Ανανέωση: Ορισμός, νόμος του Snell & δείκτης διάθλασης

Καθώς μια ακτίνα φωτός περνά από το ένα μέσο στο άλλο - όπως όταν βγαίνει από μια λιμνούλα νερού ή όταν περνά μέσα από τα γυαλιά σας - μπορεί να έχετε παρατηρήσει ότι λυγίζει. Αυτό ονομάζεται διάθλαση και συμβαίνει σε διαφορετικές γωνίες ανάλογα με το προσπίπτον φως και το υλικό. Είναι επίσης πώς τα μάτια μπορούν να δουν και να μεταδώσουν εικόνες στον εγκέφαλο.

Η διάθλαση είναι η κάμψη των ακτίνων φωτός καθώς περνούν από ένα μέσο σε ένα δεύτερο μέσο. Προκύπτει από το γεγονός ότι το φως ταξιδεύει με ελαφρώς διαφορετικές ταχύτητες σε διαφορετικά μέσα. Το πόσο διαθλάται μια ακτίνα φωτός εξαρτάται από το πόσο διαφορετική είναι η ταχύτητά της στο δεύτερο μέσο από το πρώτο. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στις ταχύτητες, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία διάθλασης.

Μπορείτε να το σκεφτείτε χρησιμοποιώντας την αρχή του ελάχιστου χρόνου. Φανταστείτε έναν ναυαγοσώστη που προσπαθεί να φτάσει σε έναν κολυμβητή, πολύ κάτω από την ακτή και έξω στο νερό, στο συντομότερο δυνατό χρονικό διάστημα. Ξέρει ότι μπορεί να τρέξει πολύ πιο γρήγορα από ότι μπορεί να κολυμπήσει. Η προσπάθεια να φτάσετε στον κολυμβητή ταξιδεύοντας σε ευθεία γραμμή θα ήταν αναποτελεσματική λόγω της αργής ταχύτητας κολύμβησης σε σχέση με την ταχύτητά της. Αντ 'αυτού, τρέχει κάτω από την παραλία έως ότου είναι σχεδόν μπροστά από τον κολυμβητή, και στη συνέχεια πηδά στο νερό.

Η απόσταση που διανύει είναι μεγαλύτερη, αλλά ο χρόνος που διανύεται είναι μικρότερος λόγω των διαφορετικών ταχυτήτων της σε διαφορετικά μέσα. Αυτό κάνει το φως όταν διαθλάται.

Τα κύματα του νερού μπορούν επίσης να διαθλαθούν όταν ταξιδεύουν μεταξύ περιοχών διαφορετικών βάθους, επειδή τα κύματα θα ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες ανάλογα με το αν βρίσκονται σε ρηχά νερά ή σε βαθιά νερά.

Ο δείκτης διάθλασης για ένα δεδομένο μέσο είναι ένας αριθμός χωρίς μονάδανόπουn = c / ν, όπουντοείναι η ταχύτητα του φωτός σε κενό καιβείναι η ταχύτητα του φωτός στο μέσο. Όσο πιο αργό φως ταξιδεύει σε ένα μέσο, ​​τόσο υψηλότερο θα είναι ο δείκτης διάθλασης του μέσου. Η ταχύτητα ενός φωτός κύματος σε ένα μέσο θα εξαρτηθεί από το μήκος κύματος του, και ως εκ τούτου θα ισχύει και ο δείκτης διάθλασης.

Αυτό οδηγεί σε ένα φαινόμενο που ονομάζεταιδιασπορά, το οποίο μπορεί να φανεί σε πρίσματα φωτός: Όταν το λευκό φως, το οποίο περιέχει κύματα φωτός πολλών διαφορετικών μήκη κύματος, μπαίνει σε πρίσμα, κάθε συστατικό κύμα φωτός διαθλάται σε διαφορετική γωνία ανάλογα με το μήκος κύματος. Αυτό δημιουργεί την εμφάνιση ενός ουράνιου τόξου.

