Pe măsură ce o rază de lumină trece de la un mediu la altul - cum ar fi când iese dintr-un iaz de apă sau când trece prin ochelarii de vedere - este posibil să fi observat că se îndoaie. Aceasta se numește refracție și se întâmplă la unghiuri diferite, în funcție de lumina incidentă și de material. Este, de asemenea, modul în care ochii pot vedea și transmite imagini către creier.
Refracția luminii
Refracția este îndoirea razelor de lumină pe măsură ce acestea trec dintr-un mediu în al doilea mediu. Rezultă din faptul că lumina se deplasează cu viteze ușor diferite în diferite medii. Cât de multă rază de lumină este refractată va depinde de cât de diferită este viteza sa în cel de-al doilea mediu față de primul. Cu cât diferența de viteză este mai mare, cu atât unghiul de refracție este mai mare.
Vă puteți gândi la acest lucru folosind principiul timpului minim. Imaginați-vă un salvamar care încearcă să ajungă la un înotător, departe de țărm și în apă, în cel mai scurt timp posibil. Știe că poate alerga mult mai repede decât poate înota. Încercarea de a ajunge la înotător călătorind în linie dreaptă ar fi ineficientă din cauza vitezei sale mici de înot față de viteza de alergare; în schimb, ea aleargă pe plajă până când este aproape în fața înotătorului, apoi sare în apă.
Distanța pe care o parcurge este mai lungă, dar timpul parcurs este mai scurt din cauza vitezei sale diferite în diferite medii. Asta face lumina atunci când este refractată.
Valurile de apă pot fi, de asemenea, refractate atunci când călătoresc între zone de diferite adâncimi, deoarece valurile se vor deplasa la viteze diferite, în funcție de faptul dacă sunt în apă puțin adâncă sau în adâncime.
Indicele de refracție
Indicele de refracție pentru un mediu dat este un număr fără unităținUnden = c / v, Undeceste viteza luminii în vid șiveste viteza luminii în mediu. Cu cât lumina se deplasează mai lent într-un mediu, cu atât indicele de refracție al acestuia va fi mai mare. Viteza unei unde luminoase într-un mediu va depinde de lungimea ei de undă și, prin urmare, la fel va fi și indicele de refracție.
Acest lucru duce la un fenomen numitdispersie, care poate fi văzut în prisme de lumină: Când lumina albă, care conține unde luminoase de multe altele lungimile de undă, intră într-o prismă, fiecare undă de lumină componentă este refractată la un unghi diferit în funcție de lungime de undă. Acest lucru creează aspectul unui curcubeu.
Indicele de refracție în aer este dependent de mulți factori, inclusiv presiunea și temperatura. „Valurile” văzute emanând din obiecte fierbinți precum pavajul în timpul verii apar deoarece lumina se refractează diferit prin aerul mai cald decât aerul mai rece, provocând imagini distorsionate.
În plus, aerul din apropierea unui drum fierbinte în timpul verii poate reflecta de fapt lumina care vine spre un observator într-un unghi superficial, făcându-l să pară ca și cum ar fi o oglindă sau o suprafață reflectorizantă a apei drum.
Legea lui Snell
Legea lui Snell relatează indicii de refracție a două medii, precum și unghiul de incidențăθeula unghiul de refracțieθr, spre modul în care lumina se îndoaie în timp ce trece dintr-un mediu în celălalt.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Această ecuație poate prezice unghiul la care lumina se va refracta într-un mediu dat, dacă sunt cunoscuți indicii de refracție ai ambelor medii și unghiul incident. Este valabil în orice situație care implică refracția luminii, cu oricare două medii.
Reflecție internă totală
Dacă undele de lumină trec de la un mediu cu un indice de refracție ridicat la un mediu cu un indice de refracție mai mic, există un unghi critic deasupra căruia lumina devine suficient de îndoită încât niciuna dintre ele să nu se miște în celălalt mediu. Aceasta se numește reflexie internă totală.
