Når en lysstråle går fra ett medium til et annet - for eksempel når det kommer ut av en dam med vann, eller når det passerer gjennom brillene dine - har du kanskje lagt merke til at det bøyer seg. Dette kalles refraksjon, og det skjer i forskjellige vinkler avhengig av det innfallende lyset og materialet. Det er også hvordan øynene kan se og overføre bilder til hjernen.
Bryting av lys
Brekning er bøying av lysstråler når de går fra ett medium til et annet medium. Det skyldes at lyset beveger seg med litt forskjellige hastigheter i forskjellige medier. Hvor mye en lysstråle brytes, vil avhenge av hvor forskjellig hastigheten er i det andre mediet fra det første. Jo større forskjellen i hastigheter, jo større brytningsvinkel.
Du kan tenke på dette ved å bruke prinsippet om minst tid. Tenk deg en badevakt som prøver å nå en svømmer, langt nede i fjæra og ute i vannet, på kortest mulig tid. Hun vet at hun kan løpe mye raskere enn hun kan svømme. Å prøve å komme seg til svømmeren ved å reise i en rett linje ville være ineffektivt på grunn av hennes lave svømmehastighet i forhold til løpehastigheten; i stedet løper hun nedover stranden til hun er nesten foran svømmeren, og hopper deretter i vannet.
Avstanden hun reiser er lengre, men den tilbakelagte tiden er kortere på grunn av hennes forskjellige hastigheter i forskjellige medier. Dette er hva lys gjør når det brytes.
Vannbølger kan også brytes når du reiser mellom områder med forskjellige dybder, fordi bølger vil bevege seg i forskjellige hastigheter, avhengig av om de er på grunt vann eller dypt vann.
Brytningsindeks
Brytningsindeksen for et gitt medium er et enhetsfritt tallnhvorn = c / v, hvorcer lysets hastighet i vakuum ogver lysets hastighet i mediet. Jo langsommere lys beveger seg i et medium, desto høyere vil mediumets brytningsindeks være. Hastigheten til en lysbølge i et medium vil avhenge av bølgelengden, og derfor vil brytningsindeksen også.
Dette fører til et fenomen som kallesspredning, som kan sees i lette prismer: Når hvitt lys, som inneholder lysbølger av mange forskjellige bølgelengder, går inn i et prisme, brytes hver komponent lysbølge i en annen vinkel avhengig av dens bølgelengde. Dette skaper utseendet til en regnbue.
Brytningsindeksen i luft er avhengig av mange faktorer, inkludert trykk og temperatur. "Bølgene" sett fra varme gjenstander som fortau om sommeren oppstår fordi lys bryter annerledes gjennom varmere luft enn kjøligere luft, og forårsaker forvrengte bilder.
I tillegg kan luft i nærheten av en varm vei om sommeren faktisk reflektere lys som kommer mot en observatør i en lav vinkel, slik at det ser ut som om det var et speil eller en reflekterende vannflate på vei.
Snells lov
Snells lov forholder seg til indeksene for brytning av to medier, samt innfallsvinkelenθJegtil brytningsvinkelenθr, til hvordan lyset bøyer seg når det går fra det ene mediet til det andre.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Denne ligningen kan forutsi vinkelen lyset vil bryte med i et gitt medium, hvis brytningsindeksene for begge mediet og den innfallende vinkelen er kjent. Det gjelder i enhver situasjon som involverer lysbrekk, med to medier.
Total intern refleksjon
Hvis lysbølger passerer fra et medium med høy brytningsindeks til et medium med lavere brytningsindeks, det er en kritisk vinkel over hvilken lyset blir bøyd nok til at ingen av det beveger seg inn i det andre mediet. Dette kalles total intern refleksjon.
Den kritiske vinkelen er innfallsvinkelen som den utgående strålen har en brytningsvinkel på 90 grader for. Så
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
I vinkler over den kritiske vinkelen gjennomgår alt lys total intern refleksjon.
Total intern refleksjon forklarer hvorfor vann / luftoverflaten i en fisketank fra en viss vinkel når den observeres nedenfra, vil se ut som et perfekt speil. Luft har en mye lavere brytningsindeks enn vann, og så lysbølger i en lav vinkel mot overflaten nedenfra vil reflektere av overflaten i stedet for å bryte seg gjennom den, og skape en speil.
Total intern refleksjon kan også forekomme i vannbølger og lydbølger.
Linser
Brytningen av lys i et medium kan endres når overflaten mellom mediet er buet. Faktisk vil lys som kommer fra samme retning bryte i forskjellige vinkler, avhengig av hvor på den buede overflaten det treffer.
Linser er deler av gjennomsiktig materiale med buede sider som bruker refraksjon for å påvirke lysveien. En konvergerende linse er tykkere i midten, slik at lysstråler som kommer inn fra den ene siden av linsen, konvergerer til et fokuspunkt på den andre siden. Dette er hva forstørrelsesglass og noen teleskoper bruker.
En konkav linse er tynnere i midten enn den er i kantene, og lysstråler som kommer inn fra den ene siden, brytes utover og spres fra hverandre når de dukker opp på den andre siden.
Begge linsene brukes i korrigerende syn, enten i briller eller kontakter, avhengig av hva problemet i øyet er.
Eksempler
Øynene våre tolker lys ved bruk av refraksjon. Lys kommer inn i hornhinnen og deretter linsen, og bryter til et presist punkt på netthinnen. Bildet overføres deretter til hjernen gjennom synsnerven. Tåre øyne fører til tåkesyn på grunn av brytningsegenskapene til tårer.
Alt som inneholder optiske fibre er avhengig av total intern refleksjon. Fibrene har høy brytningsindeks og er omgitt av materiale med veldig lav brytningsindeks. Når lyset beveger seg gjennom fiberen, er vinkelen med utsiden av fiberen lav nok til å forhindre at den rømmer. Dette gjør at fiberen kan bære veldig fokusert lys over lang avstand. Fiberoptikk brukes primært i internett- og telefontjenester.
Regnbuer er forårsaket av refraksjon og refleksjon av sollys fra vanndråper i luften. Dette kan skje etter regnbyger eller tåke, men også i nærheten av fosser og fontener. Som nevnt tidligere har forskjellige bølgelengder (farger) av lys litt forskjellige brytningsindekser for et gitt materiale, noe som får dem til å bryte i forskjellige vinkler. En observatør ser da en regnbue med farger, i rekkefølge etter bølgelengde.
Brytning er grunnen til at vann i en dam ser grunnere ut enn det egentlig er. Så snart lys i luft kommer inn i vann, bøyes det i en grunnere vinkel mot overflaten på grunn av refraksjon. For en observatør på "luft" -siden av overflaten ser det ut som om alt under overflaten er grunnere, fordi lyset er bøyd i grunnere vinkler.
Den kritiske vinkelen påvirker også måten edelstener blir kuttet på. En edelsten kan kuttes slik at lys som kommer inn i den gjennomgår total intern refleksjon når den treffer baksiden, og dukker opp foran steinen for å få den til å virke lysere. Diamant, med høy brytningsindeks, er spesielt ideell for dette, noe som gjør den til en populær edelsten.
