Ο τύπος του νόμου της διάθλασης του φωτός - γενικές και ειδικές περιπτώσεις

Ο νόμος της διάθλασης του φωτός χρησιμοποιείται σε πολλούς διαφορετικούς τομείς και βοηθά στον προσδιορισμό της συμπεριφοράς των ακτίνων όταν εισέρχονται από ένα μέσο σε ένα άλλο. Δεν είναι δύσκολο να κατανοήσουμε τα χαρακτηριστικά αυτού του φαινομένου, τις αιτίες του και άλλες σημαντικές αποχρώσεις. Αξίζει επίσης να κατανοήσετε τους τύπους διάθλασης, καθώς έχουν μεγάλη σημασία για τον υπολογισμό και τη χρήση των αρχών του νόμου στην πράξη.

Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα παρουσιάζεται με ένα σωλήνα ή κουτάλι σε ένα διαφανές ποτήρι με νερό.

Ποιο είναι το φαινόμενο της διάθλασης του φωτός;

Σχεδόν όλοι είναι εξοικειωμένοι με αυτό το φαινόμενο, καθώς συναντάται ευρέως στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα, αν κοιτάξετε τον πυθμένα μιας δεξαμενής με διαφανές νερό, αυτός φαίνεται πάντα πιο κοντά από ό,τι είναι στην πραγματικότητα. Η παραμόρφωση μπορεί να παρατηρηθεί στα ενυδρεία και είναι γνωστή σχεδόν σε όλους. Για να κατανοήσουμε όμως το θέμα, πρέπει να λάβουμε υπόψη μας μερικές σημαντικές πτυχές.

Λόγοι διάθλασης

Τα χαρακτηριστικά των διαφόρων μέσων μέσα στα οποία ταξιδεύει το φως είναι καθοριστικά εδώ. Η πυκνότητά τους συχνά ποικίλλει, οπότε το φως διαδίδεται με διαφορετικές ταχύτητες. Αυτό έχει επίσης άμεση επίδραση στις ιδιότητές του.

Όταν το ηλιακό φως περνάει μέσα από ένα πρίσμα, διαχέεται σε όλα τα χρώματα του φάσματος.

Καθώς περνάει από το ένα μέσο στο άλλο (στο σημείο όπου ενώνονται), το φως αλλάζει κατεύθυνση λόγω των διαφορών στην πυκνότητα και άλλων χαρακτηριστικών. Η απόκλιση μπορεί να είναι διαφορετική, όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στα χαρακτηριστικά των μέσων, τόσο μεγαλύτερη είναι τελικά η παραμόρφωση που σχηματίζεται.

Παρεμπιπτόντως! Όταν το φως διαθλάται, ένα μέρος του ανακλάται πάντα.

Παραδείγματα από τη ζωή

Παραδείγματα μπορούν να βρεθούν σχεδόν παντού, ώστε ο καθένας να μπορεί να δει πώς η διάθλαση επηρεάζει την αντίληψη των αντικειμένων. Οι πιο χαρακτηριστικές παραλλαγές είναι οι εξής:

1. Αν τοποθετήσετε ένα κουτάλι ή ένα σωλήνα σε ένα ποτήρι νερό, μπορείτε να δείτε πώς οπτικά το αντικείμενο παύει να είναι ευθύγραμμο και εκτρέπεται ξεκινώντας από το όριο των δύο μέσων. Αυτή η οπτική ψευδαίσθηση χρησιμοποιείται ως παράδειγμα πιο συχνά.
2. Σε ζεστό καιρό, στην άσφαλτο εμφανίζεται συχνά το φαινόμενο της λακκούβας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι ακτίνες διαθλώνται στην έντονη διαφορά θερμοκρασίας (κοντά στο ίδιο το έδαφος), έτσι ώστε το μάτι να βλέπει μια μικρή αντανάκλαση του ουρανού.
3. Οι αντικατοπτρισμοί εμφανίζονται επίσης ως αποτέλεσμα της διάθλασης. Αυτό είναι πιο περίπλοκο, αλλά αυτό το φαινόμενο δεν συναντάται μόνο στην έρημο, αλλά και στα βουνά, ακόμη και στη μεσαία ζώνη. Μια άλλη επιλογή είναι όταν μπορείτε να δείτε αντικείμενα που βρίσκονται πέρα από τη γραμμή του ορίζοντα.
   Η οφθαλμαπάτη είναι ένα από τα θαύματα της φύσης που προκαλείται από τη διάθλαση του φωτός.
4. Οι αρχές της διάθλασης χρησιμοποιούνται επίσης σε πολλά αντικείμενα που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή: γυαλιά οράσεως, μεγεθυντικοί φακοί, ματάκια πορτών, προβολείς και προβολές διαφανειών, κιάλια και πολλά άλλα.
5. Πολλοί τύποι επιστημονικού εξοπλισμού λειτουργούν εφαρμόζοντας τον εν λόγω νόμο. Αυτά περιλαμβάνουν μικροσκόπια, τηλεσκόπια και άλλα εξελιγμένα οπτικά όργανα.

