Wzór na prawo załamania światła - przypadki ogólne i szczególne

Prawo załamania światła jest wykorzystywane w wielu różnych dziedzinach i pomaga określić, jak zachowają się promienie, gdy przedostaną się z jednego ośrodka do drugiego. Nietrudno jest zrozumieć cechy tego zjawiska, jego przyczyny i inne ważne niuanse. Warto również poznać rodzaje załamania światła, ponieważ mają one duże znaczenie przy obliczaniu i stosowaniu zasad prawa w praktyce.

Najczęstszym przykładem jest rurka lub łyżka umieszczona w czystej szklance z wodą.

Na czym polega zjawisko załamania światła?

Zjawisko to jest znane prawie wszystkim, gdyż jest powszechnie spotykane w życiu codziennym. Na przykład, jeśli patrzysz na dno zbiornika z przezroczystą wodą, zawsze wydaje się on bliżej niż jest w rzeczywistości. Zniekształcenie to można zaobserwować w akwariach i jest ono znane prawie każdemu. Aby jednak zrozumieć to zagadnienie, należy wziąć pod uwagę kilka ważnych aspektów.

Przyczyny refrakcji

Decydujące znaczenie mają tu właściwości różnych mediów, przez które przechodzi światło. Ich gęstość jest często różna, więc światło rozchodzi się z różną prędkością. Ma to również bezpośredni wpływ na jego właściwości.

Gdy światło słoneczne przechodzi przez pryzmat, rozchodzi się na wszystkie kolory widma.

Podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego (w miejscu ich połączenia) światło zmienia kierunek ze względu na różnice w gęstości i inne właściwości. Odchylenia mogą być różne, im większa różnica w charakterystyce mediów, tym większe zniekształcenia powstają w efekcie końcowym.

Przy okazji! Gdy światło jest załamane, jego część jest zawsze odbijana.

Przykłady z życia wzięte

Przykłady można znaleźć niemal wszędzie, więc każdy może zobaczyć, jak załamanie światła wpływa na postrzeganie obiektów. Najbardziej charakterystyczne są następujące warianty:

1. Jeśli umieścimy łyżkę lub rurkę w szklance z wodą, możemy zaobserwować, jak optycznie obiekt przestaje być prosty i odchyla się od granicy obu mediów. To złudzenie optyczne jest najczęściej używane jako przykład.
2. W gorące dni na asfalcie często występuje efekt kałuży. Dzieje się tak dlatego, że promienie są załamywane przy dużej różnicy temperatur (przy samej ziemi), przez co oko widzi lekkie odbicie nieba.
3. Miraże powstają również w wyniku załamania światła. Jest to bardziej skomplikowane, ale zjawisko to występuje nie tylko na pustyni, ale także w górach, a nawet w strefie środkowej. Inną możliwością jest obserwowanie obiektów poza linią horyzontu.
   Miraż to jeden z cudów natury, który powstaje w wyniku załamania światła.
4. Zasady załamania światła są również wykorzystywane w wielu przedmiotach codziennego użytku: okularach, szkłach powiększających, wizjerach, projektorach i rzutnikach, lornetkach i wielu innych.
5. Wiele rodzajów sprzętu naukowego działa dzięki zastosowaniu danego prawa. Należą do nich mikroskopy, teleskopy i inne zaawansowane instrumenty optyczne.

Jaki jest kąt załamania światła?

Kąt załamania światła to kąt powstały w wyniku zjawiska załamania światła na styku dwóch ośrodków przezroczystych o różnych właściwościach przepuszczania światła. Wyznacza się ją na podstawie linii prostopadłej do płaszczyzny załamania światła.

Jeżeli do szklanki wleje się ciecz o większej gęstości niż woda, kąt załamania światła będzie większy.

Zjawisko to jest spowodowane dwoma prawami: zachowania energii i zachowania pędu. Wraz ze zmianą właściwości ośrodka nieuchronnie zmienia się prędkość fali, ale jej częstotliwość pozostaje taka sama.

