เมื่อรังสีของแสงส่องผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง เช่น เมื่อมันออกจากสระน้ำ หรือเมื่อมันผ่านแว่นตาของคุณ คุณอาจสังเกตเห็นว่ามันโค้งงอ สิ่งนี้เรียกว่าการหักเห และจะเกิดขึ้นในมุมต่างๆ ขึ้นอยู่กับแสงตกกระทบและวัสดุ นอกจากนี้ยังเป็นวิธีที่ตาสามารถมองเห็นและส่งภาพไปยังสมองได้อีกด้วย
การหักเหของแสง
การหักเหของแสงคือการหักเหของแสงในขณะที่ผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังตัวกลางที่สอง เป็นผลมาจากความจริงที่ว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วต่างกันเล็กน้อยในสื่อต่างๆ ปริมาณการหักเหของแสงจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความเร็วในตัวกลางที่สองจากตัวแรก ยิ่งความเร็วต่างกันมาก มุมการหักเหของแสงก็จะยิ่งมากขึ้น
คุณสามารถคิดเกี่ยวกับสิ่งนี้โดยใช้หลักการของเวลาน้อยที่สุด ลองนึกภาพทหารรักษาพระองค์พยายามเอื้อมมือไปถึงนักว่ายน้ำที่อยู่ไกลจากฝั่งและออกไปในน้ำในระยะเวลาอันสั้นที่สุด เธอรู้ว่าเธอวิ่งได้เร็วกว่าว่ายน้ำมาก การพยายามเข้าหานักว่ายน้ำโดยการเดินทางเป็นเส้นตรงจะไม่ได้ผลเนื่องจากความเร็วในการว่ายช้าเมื่อเทียบกับความเร็วในการวิ่งของเธอ แทน เธอวิ่งลงชายหาดจนเกือบอยู่หน้านักว่ายน้ำ แล้วกระโดดลงไปในน้ำ
ระยะทางที่เธอเดินทางนั้นยาวกว่า แต่เวลาที่เดินทางนั้นสั้นกว่าเนื่องจากความเร็วที่แตกต่างกันในตัวกลางต่างกัน นี่คือสิ่งที่แสงทำเมื่อหักเห
คลื่นน้ำสามารถหักเหได้เมื่อเดินทางระหว่างพื้นที่ที่มีความลึกต่างกัน เพราะคลื่นจะเดินทางด้วยความเร็วต่างกันขึ้นอยู่กับว่าอยู่ในน้ำตื้นหรือน้ำลึก
ดัชนีหักเห
ดัชนีหักเหของตัวกลางเป็นจำนวนไม่มีหน่วยนที่ไหนn = c/vที่ไหนคคือ ความเร็วแสงในสุญญากาศ และวีคือ ความเร็วแสงในตัวกลาง ยิ่งแสงเดินทางช้าในตัวกลาง ดัชนีการหักเหของแสงของตัวกลางก็จะยิ่งสูงขึ้น ความเร็วของคลื่นแสงในตัวกลางจะขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของมัน ดังนั้นดัชนีการหักเหของแสงก็เช่นกัน
ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการกระจายตัวซึ่งสามารถเห็นได้ในปริซึมแสง: เมื่อแสงสีขาวซึ่งมีคลื่นแสงที่แตกต่างกันมากมาย ความยาวคลื่นเข้าสู่ปริซึม คลื่นแสงแต่ละองค์ประกอบจะหักเหในมุมที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับ depending ความยาวคลื่น. สิ่งนี้ทำให้เกิดรุ้ง
ดัชนีการหักเหของแสงในอากาศขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมถึงความดันและอุณหภูมิ "คลื่น" ที่เห็นเล็ดลอดออกมาจากวัตถุร้อน เช่น ทางเท้าในฤดูร้อน เกิดขึ้นเนื่องจากแสงหักเหในอากาศที่ร้อนกว่าอากาศเย็น ทำให้ภาพบิดเบี้ยว
นอกจากนี้ อากาศใกล้ถนนที่ร้อนในฤดูร้อนสามารถสะท้อนแสงที่มายังผู้สังเกตได้จริง ที่มุมตื้นทำให้ดูเหมือนมีกระจกหรือผิวน้ำสะท้อนแสงบน ถนน.
กฎของสเนลล์
กฎของสเนลล์เกี่ยวข้องกับดัชนีการหักเหของสื่อทั้งสองเช่นเดียวกับมุมตกกระทบθผมถึงมุมหักเหθrว่าแสงจะโค้งงออย่างไรเมื่อผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
สมการนี้สามารถทำนายมุมที่แสงจะหักเหในตัวกลางที่กำหนด ถ้าทราบดัชนีการหักเหของตัวกลางทั้งสองและมุมตกกระทบ เป็นจริงในทุกสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการหักเหของแสงด้วยตัวกลางสองตัว
การสะท้อนกลับภายในทั้งหมด
หากคลื่นแสงผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงไปยังตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่า มีมุมวิกฤตที่ด้านบนซึ่งแสงจะโค้งงอจนไม่มีสิ่งใดเคลื่อนเข้าสู่ตัวกลางอื่น นี่เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด
มุมวิกฤตคือมุมตกกระทบที่รังสีส่งออกมีมุมหักเห 90 องศา ดังนั้น
\theta_i=\sin^{-1}\frac{n_i}{n_r}
ที่มุมเหนือมุมวิกฤต แสงทั้งหมดผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมด
การสะท้อนภายในทั้งหมดอธิบายว่าทำไมจากมุมหนึ่ง พื้นผิวน้ำ/อากาศในตู้ปลาเมื่อสังเกตจากด้านล่างจึงดูเหมือนกระจกเงาที่สมบูรณ์แบบ อากาศมีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าน้ำมาก ดังนั้นคลื่นแสงจะทำมุมตื้นถึง พื้นผิวจากด้านล่างจะสะท้อนออกจากพื้นผิวแทนที่จะหักเหผ่านมัน ทำให้เกิด a creating กระจกเงา.