Unghiul critic este unghiul incident pentru care raza de ieșire are un unghi de refracție de 90 de grade. Asa de
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
La unghiuri deasupra unghiului critic, toată lumina suferă o reflexie internă totală.
Reflecția internă totală explică de ce, dintr-un anumit unghi, suprafața apei / aerului dintr-un tanc de pește, observată de jos, va arăta ca o oglindă perfectă. Aerul are un indice de refracție mult mai scăzut decât apa, astfel încât undele luminoase la un unghi superficial față de suprafața de dedesubt se va reflecta de pe suprafață în loc să se refracă prin ea, creând un oglindă.
Reflecția internă totală poate apărea și în undele de apă și undele sonore.
Lentile
Refracția luminii într-un mediu se poate modifica atunci când suprafața dintre medii este curbată. De fapt, lumina care vine din aceeași direcție se va refracta la unghiuri diferite, în funcție de locul în care atinge suprafața curbată.
Lentilele sunt bucăți de material transparent cu laturile curbate care folosesc refracția pentru a afecta calea luminii. O lentilă convergentă este mai groasă la mijloc, permițând razelor de lumină care intră dintr-o parte a lentilei să convergă către un punct focal pe cealaltă parte. Aceasta este ceea ce folosesc lupele și unele telescoape.
O lentilă concavă este mai subțire la mijloc decât la margini, iar razele de lumină care intră dintr-o parte sunt refractate spre exterior și răspândite pe măsură ce apar pe cealaltă parte.
Ambele tipuri de lentile sunt utilizate în vederea corectivă, fie în ochelari de vedere, fie în contacte, în funcție de care este problema ochiului.
Exemple
Ochii noștri interpretează lumina folosind refracția. Lumina intră în cornee și apoi în lentilă, refractându-se într-un punct precis la nivelul retinei. Imaginea este apoi transmisă creierului prin nervul optic. Ochii lacrimi duc la vedere încețoșată din cauza proprietăților de refracție ale lacrimilor.
Orice conține fibre optice se bazează pe reflexia internă totală. Fibrele au un indice ridicat de refracție și sunt înconjurate de material cu un indice de refracție foarte scăzut. Pe măsură ce lumina se deplasează prin fibră, unghiul acesteia cu exteriorul fibrei este suficient de scăzut pentru a o împiedica să scape. Acest lucru permite fibrei să transporte o lumină foarte concentrată la o distanță mare. Fibra optică este utilizată în principal în servicii de internet și telefonie.
Curcubeele sunt cauzate de refracția și reflectarea luminii solare de pe picăturile de apă din aer. Acest lucru se poate întâmpla după furtuni de ploaie sau în condiții de ceață, dar și lângă cascade și fântâni. Așa cum am menționat anterior, diferite lungimi de undă (culori) ale luminii au indici de refracție ușor diferiți pentru un anumit material, ceea ce îi face să se refracteze la unghiuri diferite. Un observator vede apoi un curcubeu de culori, în ordinea lungimii de undă.
Refracția este motivul pentru care apa dintr-un iaz pare mai superficială decât este în realitate. De îndată ce lumina din aer pătrunde în apă, aceasta se îndoaie la un unghi mai mic față de suprafață din cauza refracției. Pentru un observator de pe partea „aerului” a suprafeței, pare că totul sub suprafață este mai superficial, deoarece lumina este îndoită la unghiuri mai puțin profunde.
Unghiul critic influențează și modul în care sunt tăiate pietrele prețioase. O piatră prețioasă poate fi tăiată astfel încât lumina care pătrunde să sufere o reflexie internă totală atunci când lovește fațetele din spate, ieșind din nou din fața pietrei pentru a o face să pară mai strălucitoare. Diamantul, cu un indice ridicat de refracție, este deosebit de ideal pentru aceasta, făcându-l o piatră prețioasă populară.