Valguse murdumise nähtus on füüsikaline nähtus, mis ilmneb iga kord, kui laine liigub ühelt materjalilt teisele, mille puhul selle levimiskiirus muutub. Visuaalselt väljendub see selles, et laine levimise suund muutub.
Füüsika: valguse murdumine
Kui langev kiir tabab kahe meediumi vahelist liidest 90° nurga all, siis midagi ei juhtu, ta jätkab liikumist liidese suhtes täisnurga all samas suunas. Kui kiire langemisnurk erineb 90°-st, tekib valguse murdumise nähtus. See tekitab näiteks selliseid kummalisi efekte nagu osaliselt vette sukeldatud objekti näiv murd või kuumas liivakõrbes täheldatud miraažid.
Avastamise ajalugu
Esimesel sajandil e.m.a. e. Vana-Kreeka geograaf ja astronoom Ptolemaios püüdis matemaatiliselt selgitada murdumise suurust, kuid tema väljapakutud seadus osutus hiljem ebausaldusväärseks. 17. sajandil Hollandi matemaatik Willebrord Snell töötas välja seaduse, mis määras kindlaks langeva ja murdumisnurga suhtega seotud väärtuse, mida hiljem hakati nimetama aine murdumisnäitajaks. Tegelikult, mida rohkem aine suudab valgust murda, seda suurem on see indikaator. Vees olev pliiats on "katki", sest sealt tulevad kiired muudavad enne silmadeni jõudmist oma teed õhu-vee liidesel. Snelli kurvastuseks ei suutnud ta kunagi selle mõju põhjust avastada.
1678. aastal töötas teine Hollandi teadlane Christian Huygens välja Snelli tähelepanekuid selgitava matemaatilise seose ja pakkus välja, et valguse murdumise nähtus on tingitud erinevatest kiirustest, millega kiir läbib kahte keskkonda. Huygens tegi kindlaks, et kahte erineva murdumisnäitajaga materjali läbiva valguse nurkade suhe peaks olema võrdne valguse kiiruste suhtega igas materjalis. Seega oletas ta, et läbi kõrgema murdumisnäitaja kandja liigub valgus aeglasemalt. Teisisõnu, valguse kiirus läbi materjali on pöördvõrdeline selle murdumisnäitajaga. Kuigi seadus kinnitati hiljem eksperimentaalselt, polnud see paljude tolleaegsete teadlaste jaoks ilmne, kuna puudusid usaldusväärsed valgustusvahendid. Teadlastele tundus, et selle kiirus ei sõltu materjalist. Alles 150 aastat pärast Huygensi surma mõõdeti valguse kiirust piisava täpsusega, et tal oli õigus.
Absoluutne murdumisnäitaja
Läbipaistva aine või materjali absoluutne murdumisnäitaja n on defineeritud kui suhteline kiirus, millega valgus läbib seda vaakumi kiiruse suhtes: n=c/v, kus c on valguse kiirus vaakumis ja v on valguse kiirus vaakumis. materjalist.
Ilmselgelt ei toimu valguse murdumist vaakumis, kus pole ühtegi ainet ja selles on absoluuteksponent 1. Teiste läbipaistvate materjalide puhul on see väärtus suurem kui 1. Valguse murdumist õhus (1,0003) saab kasutada arvutada tundmatute materjalide indeksid.
Snelli seadused
Tutvustame mõningaid määratlusi:
- langev kiir - kiir, mis läheneb kandjate eraldamisele;
- langemispunkt - eralduspunkt, millesse see langeb;
- murdunud kiir jätab meediumi eraldamise;
- normaalne – eralduskohaga risti tõmmatud joon langemispunktis;
- langemisnurk - nurk normaal- ja langeva kiire vahel;
- valgust saab defineerida kui murdunud kiire ja normaalkiirguse vahelist nurka.
Vastavalt murdumisseadustele:
- Juhtuv, murdunud kiir ja normaal on samas tasapinnas.
- Langemis- ja murdumisnurga siinuste suhe on võrdne teise ja esimese keskkonna murdumistegurite suhtega: sin i/sin r = n r /n i .