Ποια είναι η γωνία διάθλασης

Η γωνία διάθλασης είναι η γωνία που σχηματίζεται από το φαινόμενο της διάθλασης στη συμβολή δύο διαφανών μέσων με διαφορετικές ιδιότητες μετάδοσης του φωτός. Προσδιορίζεται από μια κάθετη γραμμή που χαράσσεται στο επίπεδο διάθλασης.

Εάν ένα υγρό με μεγαλύτερη πυκνότητα από το νερό χυθεί σε ένα ποτήρι, η γωνία διάθλασης θα γίνει μεγαλύτερη.

Το φαινόμενο αυτό οφείλεται σε δύο νόμους, τη διατήρηση της ενέργειας και τη διατήρηση της ορμής. Καθώς οι ιδιότητες του μέσου αλλάζουν, η ταχύτητα του κύματος αναπόφευκτα αλλάζει, αλλά η συχνότητά του παραμένει η ίδια.

Από τι εξαρτάται η γωνία διάθλασης;

Ο δείκτης μπορεί να ποικίλλει και εξαρτάται κυρίως από τα χαρακτηριστικά των δύο μέσων μέσα από τα οποία διέρχεται το φως. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερη είναι η οπτική εκτροπή.

Επίσης, η γωνία εξαρτάται από το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός. Καθώς η τιμή αυτή μεταβάλλεται, μεταβάλλεται και η απόκλιση. Σε ορισμένα περιβάλλοντα η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος έχει επίσης μεγάλη επίδραση, αλλά αυτό δεν συμβαίνει πάντα.

Στα οπτικά ανισότροπα υλικά η γωνία επηρεάζεται από την πόλωση του φωτός και την κατεύθυνσή του.

Τύποι διάθλασης

Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι η κοινή διάθλαση του φωτός, όταν λόγω των διαφορετικών χαρακτηριστικών του μέσου παρατηρείται ένα φαινόμενο παραμόρφωσης σε κάποιο βαθμό. Υπάρχουν όμως και άλλες ποικιλίες που εμφανίζονται παράλληλα ή μπορούν να θεωρηθούν ως ξεχωριστό φαινόμενο.

Όταν ένα κατακόρυφα πολωμένο κύμα προσκρούει στο όριο μεταξύ δύο μέσων υπό ορισμένη γωνία (που ονομάζεται γωνία Brewster), είναι δυνατόν να δούμε την ολική διάθλαση. Σε αυτή την περίπτωση δεν θα υπάρχει καθόλου ανακλώμενο κύμα.

Η ολική εσωτερική ανάκλαση μπορεί να παρατηρηθεί μόνο όταν η ακτινοβολία διέρχεται από ένα μέσο με υψηλότερο δείκτη διάθλασης σε ένα λιγότερο πυκνό μέσο. Στην περίπτωση αυτή η γωνία διάθλασης είναι μεγαλύτερη από τη γωνία πρόσπτωσης. Δηλαδή, υπάρχει μια αντίστροφη σχέση. Επιπλέον, καθώς η γωνία πρόσπτωσης αυξάνεται, μόλις φτάσει σε μια ορισμένη τιμή, ο δείκτης γίνεται 90 μοίρες.

Εάν το φως πέσει στο όριο των δύο μέσων υπό ορισμένη γωνία, μπορεί απλώς να ανακλαστεί.

