Załamanie elementów świetlnych, praw i eksperymentu



The załamanie światła jest zjawiskiem optycznym, które występuje, gdy światło pada ukośnie na powierzchnię separacji dwóch mediów o różnym współczynniku załamania światła. Gdy tak się dzieje, światło zmienia swój kierunek i prędkość.

Refrakcja występuje, na przykład, gdy światło przechodzi z powietrza do wody, ponieważ woda ma niższy współczynnik załamania światła. Jest to zjawisko, które można doskonale zobaczyć w basenie, obserwując, jak formy ciała pod wodą wydają się odbiegać od kierunku, w którym powinny się znajdować.

Jest to zjawisko, które wpływa na różne typy fal, chociaż przypadek światła jest najbardziej reprezentatywny i ten, który ma większą obecność w naszym dniu na dzień.

Wyjaśnienie załamania światła zaproponował holenderski fizyk Willebrord Snell van Royen, który ustanowił prawo wyjaśniające, że stało się ono znane jako prawo Snella..

Innym naukowcem, który zwrócił szczególną uwagę na załamanie światła, był Izaak Newton. Aby go zbadać, stworzył słynny szklany pryzmat. W pryzmacie światło przenika przez jedną z jego twarzy, załamując się i rozkładając w różnych kolorach. W ten sposób dzięki zjawisku załamania światła udowodniono, że białe światło składa się ze wszystkich kolorów tęczy.

Indeks

  • 1 Elementy załamania
    • 1.1 Wskaźnik załamania światła w różnych mediach
  • 2 Prawa załamania
    • 2.1 Pierwsze prawo załamania
    • 2.2 Drugie prawo załamania
    • 2.3 Zasada Fermata
    • 2.4 Konsekwencje prawa Snella
    • 2.5 Kąt graniczny i całkowite odbicie wewnętrzne
  • 3 eksperymenty
    • 3.1 Przyczyny 
  • 4 Refrakcja światła w dzień na dzień
  • 5 referencji 

Elementy załamania

Główne elementy, które należy wziąć pod uwagę przy badaniu załamania światła, są następujące: - Promień padający, czyli promień padający ukośnie na powierzchnię separacji dwóch ośrodków fizycznych. - Promień załamany, który jest promieniem, który przecina medium, modyfikując jego kierunek i jego prędkość. - Normalna linia, która jest wyobrażoną linią prostopadłą do powierzchni separacji dwóch mediów. - Kąt padania (i), który jest zdefiniowany jako kąt utworzony przez promień padający o normalnym kącie załamania (r), który jest zdefiniowany jako kąt utworzony przez normalny promień załamany.

-Ponadto należy również wziąć pod uwagę współczynnik załamania światła (n) ośrodka, który jest ilorazem prędkości światła w próżni i prędkości światła w ośrodku.

n = c / v

W związku z tym warto pamiętać, że prędkość światła w próżni przyjmuje wartość 300 000 000 m / s.

Współczynnik załamania światła w różnych mediach

Współczynnik załamania światła w niektórych z najczęstszych środków to:

Prawa załamania

Prawo Snella jest często określane jako prawo załamania, ale prawda jest taka, że ​​można powiedzieć, że prawa załamania są dwa.

Pierwsze prawo załamania

Promień padający, promień załamany i promień normalny znajdują się w tej samej płaszczyźnie przestrzeni. W tym prawie, również wywnioskowanym przez Snella, stosuje się również odbicie.

Drugie prawo załamania

Drugie prawo załamania światła lub prawo Snella jest określone przez następujące wyrażenie:

n1 sen i = n2 zm

Będąc n1 współczynnik załamania ośrodka, z którego pochodzi światło; i kąt padania; n2 współczynnik załamania ośrodka, w którym załamuje się światło; r kąt załamania.

Zasada Fermata

Od początku minimalnego czasu lub zasady Fermata możemy wydedukować zarówno prawa odbicia, jak i prawa refrakcji, które właśnie widzieliśmy.

Zasada ta potwierdza, że ​​rzeczywista trajektoria, która podąża za promieniem światła, który porusza się między dwoma punktami przestrzeni, jest tą, która wymaga mniejszego czasu na jej przekroczenie.