Valguse murdumisseadus (Snell) kirjeldab seost kahe laine nurkade ja kahe keskkonna murdumisnäitajate vahel. Kui laine läheb vähem murdumisvõimelisest keskkonnast (näiteks õhk) murduvamasse (näiteks vett), siis selle kiirus langeb. Ja vastupidi, kui valgus liigub veest õhku, siis kiirus suureneb. esimeses keskkonnas erinevad normaalväärtuse suhtes ja murdumisnurk teises proportsionaalselt nende kahe aine murdumisnäitajate erinevusega. Kui laine läheb madala koefitsiendiga keskkonnast kõrgema koefitsiendiga keskkonda, siis see paindub normaalse suunas. Vastasel juhul eemaldatakse see.
Suhteline murdumisnäitaja
Näitab, et langeva ja murdunud nurga siinuste suhe on võrdne konstandiga, mis on suhe mõlemas keskkonnas.
sini/sin r = n r /n i =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r
Suhet n r /n i nimetatakse nende ainete suhteliseks murdumisnäitajaks.
Igapäevaelus täheldatakse sageli mitmeid nähtusi, mis on murdumise tagajärg. "Katkine" pliiatsiefekt on üks levinumaid. Silmad ja aju järgivad kiiri vette tagasi, nagu poleks need murdunud, vaid tulevad objektilt sirgjooneliselt, luues virtuaalse pildi, mis ilmub madalamal sügavusel.
Dispersioon
Hoolikad mõõtmised näitavad, et kiirguse lainepikkusel või selle värvusel on suur mõju valguse murdumisele. Teisisõnu, aines on palju, mis võib värvi või lainepikkuse muutmisel erineda.
Selline muutus toimub kõigis läbipaistvates keskkondades ja seda nimetatakse dispersiooniks. Konkreetse materjali dispersiooniaste sõltub sellest, kui palju muutub murdumisnäitaja lainepikkusega. Lainepikkuse suurenedes muutub valguse murdumise nähtus vähem väljendunud. Seda kinnitab tõsiasi, et violetne on murdumisvõimelisem kui punane, kuna selle lainepikkus on lühem. Tavalises klaasis hajumise tõttu toimub valguse teatav jagunemine selle komponentideks.
Valguse lagunemine
17. sajandi lõpus viis Sir Isaac Newton läbi rea katseid, mis viisid nähtava spektri avastamiseni ja näitasid, et valge valgus koosneb järjestatud värvide massiivist, mis ulatub violetsest sinise, rohelise, kollase, oranži ja lõpuks. punasega. Pimedas ruumis töötades asetas Newton klaasist prisma kitsasse tala läbi aknaluukide augu. Prismast läbides valgus murdus – klaas projitseerib selle järjestatud spektrina ekraanile.
Newton jõudis järeldusele, et valge valgus koosneb erinevate värvide segust ning ka prisma "hajutab" valget valgust, murdes iga värvi erineva nurga all. Newton ei suutnud värve eraldada, viies need läbi teise prisma. Kuid kui ta asetas teise prisma esimesele väga lähedale nii, et kõik hajutatud värvid sisenesid teise prismasse, avastas teadlane, et värvid rekombineeruvad, moodustades taas valge valguse. See avastus osutus veenvalt spektraalseks, mida saab kergesti eraldada ja kombineerida.
Dispersiooninähtus mängib võtmerolli paljudes erinevates nähtustes. Vikerkaar tuleneb valguse murdumisest vihmapiiskades, tekitades muljetavaldava spektraalse lagunemise vaatemängu, mis sarnaneb prismas toimuvaga.
Kriitiline nurk ja täielik sisepeegeldus
Läbides kõrgema murdumisnäitajaga keskkonda madalama murdumisnäitajaga keskkonda, määrab lainete teekonna langemisnurk kahe materjali eraldumise suhtes. Kui langemisnurk ületab teatud väärtuse (olenevalt kahe materjali murdumisnäitajast), jõuab see punkti, kus valgus ei murdu madalama indeksiga keskkonnaks.