Αν αυξήσετε την τιμή ακόμη περισσότερο, η δέσμη θα ανακλάται από το όριο των δύο ουσιών χωρίς να περνάει στο άλλο μέσο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ολική εσωτερική ανάκλαση.

Διαβάστε επίσης

Οι νόμοι της ανάκλασης του φωτός και η ιστορία της ανακάλυψής τους

 

Εδώ χρειάζεται μια διευκρίνιση σχετικά με τον υπολογισμό των αριθμητικών στοιχείων, καθώς ο τύπος είναι διαφορετικός από τον τυπικό. Σε αυτή την περίπτωση θα μοιάζει ως εξής:

sin _pr=n₂₁

Το φαινόμενο αυτό κατέστησε δυνατή τη δημιουργία οπτικών ινών, ενός υλικού που μπορεί να μεταδίδει τεράστιες ποσότητες πληροφοριών σε απεριόριστες αποστάσεις με ταχύτητα απρόσιτη για άλλες επιλογές. Σε αντίθεση με έναν καθρέφτη, στην περίπτωση αυτή, η ανάκλαση πραγματοποιείται χωρίς απώλεια ενέργειας, ακόμη και με πολλαπλές ανακλάσεις.

Οι οπτικές ίνες έχουν απλή δομή:

1. Ο πυρήνας εκπομπής φωτός είναι κατασκευασμένος από πλαστικό ή γυαλί. Όσο μεγαλύτερη είναι η διατομή, τόσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος της πληροφορίας που μπορεί να μεταδοθεί.
2. Το περίβλημα πρέπει να αντανακλά το φως στον πυρήνα, ώστε να διαδίδεται μόνο μέσω του πυρήνα. Είναι σημαντικό στο σημείο εισόδου στον φωτοδηγό η δέσμη να πέφτει σε γωνία μεγαλύτερη από το όριο, τότε θα ανακλαστεί χωρίς απώλεια ενέργειας.
3. Η προστατευτική μόνωση αποτρέπει τη φθορά της ίνας και την προστατεύει από δυσμενείς επιδράσεις. Το καλώδιο μπορεί επίσης να τοποθετηθεί υπόγεια χάρη σε αυτό το τμήμα.

Οι οπτικές ίνες έχουν οδηγήσει τη μετάδοση πληροφοριών σε ένα εντελώς νέο επίπεδο.

Πώς ανακαλύφθηκε ο νόμος της διάθλασης

Ανακαλύφθηκε από τον από τον Willebrord Snellius., ολλανδός μαθηματικός, το 1621. Μετά από μια σειρά πειραμάτων, κατάφερε να διατυπώσει τις βασικές πτυχές, οι οποίες έχουν παραμείνει σχεδόν αμετάβλητες μέχρι σήμερα. Ήταν ο πρώτος που παρατήρησε τη σταθερότητα του λόγου του ημιτόνου των γωνιών πρόσπτωσης και ανάκλασης.

Η πρώτη δημοσίευση με το υλικό της ανακάλυψης έγινε από τον Γάλλο επιστήμονα Ρενέ Ντεκάρτ.. Ωστόσο, οι ειδικοί διαφωνούν- ορισμένοι πιστεύουν ότι χρησιμοποίησε το υλικό του Snellius και άλλοι είναι πεπεισμένοι ότι το ανακάλυψε ανεξάρτητα.

Διαβάστε επίσης

Τι ονομάζεται διασπορά του φωτός

 

Ορισμός και τύπος του δείκτη διάθλασης

Η προσπίπτουσα και η διαθλώμενη ακτίνα και η κάθετη που διέρχεται από τη διασταύρωση των δύο μέσων βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Το ημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης σε σχέση με το ημίτονο της γωνίας διάθλασης είναι μια σταθερή τιμή. Έτσι ακούγεται ο ορισμός, ο οποίος μπορεί να διαφέρει στην παρουσίαση, αλλά το νόημα παραμένει πάντα το ίδιο. Η γραφική εξήγηση και ο τύπος φαίνονται στην παρακάτω εικόνα.

Η φόρμουλα είναι καθολική και κατάλληλη για διαφορετικά μέσα.