การสะท้อนภายในทั้งหมดอาจเกิดขึ้นได้ในคลื่นน้ำและคลื่นเสียง
เลนส์
การหักเหของแสงในตัวกลางสามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อพื้นผิวระหว่างตัวกลางโค้ง อันที่จริง แสงที่มาจากทิศทางเดียวกันจะหักเหในมุมต่างๆ กัน ขึ้นอยู่กับว่าพื้นผิวโค้งที่กระทบนั้นอยู่ที่ใด
เลนส์คือชิ้นส่วนของวัสดุโปร่งใสที่มีด้านโค้งซึ่งใช้การหักเหของแสงส่งผลต่อเส้นทางของแสง เลนส์ที่มาบรรจบกันจะมีความหนาอยู่ตรงกลาง ทำให้แสงที่ส่องเข้ามาจากด้านหนึ่งของเลนส์มาบรรจบกันที่จุดโฟกัสอีกด้านหนึ่ง นี่คือสิ่งที่แว่นขยายและกล้องโทรทรรศน์บางตัวใช้
เลนส์เว้าตรงกลางจะบางกว่าที่ขอบ และแสงที่ส่องเข้ามาจากด้านหนึ่งจะหักเหออกไปด้านนอกและกระจายออกจากกันเมื่อโผล่ออกมาอีกด้านหนึ่ง
เลนส์ทั้งสองชนิดถูกนำมาใช้ในการมองเห็นที่ถูกต้อง ไม่ว่าจะเป็นในแว่นสายตาหรือคอนแทคเลนส์ ขึ้นอยู่กับว่าตามีปัญหาอะไร
ตัวอย่าง
ตาของเราตีความแสงโดยใช้การหักเหของแสง แสงเข้าสู่กระจกตาแล้วจึงเข้าสู่เลนส์ โดยหักเหไปยังจุดที่เรตินาอย่างแม่นยำ จากนั้นภาพจะถูกส่งไปยังสมองผ่านเส้นประสาทตา น้ำตาซึมทำให้ตาพร่ามัวเพราะคุณสมบัติการหักเหของน้ำตา
สิ่งใดก็ตามที่มีเส้นใยแก้วนำแสงจะขึ้นอยู่กับการสะท้อนภายในทั้งหมด เส้นใยมีดัชนีการหักเหของแสงสูงและล้อมรอบด้วยวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำมาก เมื่อแสงเดินทางผ่านเส้นใย มุมของมันกับด้านนอกของเส้นใยจะต่ำพอที่จะป้องกันไม่ให้หลุดรอดไปได้ ซึ่งช่วยให้เส้นใยนำแสงที่มีโฟกัสได้มากในระยะที่ไกลมาก ไฟเบอร์ออปติกใช้เป็นหลักในบริการอินเทอร์เน็ตและโทรศัพท์
รุ้งเกิดจากการหักเหและการสะท้อนของแสงแดดจากหยดน้ำในอากาศ สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้หลังจากพายุฝนหรือในสภาพที่มีหมอกหนา แต่ยังอยู่ใกล้น้ำตกและน้ำพุด้วย ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความยาวคลื่น (สี) ของแสงที่ต่างกันมีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันเล็กน้อยสำหรับวัสดุหนึ่งๆ ซึ่งทำให้หักเหในมุมต่างๆ ผู้สังเกตจะเห็นรุ้งสีตามลำดับความยาวคลื่น
การหักเหของแสงทำให้น้ำในสระดูตื้นกว่าที่เป็นจริง ทันทีที่แสงในอากาศเข้าสู่น้ำ แสงจะก้มลงสู่ผิวน้ำในมุมที่ตื้นกว่าเนื่องจากการหักเหของแสง สำหรับผู้สังเกตด้าน "อากาศ" ของพื้นผิว ดูเหมือนว่าทุกสิ่งที่อยู่ด้านล่างพื้นผิวจะตื้นขึ้น เพราะแสงจะโค้งงอในมุมที่ตื้นกว่า
มุมวิกฤตยังส่งผลต่อวิธีการเจียระไนอัญมณี อัญมณีสามารถตัดได้เพื่อให้แสงที่ส่องเข้ามาได้รับการสะท้อนภายในทั้งหมดเมื่อกระทบกับด้านหลัง และโผล่ออกมาด้านหน้าของหินอีกครั้งเพื่อให้ดูสว่างขึ้น เพชรที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเพชรนี้ ทำให้เป็นอัญมณีที่ได้รับความนิยม