Kriitiline (või piirav) nurk on defineeritud kui langemisnurk, mille tulemuseks on 90° murdumisnurk. Teisisõnu, kuni langemisnurk on kriitilisest väiksem, toimub murdumine ja kui see on sellega võrdne, liigub murdunud kiir mööda kohta, kus kaks materjali eralduvad. Kui langemisnurk ületab kriitilist nurka, peegeldub valgus tagasi. Seda nähtust nimetatakse täielikuks sisepeegelduseks. Selle kasutamise näideteks on teemandid ja teemantlõikamine soodustab täielikku sisemist peegeldust. Enamik teemandi ülaosa kaudu sisenevaid kiiri peegeldub, kuni jõuavad ülemise pinnani. See annabki teemantidele nende sära. Optiline kiud on klaasist "juuksed", mis on nii õhukesed, et kui valgus siseneb ühest otsast, ei saa see väljuda. Ja alles siis, kui tala jõuab teise otsa, võib see kiust lahkuda.
Mõista ja hallata
Optilised instrumendid, alates mikroskoopidest ja teleskoopidest kuni kaamerate, videoprojektorite ja isegi inimsilmani, tuginevad asjaolule, et valgust saab teravustada, murda ja peegeldada.
Murdumine tekitab mitmesuguseid nähtusi, sealhulgas miraaže, vikerkaarte ja optilisi illusioone. Refraktsioon muudab paksuseinalise õllekruusi täidlasemaks ja päike loojub paar minutit hiljem, kui see tegelikult on. Miljonid inimesed kasutavad prillide ja kontaktläätsede abil nägemisdefektide parandamiseks murdumisjõudu. Neid valguse omadusi mõistes ja nendega manipuleerides saame näha palja silmaga nähtamatuid detaile, olgu need siis mikroskoobi slaidil või kauges galaktikas.
Ühes Vana-Kreeka traktaadis kirjeldatakse katset: "Peate seisma nii, et anuma põhjas asuv lame rõngas oleks peidetud selle serva taha. Seejärel valage anumasse vett ilma silmade asendit muutmata. Valgus murdub veepinnal ja rõngas muutub nähtavaks." Saate seda "trikki" oma sõpradele kohe näidata (vt joonis 12.1), kuid saate seda selgitada alles pärast selle lõiguga tutvumist.
Riis. 12.1. "Fookus" mündiga. Kui tassis ei ole vett, ei näe me münti selle põhjas lebamas (a); kui valate vett, tundub, et tassi põhi tõuseb ja münt muutub nähtavaks (b)
Valguse murdumise seaduste kehtestamine
Suuname kitsa valgusvihu optilisele seibile kinnitatud läbipaistva klaaspoolsilindri tasasele pinnale.
Valgus mitte ainult ei peegeldu poolsilindri pinnalt, vaid läbib osaliselt ka klaasi. See tähendab, et õhust klaasile üleminekul valguse levimise suund muutub (joon. 12.2).
Valguse levimissuuna muutust kahe keskkonna liideses nimetatakse valguse murdumiseks.
Nurka γ (gamma), mille moodustab murdunud kiir ja risti kahe meediumi vahelise liidesega, mis on tõmmatud läbi kiire langemispunkti, nimetatakse murdumisnurgaks.
Pärast optilise pesuriga katseseeria läbiviimist märgime, et langemisnurga suurenemisega suureneb ka murdumisnurk ja langemisnurga vähenemisel murdumisnurk väheneb (joonis 12.3). . Kui valgus langeb risti kahe keskkonna vahelise liidesega (langemisnurk α = 0), siis valguse levimise suund ei muutu.
Valguse murdumise kohta mainitakse esimest korda Vana-Kreeka filosoofi Aristotelese (4. sajand eKr) kirjutistes, kes esitas küsimuse: "Miks tundub, et pulk on vees purunenud?" Kuid valguse murdumist kvantitatiivselt kirjeldava seaduse kehtestas alles 1621. aastal Hollandi teadlane Willebrord Snellius (1580-1626).
