빛의 광선이 한 매체에서 다른 매체로 통과 할 때 (예: 물 연못을 빠져 나가거나 안경을 통과 할 때) 휘어진 것을 눈치 챘을 것입니다. 이것을 굴절이라고하며 입사광과 재료에 따라 다른 각도에서 발생합니다. 또한 눈이 이미지를보고 뇌로 전송하는 방법이기도합니다.
빛의 굴절
굴절은 광선이 한 매체에서 두 번째 매체로 통과 할 때 굴절되는 것입니다. 그것은 빛이 다른 매체에서 약간 다른 속도로 이동한다는 사실에서 기인합니다. 광선이 굴절되는 정도는 첫 번째 매체와 두 번째 매체의 속도가 얼마나 다른지에 따라 달라집니다. 속도 차이가 클수록 굴절 각도가 커집니다.
최소 시간 원칙을 사용하여 이것을 생각할 수 있습니다. 최대한 짧은 시간에 해안 아래로 물속에있는 수영 선수에게 접근하려고하는 구조 요원을 상상해보십시오. 그녀는 수영 할 수있는 것보다 훨씬 빨리 달릴 수 있다는 것을 알고 있습니다. 직선으로 이동하여 수영 선수에게 다가가려고하는 것은 달리는 속도에 비해 느린 수영 속도 때문에 비효율적 일 것입니다. 대신, 그녀는 수영 선수 앞에 거의 다가 갈 때까지 해변을 따라 뛰어 내린 다음 물에 뛰어 듭니다.
그녀가 이동하는 거리는 더 길지만 다른 매체에서 속도가 다르기 때문에 이동 한 시간이 더 짧습니다. 이것이 빛이 굴절 될 때하는 일입니다.
파도는 얕은 물에 있는지 깊은 물에 있는지에 따라 다른 속도로 이동하기 때문에 다른 깊이의 영역 사이를 이동할 때 물결이 굴절 될 수도 있습니다.
굴절률
주어진 매질의 굴절률은 단위가 없습니다.엔어디n = c / v, 어디씨진공 상태에서 빛의 속도이며V매체에서 빛의 속도입니다. 빛이 매질을 더 느리게 이동할수록 매질의 굴절률이 높아집니다. 매질에서 광파의 속도는 파장에 따라 달라 지므로 굴절률도 달라집니다.
이것은분산, 빛의 프리즘에서 볼 수 있습니다. 파장, 프리즘에 들어가면 각 구성 요소 광파는 그에 따라 다른 각도로 굴절됩니다. 파장. 이것은 무지개 모양을 만듭니다.
공기의 굴절률은 압력과 온도를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 여름에 포장 도로와 같은 뜨거운 물체에서 나오는 "파도"는 빛이 차가운 공기와 더운 공기를 통해 다르게 굴절되어 이미지가 왜곡되기 때문에 발생합니다.
또한 여름철 더운 도로 주변의 공기는 실제로 관찰자에게 오는 빛을 반사 할 수 있습니다. 얕은 각도에서 마치 거울이나 반사되는 수면이있는 것처럼 보이게합니다. 도로.
스넬의 법칙
스넬의 법칙은 두 매체의 굴절률과 입사각을 관련시킵니다.θ나는굴절 각도θ아르 자형, 빛이 한 매체에서 다른 매체로 통과 할 때 어떻게 구부러 지는지에 대해 설명합니다.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
이 방정식은 두 매체의 굴절률과 입사각을 모두 알고있는 경우 주어진 매체에서 빛이 굴절되는 각도를 예측할 수 있습니다. 빛의 굴절과 관련된 모든 상황에서 두 가지 매체가 적용됩니다.
내부 전반사
광파가 굴절률이 높은 매체에서 굴절률이 낮은 매체로 통과하면 빛이 다른 매체로 이동하지 않을 정도로 충분히 구부러지는 임계각이 있습니다. 이를 내부 전반사라고합니다.
