Lom: Definícia, Snellov zákon a index lomu

Keď lúč svetla prechádza z jedného média do druhého - napríklad keď vychádza z jazierka s vodou alebo keď prechádza okuliarmi - mohli ste si všimnúť, že sa ohýba. Toto sa nazýva lom a deje sa to v rôznych uhloch v závislosti od dopadajúceho svetla a materiálu. Je to tiež spôsob, ako môžu oči vidieť a prenášať obrázky do mozgu.

Lom je ohyb svetelných lúčov, ktoré prechádzajú z jedného média do druhého. Vyplýva to zo skutočnosti, že svetlo sa pohybuje v rôznych médiách mierne odlišnými rýchlosťami. To, ako veľmi sa láme lúč svetla, bude závisieť od toho, aká rozdielna je jeho rýchlosť v druhom médiu od prvého. Čím väčší je rozdiel rýchlostí, tým väčší je uhol lomu.

Môžete o tom premýšľať pomocou princípu najmenšieho času. Predstavte si plavčíka, ktorý sa snaží v čo najkratšom možnom čase dosiahnuť plavca ďaleko dole na brehu a vonku vo vode. Vie, že dokáže bežať oveľa rýchlejšie, ako vie plávať. Pokus dostať sa k plavkyni v priamom smere by bol neúčinný z dôvodu jej pomalej rýchlosti plávania v pomere k rýchlosti behu; namiesto toho zbehne po pláži, kým nie je takmer pred plavecom, a potom skočí do vody.

Vzdialenosť, ktorú prejde, je dlhšia, ale cestovný čas je kratší z dôvodu jej rôznych rýchlostí v rôznych médiách. To robí svetlo, keď sa láme.

Vodné vlny sa dajú lámať aj pri cestovaní medzi oblasťami rôznych hĺbok, pretože vlny sa budú pohybovať rôznymi rýchlosťami v závislosti od toho, či sú v plytkej vode alebo hlbokej vode.

Index lomu pre dané médium je jednotkové číslonkden = c / v, kdecje rýchlosť svetla vo vákuu avje rýchlosť svetla v médiu. Čím pomalšie svetlo sa bude pohybovať v médiu, tým vyšší bude index lomu média. Rýchlosť svetelnej vlny v médiu bude závisieť od jej vlnovej dĺžky, a teda bude závisieť aj od indexu lomu.

To vedie k javu tzvdisperzia, ktoré možno vidieť na svetelných hranoloch: Keď biele svetlo, ktoré obsahuje svetelné vlny mnohých rôznych vlnové dĺžky, vstupuje do hranola, každá zložková svetelná vlna sa láme pod iným uhlom v závislosti od jej vlnová dĺžka. To vytvára vzhľad dúhy.

Index lomu vo vzduchu závisí od mnohých faktorov vrátane tlaku a teploty. Videné „vlny“ vychádzajúce z horúcich objektov, ako je dlažba v lete, sa vyskytujú, pretože svetlo sa láme teplejším vzduchom inak ako chladnejším vzduchom a spôsobuje skreslené obrazy.

Okrem toho môže vzduch v lete pri horúcej ceste skutočne odrážať svetlo prichádzajúce k pozorovateľovi v malom uhle, takže to vyzerá, akoby na zrkadle bolo zrkadlo alebo odrazná vodná plocha cesta.

Snellov zákon sa týka indexov lomu dvoch médií, ako aj uhla dopaduθ_ik uhlu lomuθ_r, na to, ako sa svetlo ohýba pri prechode z jedného média do druhého.

Táto rovnica môže predpovedať uhol, pod ktorým sa bude svetlo lámať v danom médiu, ak sú známe indexy lomu oboch médií a dopadajúci uhol. Platí to v každej situácii zahŕňajúcej lom svetla, a to s akýmikoľvek dvoma médiami.

Ak svetelné vlny prechádzajú zo média s vysokým indexom lomu do média s nižším indexom lomu, existuje kritický uhol, nad ktorým sa svetlo ohne natoľko, že sa žiadne z nich nepresunie do iného média. Tomu sa hovorí úplná vnútorná reflexia.

