Коли промінь світла переходить від одного середовища до іншого - наприклад, коли він виходить із водойми з водою або коли проходить через ваші окуляри - ви, можливо, помітили, що він згинається. Це називається заломленням, і воно відбувається під різними кутами залежно від падаючого світла та матеріалу. Це також те, як очі можуть бачити і передавати зображення в мозок.
Заломлення світла
Рефракція - це вигин світлових променів, коли вони переходять з одного середовища у друге. Це випливає з того, що світло рухається з дещо різною швидкістю в різних середовищах. Наскільки заломлюється світловий промінь, буде залежати від того, наскільки відрізняється його швидкість у другому середовищі від першого. Чим більша різниця швидкостей, тим більший кут заломлення.
Ви можете думати про це, використовуючи принцип найменшого часу. Уявіть, як рятувальник намагається дістатись до плавця далеко за берегом і у воді за найкоротший проміжок часу. Вона знає, що може бігати набагато швидше, ніж вміє плавати. Спроба дістатися до плавця, рухаючись прямою лінією, буде неефективною через її повільну швидкість плавання відносно швидкості бігу; натомість вона біжить по пляжу, поки вона майже не перебуває перед плавцем, а потім стрибає у воду.
Відстань, яку вона проходить, довша, але пройдений час коротший через різну швидкість руху в різних середовищах. Це те, що робить світло, коли воно заломлюється.
Водні хвилі також можуть заломлюватися під час подорожей між областями різної глибини, оскільки хвилі рухатимуться з різною швидкістю залежно від того, перебувають вони на мілководді чи глибокій воді.
Показник заломлення
Показник заломлення для даного середовища - це одиничне числопдеn = c / v, деc- швидкість світла у вакуумі іv- швидкість світла в середовищі. Чим повільніше світло рухається в середовищі, тим вищим буде показник заломлення цього середовища. Швидкість світлової хвилі в середовищі залежатиме від довжини хвилі, а отже, і від показника заломлення.
Це призводить до явища т.з.дисперсія, що можна побачити в світлих призмах: Коли біле світло, яке містить багато різних світлових хвиль довжин хвиль, потрапляє в призму, кожна складова світлової хвилі заломлюється під різним кутом залежно від свого довжина хвилі. Це створює видимість веселки.
Показник заломлення в повітрі залежить від багатьох факторів, включаючи тиск і температуру. "Хвилі", що спостерігаються влітку від гарячих предметів, таких як тротуар, виникають через те, що світло заломлюється інакше через гаряче повітря, ніж прохолодніше, викликаючи спотворення зображень.
Крім того, повітря біля гарячої дороги влітку може насправді відбивати світло, яке надходить до спостерігача під невеликим кутом, здаючись, що на ньому є дзеркало або відбиваюча водна поверхня дорога.
Закон Снелла
Закон Снелла пов'язує показники заломлення двох середовищ, а також кут падінняθiдо кута заломленняθр, до того, як світло нахиляється, переходячи з одного середовища в інше.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Це рівняння може передбачити кут, під яким світло буде заломлюватися в даному середовищі, якщо відомі показники заломлення обох середовищ та кут падіння. Це справедливо в будь-якій ситуації, що стосується заломлення світла, з будь-якими двома середовищами.
Повне внутрішнє відображення
Якщо світлові хвилі переходять від середовища з високим показником заломлення до середовища з нижчим показником заломлення, існує критичний кут, над яким світло стає досить зігнутим, щоб жодне з них не перемістилося в інше середовище. Це називається повним внутрішнім відображенням.
Критичний кут - це кут падіння, для якого виходить промінь має кут заломлення 90 градусів. Так
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
Під кутами вище критичного кута все світло зазнає повного внутрішнього відбиття.
Повне внутрішнє відбиття пояснює, чому під певним кутом поверхня води / повітря в рибному резервуарі при спостереженні знизу буде виглядати як ідеальне дзеркало. Повітря має набагато нижчий показник заломлення, ніж вода, і тому легкі хвилі мають невеликий кут до поверхня знизу буде відбиватися від поверхні, замість того, щоб заломлюватися крізь неї, створюючи a дзеркало.
Повне внутрішнє відбиття може також відбуватися у водяних хвилях і звукових хвилях.
Лінзи
Заломлення світла в середовищі може змінюватися, коли поверхня між середовищами викривлена. Фактично, світло, що надходить з одного і того ж напрямку, буде заломлюватися під різними кутами залежно від того, куди на криволінійній поверхні воно потрапляє.
Лінзи - це шматки прозорого матеріалу з вигнутими сторонами, які використовують заломлення, щоб впливати на шлях світла. Збіжна лінза товщі посередині, що дозволяє світловим променям, що надходять з одного боку лінзи, сходитися до фокусної точки з іншого боку. Це те, що використовують лупи та деякі телескопи.
Увігнута лінза в середині тонша, ніж по краях, а промені світла, що надходять з одного боку, заломлюються назовні і поширюються в сторону, коли виходять з іншого боку.
Обидва типи лінз використовуються для корекції зору, будь то в окулярах або на контактах, залежно від того, яка проблема в оці.
Приклади
Наші очі інтерпретують світло за допомогою заломлення. Світло потрапляє в рогівку, а потім у кришталик, заломлюючись у точну точку на сітківці. Потім зображення передається в мозок через зоровий нерв. Сльозисті очі призводять до затуманення зору через заломлювальні властивості сліз.
Все, що містить оптичні волокна, залежить від повного внутрішнього відбиття. Волокна мають високий показник заломлення і оточені матеріалом з дуже низьким показником заломлення. Коли світло проходить крізь волокно, його кут із зовнішньою стороною волокна досить низький, щоб уникнути його виходу. Це дозволяє волокну переносити дуже сфокусоване світло на велику відстань. Волоконна оптика використовується переважно в Інтернеті та телефонних послугах.
Веселки викликані заломленням і відбиттям сонячного світла від крапель води в повітрі. Це може статися після дощів або в туманних умовах, але також поблизу водоспадів та фонтанів. Як згадувалося раніше, різні довжини хвиль (кольорів) світла мають дещо різні показники заломлення для даного матеріалу, що змушує їх заломлюватися під різними кутами. Потім спостерігач бачить веселку кольорів у порядку довжини хвилі.
Заломлення - це те, чому вода у ставку виглядає більш дрібною, ніж є насправді. Як тільки світло в повітрі потрапляє у воду, воно заломлюється під меншим кутом до поверхні. Для спостерігача на «повітряній» стороні поверхні здається, ніби все, що знаходиться під поверхнею, є більш поверхневим, оскільки світло зігнуте під меншими кутами.
Критичний кут також впливає на спосіб різання дорогоцінних каменів. Дорогоцінний камінь можна вирізати так, що потрапляючи в нього світло зазнає повного внутрішнього відбиття, потрапляючи на задні грані, знову виступаючи з передньої частини каменю, щоб зробити його більш яскравим. Для цього особливо ідеальний алмаз з високим показником заломлення, що робить його популярним дорогоцінним каменем.