임계각은 나가는 광선이 90 도의 굴절각을 갖는 입사각입니다. 그래서
\ theta_i = \ sin ^ {-1} \ frac {n_i} {n_r}
임계각 이상의 각도에서 모든 빛은 내부 전반사를 거칩니다.
내부 전반사는 특정 각도에서 아래에서 관찰했을 때 어항의 물 / 공기 표면이 완벽한 거울처럼 보이는 이유를 설명합니다. 공기는 물보다 굴절률이 훨씬 낮기 때문에 광파가 얕은 각도로 아래에서 표면은 그것을 통해 굴절되는 대신 표면에서 반사되어 거울.
내부 전반사는 물 파와 음파에서도 발생할 수 있습니다.
렌즈
매체에서 빛의 굴절은 매체 사이의 표면이 구부러 질 때 변경 될 수 있습니다. 사실, 같은 방향에서 나오는 빛은 곡면에서 닿는 위치에 따라 다른 각도로 굴절됩니다.
렌즈는 굴절을 사용하여 빛의 경로에 영향을주는 곡면이있는 투명한 재료 조각입니다. 수렴 렌즈는 중앙이 더 두꺼워 렌즈 한쪽에서 들어오는 광선이 다른 쪽 초점으로 수렴 할 수 있습니다. 이것은 돋보기와 일부 망원경이 사용하는 것입니다.
오목 렌즈는 가장자리보다 중앙이 더 얇고 한쪽에서 들어오는 광선은 바깥쪽으로 굴절되어 다른 쪽에서 나올 때 흩어집니다.
두 종류의 렌즈는 눈의 문제가 무엇인지에 따라 안경이나 콘택트 렌즈 모두 교정 시력에 사용됩니다.
예
우리의 눈은 굴절을 사용하여 빛을 해석합니다. 빛은 각막과 수정체로 들어가서 망막의 정확한 지점으로 굴절됩니다. 그런 다음 이미지는 시신경을 통해 뇌로 전송됩니다. 눈물의 굴절 특성으로 인해 눈물이 흐릿한 눈은 시야가 흐려집니다.
광섬유를 포함하는 모든 것은 내부 전반사에 의존합니다. 섬유는 굴절률이 높고 굴절률이 매우 낮은 재료로 둘러싸여 있습니다. 빛이 광섬유를 통과 할 때 광섬유 외부와의 각도는 빛이 빠져 나가지 않도록 충분히 낮습니다. 이를 통해 광섬유는 매우 집중된 빛을 먼 거리까지 전달할 수 있습니다. 광섬유는 주로 인터넷 및 전화 서비스에 사용됩니다.
무지개는 공기 중의 물방울에서 나오는 햇빛의 굴절과 반사로 인해 발생합니다. 이것은 폭풍우 또는 안개가 낀 상태에서 발생할 수 있지만 폭포와 분수 근처에서도 발생할 수 있습니다. 앞에서 언급했듯이 빛의 파장 (색상)이 다르면 주어진 재료에 대해 약간 다른 굴절률을 가지므로 다른 각도에서 굴절됩니다. 관찰자는 파장 순으로 무지개 색깔을 본다.
굴절은 연못의 물이 실제보다 얕게 보이는 이유입니다. 공기 중의 빛이 물에 들어가 자마자 굴절로 인해 표면에 대해 더 얕은 각도로 구부러집니다. 표면의 "공기"쪽에있는 관찰자에게는 빛이 더 얕은 각도로 구부러지기 때문에 표면 아래의 모든 것이 더 얕은 것처럼 보입니다.
임계 각도는 보석을 자르는 방법에도 영향을 미칩니다. 보석은 내부로 들어오는 빛이 뒷면에 닿을 때 내부 전반사를 겪고 돌의 앞쪽으로 다시 나와 더 밝게 보이도록 절단 할 수 있습니다. 굴절률이 높은 다이아몬드는 특히 여기에 이상적이며 인기있는 보석입니다.