Kritický uhol je uhol dopadu, pre ktorý má odchádzajúci lúč lomový uhol 90 stupňov. Takže

V uhloch nad kritickým uhlom prechádza všetko svetlo úplným vnútorným odrazom.

Celkový vnútorný odraz vysvetľuje, prečo z určitého uhla bude povrch vody a vzduchu v nádrži na ryby pri pozorovaní zdola vyzerať ako dokonalé zrkadlo. Vzduch má oveľa nižší index lomu ako voda, a preto ľahké vlny zvierajú s plytkým uhlom k povrch zdola sa bude odrážať od povrchu namiesto toho, aby cez neho lámal, čím vytvorí a zrkadlo.

K úplnému vnútornému odrazu môže dôjsť aj vo vodných vlnách a zvukových vlnách.

Lom svetla v médiu sa môže meniť, keď je povrch medzi médiami zakrivený. V skutočnosti sa svetlo prichádzajúce z rovnakého smeru láme pod rôznymi uhlami v závislosti od toho, kam na zakrivený povrch dopadá.

Šošovky sú kúsky priehľadného materiálu so zakrivenými stranami, ktoré pôsobením lomu ovplyvňujú dráhu svetla. Konvergujúca šošovka je v strede silnejšia, čo umožňuje, aby sa svetelné lúče vstupujúce z jednej strany šošovky zbiehali do ohniska na druhej strane. To používajú zväčšovacie okuliare a niektoré ďalekohľady.

Konkávna šošovka je v strede tenšia ako na okrajoch a svetelné lúče vstupujúce z jednej strany sa lámu smerom von a pri výstupe na druhú stranu sa šíria od seba.

Oba typy šošoviek sa používajú pri korekčnom videní, či už v okuliaroch alebo kontaktoch, podľa toho, aký je problém v oku.

Naše oči interpretujú svetlo pomocou lomu. Svetlo vstupuje do rohovky a potom do šošovky, láme sa do presného bodu na sietnici. Obraz sa potom prenáša do mozgu optickým nervom. Slzavé oči vedú k rozmazanému videniu kvôli lomovým vlastnostiam sĺz.

Všetko, čo obsahuje optické vlákna, sa spolieha na úplný vnútorný odraz. Vlákna majú vysoký index lomu a sú obklopené materiálom s veľmi nízkym indexom lomu. Pri prechode svetla vláknom je jeho uhol s vonkajšou stranou vlákna dostatočne malý, aby zabránil úniku. To umožňuje vláknu prenášať veľmi zaostrené svetlo na veľkú vzdialenosť. Vláknová optika sa používa predovšetkým v internetových a telefónnych službách.

Dúhy sú spôsobené lomom a odrazom slnečného žiarenia od kvapôčok vody vo vzduchu. Môže sa to stať po búrkach alebo v hmle, ale aj v blízkosti vodopádov a fontán. Ako už bolo spomenuté, rôzne vlnové dĺžky (farby) svetla majú mierne odlišné indexy lomu pre daný materiál, čo ich robí lomovými pod rôznymi uhlami. Pozorovateľ potom uvidí dúhu farieb v poradí podľa vlnovej dĺžky.

Lom vody je dôvod, prečo voda v jazierku vyzerá plytšie, ako v skutočnosti je. Len čo svetlo na vzduchu vnikne do vody, ohýba sa pod povrchom pod povrchom pod lomom. Pozorovateľovi na „vzduchovej“ strane povrchu sa zdá, akoby bolo všetko pod povrchom plytšie, pretože svetlo je ohnuté v menších uhloch.

Kritický uhol ovplyvňuje aj spôsob rezania drahokamov. Drahokam je možné rezať tak, aby svetlo, ktoré doň vstupuje, prešlo úplným vnútorným odrazom, keď narazilo na zadné fazety, pričom opäť vystúpilo z prednej strany kameňa, aby pôsobilo jasnejšie. Diamant s vysokým indexom lomu je na to zvlášť ideálny, čo z neho robí obľúbený drahokam.