatør ser derefter en regnbue af farver i rækkefølge efter bølgelængde.
Brydning er grunden til, at vand i en dam ser overfladisk ud, end det virkelig er. Så snart lys i luft kommer ind i vand, bøjes det i en lavere vinkel på overfladen på grund af brydning. For en observatør på "luft" -siden af overfladen ser det ud som om alt under overfladen er lavere, fordi lyset er bøjet i lavere vinkler.
Den kritiske vinkel påvirker også den måde, ædelsten skæres på. En ædelsten kan skæres således, at lys, der trænger ind i den, gennemgår total intern refleksion, når den rammer de bageste facetter og kommer ud af forsiden af stenen igen for at få den til at virke lysere. Diamant med et højt brydningsindeks er især ideel til dette, hvilket gør det til en populær ædelsten.