Od czego zależy kąt załamania światła?

Wskaźnik ten może być różny i zależy przede wszystkim od właściwości dwóch ośrodków, przez które przechodzi światło. Im większa jest różnica między nimi, tym większe jest odchylenie wzrokowe.

Kąt zależy również od długości fali emitowanego światła. Wraz ze zmianą tej wartości zmienia się też odchylenie. W niektórych środowiskach duży wpływ ma również częstotliwość fali elektromagnetycznej, ale nie zawsze tak jest.

W materiałach optycznie anizotropowych na kąt wpływa polaryzacja światła i jego kierunek.

Rodzaje refrakcji

Najczęściej spotykanym typem jest zwykłe załamanie światła, kiedy to ze względu na różne właściwości ośrodka można zaobserwować efekt zniekształcenia w pewnym stopniu. Istnieją jednak inne odmiany, które pojawiają się równolegle lub mogą być traktowane jako odrębne zjawisko.

Gdy spolaryzowana pionowo fala uderzy w granicę między dwoma ośrodkami pod pewnym kątem (zwanym kątem Brewstera), można zaobserwować całkowite załamanie. W takim przypadku fala odbita w ogóle nie wystąpi.

Całkowite wewnętrzne odbicie można zaobserwować tylko wtedy, gdy promieniowanie przechodzi z ośrodka o wyższym współczynniku załamania światła do ośrodka o mniejszej gęstości. W tym przypadku kąt załamania jest większy od kąta padania. Oznacza to, że istnieje odwrotna zależność. Ponadto, wraz ze wzrostem kąta padania światła, po osiągnięciu pewnej wartości, indeks staje się równy 90 stopni.

Jeśli światło pada na granicę dwóch ośrodków pod pewnym kątem, może zostać po prostu odbite.

Jeśli zwiększysz tę wartość jeszcze bardziej, wiązka zostanie odbita od granicy dwóch substancji, nie przechodząc do drugiego ośrodka. Zjawisko to nazywane jest całkowitym wewnętrznym odbiciem.

Czytaj także

Prawa odbicia światła i historia ich odkrycia

 

W tym miejscu należy wyjaśnić sposób obliczania danych liczbowych, ponieważ wzór różni się od standardowego. W tym przypadku będzie to wyglądało następująco:

grzech _pr=n₂₁

Zjawisko to umożliwiło stworzenie światłowodu - materiału, który może przesyłać ogromne ilości informacji na nieograniczone odległości z prędkością niedostępną dla innych rozwiązań. W przeciwieństwie do lustra, w tym przypadku odbicie następuje bez strat energii, nawet przy wielokrotnych odbiciach.

Włókna optyczne mają prostą budowę:

1. Rdzeń przepuszczający światło jest wykonany z tworzywa sztucznego lub szkła. Im większy przekrój poprzeczny, tym większa ilość informacji, które można przesłać.
2. Osłona ma za zadanie odbijać światło w rdzeniu, tak aby rozchodziło się ono tylko przez rdzeń. Ważne jest, aby w punkcie wejścia do światłowodu wiązka padała pod kątem większym niż graniczny, wtedy zostanie odbita bez utraty energii.
3. Izolacja ochronna zapobiega uszkodzeniom włókien i chroni je przed niekorzystnymi czynnikami. Dzięki tej części kabel może być układany również pod ziemią.

Dzięki światłowodom przesyłanie informacji osiągnęło zupełnie nowy poziom.

Jak odkryto prawo załamania światła

Został on odkryty przez przez Willebrorda Snelliusa.holenderskiego matematyka, w 1621 r. Po przeprowadzeniu serii eksperymentów udało mu się sformułować podstawowe założenia, które praktycznie nie zmieniły się do dnia dzisiejszego. To on jako pierwszy zauważył stałość stosunku sinusów kątów padania i odbicia.