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι δείκτες της διάθλασης δεν έχουν μονάδες μέτρησης. Κάποτε, ενώ μελετούσαν τις φυσικές βάσεις του εν λόγω φαινομένου, δύο επιστήμονες ταυτόχρονα - Christian Huygens από την Ολλανδία και ο Pierre Fermat από τη Γαλλία, κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα. Σύμφωνα με τον ίδιο, το ημίτονο της πρόσπτωσης και το ημίτονο της διάθλασης είναι ίσα με τον λόγο των ταχυτήτων στα μέσα από τα οποία διέρχονται τα κύματα. Εάν το φως διέρχεται από το ένα μέσο γρηγορότερα από το άλλο, είναι οπτικά λιγότερο πυκνό.

Παρεμπιπτόντως! Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι υψηλότερη από ό,τι σε οποιαδήποτε άλλη ουσία.

Η φυσική σημασία του νόμου του Snellius

Όταν το φως περνάει από το κενό σε οποιαδήποτε άλλη ουσία, αναπόφευκτα αλληλεπιδρά με τα μόριά της. Όσο υψηλότερη είναι η οπτική πυκνότητα του μέσου, τόσο περισσότερο το φως αλληλεπιδρά με τα άτομα και τόσο χαμηλότερη είναι η ταχύτητα διάδοσής του, και όσο υψηλότερη είναι η πυκνότητα, τόσο υψηλότερος είναι ο δείκτης διάθλασης.

Η απόλυτη διάθλαση συμβολίζεται με το γράμμα n, το οποίο δίνει μια ιδέα για το πώς μεταβάλλεται η ταχύτητα του φωτός όταν αυτό μετακινείται από το κενό σε ένα μέσο.

Σχετική διάθλαση (n₂₁) δείχνει πώς μεταβάλλεται η ταχύτητα του φωτός όταν μετακινείται από ένα μέσο σε ένα άλλο.

Το βίντεο εξηγεί το νόμο από τη φυσική της 8ης τάξης πολύ απλά με γραφικά και κινούμενα σχέδια.

Πεδίο εφαρμογής του δικαίου στην τεχνολογία

Έχει περάσει πολύς χρόνος από την ανακάλυψη του φαινομένου και την πρακτική έρευνα. Τα αποτελέσματα συνέβαλαν στην ανάπτυξη και υλοποίηση μεγάλου αριθμού συσκευών που χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς, αξίζει να ξεχωρίσουμε τα πιο συνηθισμένα παραδείγματα:

1. Οφθαλμολογικός εξοπλισμός. Επιτρέπει ποικίλες εξετάσεις και ανίχνευση παθολογιών.
2. Συσκευές για την εξέταση του στομάχου και των εσωτερικών οργάνων. Μπορείτε να πάρετε μια καθαρή εικόνα χωρίς να εισαγάγετε μια φωτογραφική μηχανή, γεγονός που καθιστά τη διαδικασία πολύ πιο εύκολη και γρήγορη.
3. Τα τηλεσκόπια και ο λοιπός αστρονομικός εξοπλισμός, χάρη στη διάθλαση, μπορούν να παράγουν εικόνες που δεν είναι ορατές με γυμνό μάτι.
   Η διάθλαση του φωτός στους φακούς των τηλεσκοπίων επιτρέπει τη συλλογή του φωτός με εστίαση, εξασφαλίζοντας έρευνα υψηλής ακρίβειας.
4. Τα κιάλια και παρόμοια όργανα λειτουργούν επίσης σύμφωνα με τις αρχές που περιγράφονται παραπάνω. Περιλαμβάνουν επίσης μικροσκόπια.
5. Ο φωτογραφικός και βιντεοσκοπικός εξοπλισμός, και πιο συγκεκριμένα τα οπτικά του, χρησιμοποιούν τη διάθλαση του φωτός.
6. Οπτικές ίνες που μεταδίδουν μεγάλες ποσότητες πληροφοριών σε οποιαδήποτε απόσταση.

Μάθημα βίντεο: Συμπέρασμα σχετικά με το νόμο της διάθλασης του φωτός.

Η διάθλαση του φωτός είναι ένα φαινόμενο που προκαλείται από τα χαρακτηριστικά των διαφόρων μέσων. Μπορεί να παρατηρηθεί στο σημείο όπου συνδυάζονται- η γωνία εκτροπής εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ των ουσιών. Αυτό το χαρακτηριστικό χρησιμοποιείται ευρέως στη σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία.