När en ljusstråle passerar från ett medium till ett annat - till exempel när det går ut ur en damm med vatten eller när det passerar genom dina glasögon - kanske du har märkt att det böjer sig. Detta kallas brytning och det sker i olika vinklar beroende på det infallande ljuset och materialet. Det är också hur ögonen kan se och överföra bilder till hjärnan.
Ljusets brytning
Brytning är böjning av ljusstrålar när de passerar från ett medium till ett andra medium. Det beror på att ljus färdas med lite olika hastigheter i olika medier. Hur mycket en ljusstråle bryts beror på hur olika dess hastighet är i det andra mediet från det första. Ju större skillnad i hastigheter, desto större brytningsvinkel.
Du kan tänka på detta med principen om minst tid. Föreställ dig en livräddare som försöker nå en simmare långt ner på stranden och ut i vattnet på kortast möjliga tid. Hon vet att hon kan springa mycket snabbare än hon kan simma. Att försöka komma till simmaren genom att resa i en rak linje skulle vara ineffektivt på grund av hennes långa simningshastighet i förhållande till hennes körhastighet; istället springer hon ner på stranden tills hon är nästan framför simmaren och hoppar sedan i vattnet.
Avståndet hon reser är längre, men den reste tiden är kortare på grund av hennes olika hastigheter i olika medier. Detta är vad ljuset gör när det bryts.
Vattenvågor kan också brytas när de reser mellan områden med olika djup, eftersom vågorna kommer att färdas i olika hastigheter beroende på om de befinner sig på grunt vatten eller djupt vatten.
Brytningsindex
Brytningsindex för ett givet medium är ett enhetslöst talnvarn = c / v, varcär ljusets hastighet i vakuum ochvär ljusets hastighet i mediet. Ju långsammare ljus färdas i ett medium, desto högre blir brytningsindex. Hastigheten för en ljusvåg i ett medium beror på dess våglängd, och därför kommer brytningsindex också att göra.
Detta leder till ett fenomen som kallasdispersion, som kan ses i ljusprismor: När vitt ljus, som innehåller ljusvågor av många olika våglängder, går in i ett prisma, bryts varje komponents ljusvåg i en annan vinkel beroende på dess våglängd. Detta skapar en regnbågs utseende.
Brytningsindexet i luft är beroende av många faktorer inklusive tryck och temperatur. "Vågorna" som härrör från heta föremål som trottoaren på sommaren uppstår eftersom ljus bryts annorlunda genom varmare luft än kallare luft och orsakar förvrängda bilder.
Dessutom kan luft nära en het väg på sommaren faktiskt reflektera ljus som kommer mot en observatör i en låg vinkel, vilket gör att det verkar som om det fanns en spegel eller en reflekterande vattenyta på väg.
Snells lag
Snells lag avser brytningsindex för två medier, liksom infallsvinkelnθitill brytningsvinkelnθr, till hur ljuset böjer sig när det passerar från ett medium till det andra.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Denna ekvation kan förutsäga vinkeln vid vilken ljus kommer att brytas i ett givet medium, om brytningsindexen för båda mediet och den infallande vinkeln är kända. Det gäller i alla situationer som involverar ljusets brytning, med två medier.
Total inre reflektion
Om ljusvågor passerar från ett medium med högt brytningsindex till ett medium med ett lägre brytningsindex, det finns en kritisk vinkel över vilken ljuset blir tillräckligt böjt för att inget av det rör sig in i det andra mediet. Detta kallas total intern reflektion.
Den kritiska vinkeln är infallsvinkeln för vilken den utgående strålen har en brytningsvinkel på 90 grader. Så
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
Vid vinklar över den kritiska vinkeln genomgår allt ljus total intern reflektion.
Total inre reflektion förklarar varför vatten / luftytan i en akvarium från en viss vinkel ser ut som en perfekt spegel. Luft har ett mycket lägre brytningsindex än vatten, och så ljusvågor i en grund vinkel mot ytan underifrån kommer att reflekteras från ytan istället för att bryta igenom den och skapa en spegel.
Total intern reflektion kan också förekomma i vattenvågor och ljudvågor.
Linser
Brytningen av ljus i ett medium kan förändras när ytan mellan medier är krökt. I själva verket bryts ljus som kommer från samma riktning i olika vinklar beroende på var på den böjda ytan det träffar.
Linser är bitar av transparent material med böjda sidor som använder brytning för att påverka ljusets väg. En konvergerande lins är tjockare i mitten, vilket gör att ljusstrålar som kommer in från ena sidan av linsen konvergerar till en fokuspunkt på den andra sidan. Detta är vad förstoringsglas och vissa teleskop använder.
En konkav lins är tunnare i mitten än vid kanterna, och ljusstrålar som kommer in från ena sidan bryts utåt och sprids isär när de dyker upp på den andra sidan.
Båda typerna av linser används i korrigerande syn, antingen i glasögon eller kontakter, beroende på vad problemet i ögat är.
Exempel
Våra ögon tolkar ljus med hjälp av brytning. Ljus kommer in i hornhinnan och sedan linsen och bryts till en exakt punkt vid näthinnan. Bilden överförs sedan till hjärnan genom synnerven. Tåriga ögon leder till suddig syn på grund av tårarnas brytningsegenskaper.
Allt som innehåller optiska fibrer är beroende av total intern reflektion. Fibrerna har högt brytningsindex och omges av material med mycket lågt brytningsindex. När ljuset rör sig genom fibern är dess vinkel mot fiberns utsida tillräckligt låg för att förhindra att den flyr ut. Detta gör att fibern kan bära mycket fokuserat ljus ett stort avstånd. Fiberoptik används främst i internet- och telefontjänster.
Regnbågar orsakas av refraktion och reflektion av solljus från vattendroppar i luften. Detta kan hända efter regn eller under dimmiga förhållanden, men också nära vattenfall och fontäner. Som nämnts tidigare har olika våglängder (färger) av ljus något olika brytningsindex för ett givet material, vilket gör att de bryts i olika vinklar. En observatör ser sedan en regnbåge av färger, i ordning efter våglängd.
Brytning är anledningen till att vatten i en damm ser grundare ut än vad det egentligen är. Så snart ljus i luft kommer in i vatten böjer det sig i en grundare vinkel mot ytan på grund av brytning. För en observatör på "luftens" sida av ytan verkar det som om allt under ytan är grundare, eftersom ljuset böjs i grundare vinklar.
Den kritiska vinkeln påverkar också hur ädelstenar skärs. En ädelsten kan skäras så att ljus som kommer in i den genomgår total inre reflektion när den träffar de bakre fasetterna och dyker upp utåt igen för att få den att se ljusare ut. Diamant, med högt brytningsindex, är särskilt perfekt för detta, vilket gör den till en populär ädelsten.