Pierwszą publikację zawierającą materiały dotyczące tego odkrycia opublikował francuski naukowiec René Descartes.. Jednak eksperci nie są zgodni: jedni uważają, że korzystał on z materiałów Snelliusa, a inni są przekonani, że odkrył ją na nowo samodzielnie.

Czytaj także

Co nazywamy rozproszeniem światła

 

Definicja i wzór na współczynnik załamania światła

Promienie padające i załamane oraz prostopadła przechodząca przez styk dwóch ośrodków leżą w tej samej płaszczyźnie. Sinus kąta padania w stosunku do sinusa kąta załamania jest wartością stałą. Tak brzmi definicja, która może różnić się sposobem przedstawienia, ale jej znaczenie zawsze pozostaje takie samo. Objaśnienie graficzne i wzór przedstawiono na poniższym rysunku.

Formuła jest uniwersalna i nadaje się do stosowania na różnych nośnikach.

Warto zwrócić uwagę, że wskaźniki refrakcji nie mają żadnych jednostek miary. W pewnym momencie, podczas badania fizycznych podstaw omawianego zjawiska, dwóch naukowców jednocześnie - Christian Huygens Hollanda i Pierre'a Fermata z Francji, doszli do tego samego wniosku. Według niego sinus kąta padania i sinus kąta załamania są równe stosunkowi prędkości w ośrodkach, przez które przechodzą fale. Jeśli światło przechodzi przez jeden z ośrodków szybciej niż przez drugi, ma mniejszą gęstość optyczną.

Przy okazji! Prędkość światła w próżni jest wyższa niż w przypadku jakiejkolwiek innej substancji.

Fizyczne znaczenie prawa Snelliusa

Gdy światło przechodzi z próżni do jakiejkolwiek innej substancji, nieuchronnie oddziałuje z jej cząsteczkami. Im większa gęstość optyczna ośrodka, tym więcej światła oddziałuje z atomami i tym mniejsza jest prędkość jego rozchodzenia się, a im większa gęstość, tym większy współczynnik załamania światła.

Załamanie bezwzględne oznaczane jest literą n, co daje pojęcie o tym, jak zmienia się prędkość światła, gdy przechodzi ono z próżni do ośrodka.

Refrakcja względna (n₂₁) pokazuje, jak zmienia się prędkość światła przy przechodzeniu z jednego ośrodka do drugiego.

Film wyjaśnia prawo z fizyki z klasy 8 w bardzo prosty sposób za pomocą grafiki i animacji.

Zakres obowiązywania prawa w technice

Od odkrycia zjawiska i badań praktycznych upłynęło wiele czasu. Dzięki tym wynikom udało się opracować i zrealizować wiele urządzeń stosowanych w różnych sektorach, warto przyjrzeć się najbardziej powszechnym przykładom:

1. Sprzęt okulistyczny. Umożliwia wykonywanie różnych badań i wykrywanie patologii.
2. Urządzenia do badania żołądka i narządów wewnętrznych. Można uzyskać wyraźny obraz bez wprowadzania kamery, co znacznie ułatwia i przyspiesza proces.
3. Teleskopy i inne urządzenia astronomiczne, dzięki refrakcji, mogą tworzyć obrazy, których nie można zobaczyć gołym okiem.
   Dzięki załamaniu światła w soczewkach teleskopów światło jest zbierane z zachowaniem ostrości, co zapewnia wysoką precyzję badań.
4. Lornetki i podobne instrumenty również działają zgodnie z zasadami opisanymi powyżej. W ich skład wchodzą również mikroskopy.
5. Sprzęt fotograficzny i wideo, a dokładniej jego układy optyczne, wykorzystują zjawisko załamania światła.
6. Światłowody, które przesyłają duże ilości informacji na dowolną odległość.

Lekcja wideo: Wnioski dotyczące prawa załamania światła.

Załamanie światła jest zjawiskiem spowodowanym właściwościami różnych ośrodków. Można ją zaobserwować w miejscu ich połączenia; kąt odchylenia zależy od różnicy między substancjami. Ta cecha jest szeroko wykorzystywana w nowoczesnej nauce i technice.