Когда луч света проходит от одной среды к другой - например, когда он выходит из водоема или проходит через ваши очки - вы могли заметить, что он изгибается. Это называется преломлением и происходит под разными углами в зависимости от падающего света и материала. Это также то, как глаза могут видеть и передавать изображения в мозг.
Преломление света
Преломление - это изгиб световых лучей, когда они переходят из одной среды во вторую. Это происходит из-за того, что свет распространяется с немного разной скоростью в разных средах. Степень преломления светового луча будет зависеть от того, насколько отличается его скорость во второй среде от первой. Чем больше разница в скоростях, тем больше угол преломления.
Вы можете подумать об этом по принципу наименьшего времени. Представьте себе спасателя, который пытается добраться до пловца далеко на берегу и в воде за как можно более короткий промежуток времени. Она знает, что может бегать намного быстрее, чем плавать. Попытка добраться до пловца, двигаясь по прямой, будет неэффективной из-за того, что скорость ее плавания меньше, чем скорость бега; вместо этого она бежит по пляжу, пока не оказывается почти перед пловцом, а затем прыгает в воду.
Расстояние, которое она преодолевает, больше, но время, которое она путешествует, короче из-за ее разной скорости в разных средах. Вот что делает свет, когда он преломляется.
Волны на воде также могут преломляться при перемещении между областями разной глубины, потому что волны будут двигаться с разной скоростью в зависимости от того, на мелководье они или на большой глубине.
Показатель преломления
Показатель преломления для данной среды - безразмерное число.пгдеп = с / v, гдеcскорость света в вакууме иvскорость света в среде. Чем медленнее свет распространяется в среде, тем выше будет показатель преломления этой среды. Скорость световой волны в среде будет зависеть от ее длины волны, и, следовательно, от показателя преломления.
Это приводит к явлению, называемомуразброс, которые можно увидеть в световых призмах: Когда белый свет содержит световые волны самых разных длины волны, попадает в призму, каждая составляющая световая волна преломляется под различным углом в зависимости от ее длина волны. Это создает видимость радуги.
Показатель преломления воздуха зависит от многих факторов, включая давление и температуру. «Волны», исходящие от горячих объектов, таких как тротуар, летом возникают из-за того, что свет преломляется через более горячий воздух иначе, чем через более холодный воздух, вызывая искажение изображения.
Кроме того, летом воздух возле горячей дороги действительно может отражать свет, идущий в сторону наблюдателя. под небольшим углом, создавая впечатление, будто на поверхности есть зеркало или отражающая водная поверхность. Дорога.
Закон Снеллиуса
Закон Снеллиуса связывает показатели преломления двух сред, а также угол падения.θяк углу преломленияθр, к тому, как свет изгибается при переходе из одной среды в другую.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Это уравнение может предсказать угол, под которым свет будет преломляться в данной среде, если известны показатели преломления обеих сред и угол падения. Это верно в любой ситуации, связанной с преломлением света, с любыми двумя средами.
Полное внутреннее отражение
Если световые волны переходят из среды с высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, существует критический угол, выше которого свет изгибается настолько, что ни один из них не переходит в другую среду. Это называется полным внутренним отражением.
Критический угол - это угол падения, при котором исходящий луч имеет угол преломления 90 градусов. Так
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
Под углами, превышающими критический, весь свет подвергается полному внутреннему отражению.
Полное внутреннее отражение объясняет, почему под определенным углом поверхность воды / воздуха в аквариуме при наблюдении снизу будет выглядеть как идеальное зеркало. Воздух имеет гораздо более низкий показатель преломления, чем вода, поэтому световые волны под небольшим углом к поверхности поверхность снизу будет отражаться от поверхности, а не преломляться сквозь нее, создавая зеркало.
Полное внутреннее отражение также может происходить в водных и звуковых волнах.
Линзы
Преломление света в среде может измениться, если поверхность между средами искривлена. Фактически, свет, исходящий с одного и того же направления, будет преломляться под разными углами в зависимости от того, где на изогнутой поверхности он попадает.
Линзы представляют собой кусочки прозрачного материала с изогнутыми сторонами, которые используют преломление, чтобы влиять на путь света. Сводящая линза толще посередине, что позволяет световым лучам, входящим с одной стороны линзы, сходиться к фокусной точке на другой стороне. Это то, что используют увеличительные стекла и некоторые телескопы.
Вогнутая линза в середине тоньше, чем по краям, и световые лучи, входящие с одной стороны, преломляются наружу и расходятся по мере выхода с другой стороны.
Оба типа линз используются для коррекции зрения, будь то очки или контактные линзы, в зависимости от проблемы с глазом.
Примеры
Наши глаза интерпретируют свет с помощью преломления. Свет попадает в роговицу, а затем в хрусталик, преломляясь в точную точку на сетчатке. Затем изображение передается в мозг через зрительный нерв. Слезливые глаза приводят к нечеткости зрения из-за преломляющих свойств слез.
Все, что содержит оптические волокна, полагается на полное внутреннее отражение. Волокна имеют высокий показатель преломления и окружены материалом с очень низким показателем преломления. Когда свет проходит через волокно, его угол с внешней стороной волокна достаточно мал, чтобы он не ускользнул. Это позволяет волокну переносить очень сфокусированный свет на большое расстояние. Волоконная оптика используется в основном в Интернете и телефонных услугах.
Радуга вызывается преломлением и отражением солнечного света от капель воды в воздухе. Это может произойти после ливня или в тумане, а также возле водопадов и фонтанов. Как упоминалось ранее, разные длины волн (цвета) света имеют немного разные показатели преломления для данного материала, что заставляет их преломляться под разными углами. Затем наблюдатель видит радугу цветов в порядке длины волны.
Преломление - вот почему вода в пруду кажется более мелкой, чем есть на самом деле. Как только свет в воздухе попадает в воду, он отклоняется под меньшим углом к поверхности из-за преломления. Наблюдателю на «воздушной» стороне поверхности кажется, что все, что находится под поверхностью, более мелкое, потому что свет изгибается под меньшими углами.
Критический угол также влияет на способ огранки драгоценных камней. Драгоценный камень можно разрезать так, чтобы свет, попадающий в него, подвергался полному внутреннему отражению при попадании на задние грани, снова выходя из передней части камня, чтобы он казался ярче. Алмаз с высоким показателем преломления особенно подходит для этого, что делает его популярным драгоценным камнем.