Ο δείκτης διάθλασης στον αέρα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της πίεσης και της θερμοκρασίας. Τα «κύματα» που φαίνονται να προέρχονται από καυτά αντικείμενα όπως το πεζοδρόμιο το καλοκαίρι συμβαίνουν επειδή το φως διαθλάται διαφορετικά μέσω του θερμού αέρα από τον ψυχρότερο αέρα, προκαλώντας παραμορφωμένες εικόνες.

Επιπλέον, ο αέρας κοντά σε έναν καυτό δρόμο το καλοκαίρι μπορεί στην πραγματικότητα να αντανακλά το φως που έρχεται προς έναν παρατηρητή σε ρηχή γωνία, κάνοντάς το να φαίνεται σαν να υπήρχε καθρέφτης ή ανακλαστική επιφάνεια νερού στο δρόμος.

Ο νόμος του Snell αφορά τους δείκτες διάθλασης δύο μέσων, καθώς και τη γωνία επίπτωσηςθ_Εγώστη γωνία της διάθλασηςθ_ρ, στο πώς το φως λυγίζει καθώς περνά από το ένα μέσο στο άλλο.

Αυτή η εξίσωση μπορεί να προβλέψει τη γωνία με την οποία το φως θα διαθλάσει σε ένα δεδομένο μέσο, ​​εάν είναι γνωστοί οι δείκτες διάθλασης και των δύο μέσων και η προσπίπτουσα γωνία. Ισχύει σε κάθε περίπτωση που συνεπάγεται τη διάθλαση του φωτός, με τα δύο μέσα.

Εάν τα κύματα φωτός περνούν από ένα μέσο με υψηλό δείκτη διάθλασης σε ένα μέσο με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης, υπάρχει μια κρίσιμη γωνία πάνω από την οποία το φως κάμπτεται αρκετά ώστε κανένα από αυτά να μην κινείται στο άλλο μέσο. Αυτό ονομάζεται συνολική εσωτερική αντανάκλαση.

Η κρίσιμη γωνία είναι η γωνία πρόσπτωσης για την οποία η εξερχόμενη ακτίνα έχει γωνία διάθλασης 90 μοίρες. Έτσι

Σε γωνίες πάνω από την κρίσιμη γωνία, όλο το φως υφίσταται ολική εσωτερική ανάκλαση.

Η συνολική εσωτερική αντανάκλαση εξηγεί γιατί, από μια συγκεκριμένη γωνία, η επιφάνεια νερού / αέρα σε μια δεξαμενή ψαριών όταν παρατηρηθεί από κάτω θα μοιάζει με τέλειο καθρέφτη. Ο αέρας έχει πολύ χαμηλότερο δείκτη διάθλασης από το νερό, και έτσι τα φωτεινά κύματα σε ρηχή γωνία προς το Η επιφάνεια από κάτω θα ανακλάται από την επιφάνεια αντί να διαθλάται μέσω αυτής, δημιουργώντας ένα καθρέφτης.

Ολική εσωτερική ανάκλαση μπορεί επίσης να συμβεί σε κύματα νερού και ηχητικά κύματα.

Η διάθλαση του φωτός σε ένα μέσο μπορεί να αλλάξει όταν η επιφάνεια μεταξύ των μέσων είναι καμπύλη. Στην πραγματικότητα, το φως που προέρχεται από την ίδια κατεύθυνση θα διαθλάται σε διαφορετικές γωνίες ανάλογα με το πού βρίσκεται στην καμπύλη επιφάνεια.

Οι φακοί είναι κομμάτια από διαφανές υλικό με καμπύλες πλευρές που χρησιμοποιούν διάθλαση για να επηρεάσουν τη διαδρομή του φωτός. Ένας συγκλίνων φακός είναι παχύτερος στη μέση, επιτρέποντας στις ακτίνες φωτός που εισέρχονται από τη μία πλευρά του φακού να συγκλίνουν σε ένα εστιακό σημείο στην άλλη πλευρά. Αυτό χρησιμοποιούν οι μεγεθυντικοί φακοί και ορισμένα τηλεσκόπια.