Konsekwencje prawa Snella

Niektóre z bezpośrednich konsekwencji wynikających z poprzedniego wyrażenia to:

a) Jeśli n2 > n1 ; zm < sen i o sea r < i

Tak więc, kiedy promień światła przechodzi z medium o niższym współczynniku załamania światła do ośrodka o wyższym współczynniku załamania, promień załamany zbliża się do normy.

b) Jeśli n2 < n1 ; sen> sin i lub r> i

Tak więc, kiedy promień światła przechodzi z medium o wyższym współczynniku załamania światła do medium o niższym indeksie, załamany promień odsuwa się od normalnego.

c) Jeśli kąt padania wynosi zero, to kąt wiązki refrakcji również wynosi zero.

Kąt graniczny i całkowite odbicie wewnętrzne

Inną ważną konsekwencją prawa Snella jest tzw. Kąt graniczny. Jest to nazwa nadana kątowi padania, który odpowiada kątowi załamania 90º.

Gdy to nastąpi, załamany promień porusza się równo z powierzchnią separacji dwóch mediów. Kąt ten nazywany jest również kątem krytycznym.

W przypadku kątów powyżej kąta granicznego występuje zjawisko zwane całkowitym odbiciem wewnętrznym. W takim przypadku załamanie nie występuje, ponieważ cała wiązka światła jest odbijana wewnętrznie. Całkowite wewnętrzne odbicie występuje tylko podczas przemieszczania się z medium o wyższym współczynniku załamania światła do medium o niższym współczynniku załamania.

Jednym z zastosowań całkowitego wewnętrznego odbicia jest przewodzenie światła przez światłowód bez utraty energii. Dzięki temu możemy cieszyć się wysokimi prędkościami transmisji danych oferowanymi przez sieci światłowodowe.

Eksperymenty

Bardzo podstawowy eksperyment, aby móc obserwować zjawisko refrakcji, polega na wprowadzeniu ołówka lub pióra do szklanki pełnej wody. W wyniku załamania światła część zanurzonego pióra lub ołówka wydaje się nieco złamana lub odchylona w stosunku do trajektorii, którą można by oczekiwać.

Możesz także spróbować wykonać podobny eksperyment ze wskaźnikiem laserowym. Oczywiście konieczne jest wlanie kilku kropel mleka do szklanki wody, aby poprawić widoczność światła laserowego. W tym przypadku zaleca się przeprowadzenie eksperymentu w warunkach słabego oświetlenia, aby lepiej docenić ścieżkę wiązki światła.

W obu przypadkach warto wypróbować różne kąty padania i obserwować, jak zmienia się kąt załamania, ponieważ zmieniają się one.

Przyczyny 

Przyczyn tego efektu optycznego należy szukać w refrakcji światła, która powoduje, że obraz ołówka (lub wiązki laserowej) wydaje się być odchylony pod wodą w stosunku do obrazu, który widzimy w powietrzu.

Refrakcja światła w dzień na dzień

Załamanie światła można zaobserwować w wielu sytuacjach z dnia na dzień. Niektórzy z nas już je nazwali, inni wymienimy poniżej.

Jedną z konsekwencji załamania jest to, że pule wydają się być płytsze niż są w rzeczywistości.

Innym efektem załamania jest tęcza, która występuje, ponieważ światło jest załamywane przez przepuszczanie kropel wody do atmosfery. Jest to to samo zjawisko, które występuje, gdy wiązka światła przechodzi przez pryzmat.

Inną konsekwencją załamania światła jest to, że obserwujemy zachód Słońca, gdy minęło kilka minut, ponieważ to się naprawdę wydarzyło.

Referencje

  1. Światło (n.d.). W Wikipedii. Pobrane 14 marca 2019 r. Z en.wikipedia.org.
  2. Burke, John Robert (1999). Fizyka: natura rzeczy. Mexico City: International Thomson Editors. 
  3. Całkowita wewnętrzna refleksja (n.d.). W Wikipedii. Pobrane 12 marca 2019 r. Z en.wikipedia.org.
  4. Światło (n.d.). W Wikipedii. Pobrane 13 marca 2019 r. Z en.wikipedia.org.
  5. Lekner, John (1987). Teoria odbicia fal elektromagnetycznych i cząstek. Springer.
  6. Załamanie (n.d.). W Wikipedii. Pobrane 14 marca 2019 r. Z en.wikipedia.org.
  7. Crawford jr., Frank S. (1968). Fale (Berkeley Physics Course, t. 3), McGraw-Hill.