Ένας κοίλος φακός είναι λεπτότερος στη μέση από ό, τι στις άκρες και οι ακτίνες φωτός που εισέρχονται από τη μία πλευρά διαθλάται προς τα έξω και απλώνονται καθώς εμφανίζονται στην άλλη πλευρά.

Και τα δύο είδη φακών χρησιμοποιούνται στη διορθωτική όραση, είτε σε γυαλιά είτε σε επαφές, ανάλογα με το πρόβλημα στο μάτι.

Τα μάτια μας ερμηνεύουν το φως χρησιμοποιώντας διάθλαση. Το φως εισέρχεται στον κερατοειδή και μετά στον φακό, διαθλασμένο σε ένα ακριβές σημείο στον αμφιβληστροειδή. Στη συνέχεια, η εικόνα μεταδίδεται στον εγκέφαλο μέσω του οπτικού νεύρου. Τα δάκρυα μάτια οδηγούν σε θολή όραση λόγω των διαθλαστικών ιδιοτήτων των δακρύων.

Οτιδήποτε περιέχει οπτικές ίνες βασίζεται στη συνολική εσωτερική ανάκλαση. Οι ίνες έχουν υψηλό δείκτη διάθλασης και περιβάλλονται από υλικό με πολύ χαμηλό δείκτη διάθλασης. Καθώς το φως κινείται μέσω της ίνας, η γωνία του με το εξωτερικό της ίνας είναι αρκετά χαμηλή για να την αποτρέψει να διαφύγει. Αυτό επιτρέπει στην ίνα να μεταφέρει πολύ εστιασμένο φως σε μεγάλη απόσταση. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται κυρίως σε υπηρεσίες διαδικτύου και τηλεφώνου.

Τα ουράνια τόξα προκαλούνται από διάθλαση και ανάκλαση του ηλιακού φωτός από σταγονίδια νερού στον αέρα. Αυτό μπορεί να συμβεί μετά από καταιγίδες ή σε ομιχλώδεις συνθήκες, αλλά και κοντά σε καταρράκτες και σιντριβάνια. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, διαφορετικά μήκη κύματος (χρώματα) φωτός έχουν ελαφρώς διαφορετικούς δείκτες διάθλασης για ένα δεδομένο υλικό, γεγονός που τα καθιστά διαθλασμένα σε διαφορετικές γωνίες. Στη συνέχεια, ένας παρατηρητής βλέπει ένα ουράνιο τόξο χρωμάτων, κατά σειρά μήκους κύματος.

Η διάθλαση είναι ο λόγος για τον οποίο το νερό σε μια λίμνη φαίνεται πιο ρηχό από ότι είναι. Μόλις το φως στον αέρα εισέλθει στο νερό, κάμπτεται σε μια πιο ρηχή γωνία προς την επιφάνεια λόγω της διάθλασης. Για έναν παρατηρητή στην πλευρά "αέρα" της επιφάνειας, φαίνεται ότι όλα κάτω από την επιφάνεια είναι πιο ρηχά, επειδή το φως κάμπτεται σε πιο ρηχές γωνίες.

Η κρίσιμη γωνία επηρεάζει επίσης τον τρόπο κοπής των πολύτιμων λίθων. Ένας πολύτιμος λίθος μπορεί να κοπεί έτσι ώστε το φως που εισέρχεται να υποβληθεί σε απόλυτη εσωτερική αντανάκλαση όταν χτυπά τις πίσω όψεις, αναδύοντας ξανά το μπροστινό μέρος της πέτρας για να φαίνεται πιο φωτεινό. Το διαμάντι, με υψηλό δείκτη διάθλασης, είναι ιδιαίτερα ιδανικό για αυτό, καθιστώντας το ένα δημοφιλές πολύτιμο λίθο.