Valguse murdumise seadused:
2. Kahe antud keskkonna langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on konstantne väärtus:
kus n 2 1 on füüsikaline suurus, mida nimetatakse keskkonna suhteliseks murdumisnäitajaks. 2 (keskkond, milles valgus levib pärast murdumist) keskkonna 1 (keskkond, millest valgus langeb) suhtes.
Saame teada valguse murdumise põhjustest
Miks muudab valgus, liikudes ühest keskkonnast teise, oma suunda?
Fakt on see, et valgus liigub erinevates meediumites erineva kiirusega, kuid alati aeglasemalt kui vaakumis. Näiteks vees on valguse kiirus 1,33 korda väiksem kui vaakumis; kui valgus läheb veest klaasi, väheneb selle kiirus veel 1,3 korda; õhus on valguse levimise kiirus 1,7 korda suurem kui klaasis ja ainult veidi väiksem (umbes 1,0003 korda) kui vaakumis.
Valguse murdumise põhjustab valguse levimiskiiruse muutumine üleminekul ühelt läbipaistvalt keskkonnalt teisele.
Tavapärane on rääkida keskkonna optilisest tihedusest: mida väiksem on valguse levimiskiirus keskkonnas (mida suurem on murdumisnäitaja), seda suurem on keskkonna optiline tihedus.
Mis te arvate, kumma keskkonna optiline tihedus on suurem - vee või klaasi? Millise keskkonna optiline tihedus on väiksem – klaasi või õhu?
Murdumisnäitaja füüsikalise tähenduse väljaselgitamine
Suhteline murdumisnäitaja (n 2 1) näitab, mitu korda on valguse kiirus keskkonnas 1 suurem (või väiksem) valguse kiirusest keskkonnas 2:
Tuletame meelde valguse murdumise teist seadust:
Pärast viimase valemi analüüsimist järeldame:
1) mida rohkem muutub valguse levimise kiirus kahe keskkonna vahelisel liidesel, seda rohkem valgus murdub;
2) kui valguskiir läheb üle suurema optilise tihedusega keskkonda (st valguse kiirus väheneb: v 2< v 1), то угол преломления меньше угла падения: γ<α (см., например, рис. 12.2, 12.3);
3) kui valguskiir läheb madalama optilise tihedusega keskkonda (st valguse kiirus suureneb: v 2\u003e v 1), siis on murdumisnurk suurem kui langemisnurk: γ\u003e a (joonis 12.4).
Tavaliselt võrreldakse valguse levimiskiirust keskkonnas selle levimiskiirusega vaakumis. Kui valgus siseneb vaakumist keskkonda, nimetatakse murdumisnäitajat n absoluutseks murdumisnäitajaks.
Absoluutne murdumisnäitaja näitab, mitu korda on valguse levimise kiirus keskkonnas väiksem kui vaakumis:
kus c on valguse levimise kiirus vaakumis (c=3 10 8 m/s); v on valguse levimise kiirus keskkonnas.
riis. 12.4. Kui valgus liigub suurema optilise tihedusega keskkonnast madalama optilise tihedusega meediumisse, on murdumisnurk suurem kui langemisnurk (γ>α)
Valguse kiirus vaakumis on suurem kui mis tahes keskkonnas, seega on absoluutne murdumisnäitaja alati suurem kui üks (vt tabelit).
Riis. 12.5. Kui valgus siseneb klaasist õhku, siis langemisnurga suurenedes läheneb murdumisnurk 90 °-le ja murdunud kiire heledus väheneb.
Arvestades valguse üleminekut õhust keskkonnale, eeldame, et keskkonna suhteline murdumisnäitaja on võrdne absoluutse murdumisnäitaja.
Valguse murdumise nähtust kasutatakse paljude optiliste seadmete töös. Mõne neist saate hiljem teada.
Kasutame valguse täieliku sisemise peegelduse nähtust
Vaatleme juhtumit, mil valgus liigub suurema optilise tihedusega keskkonnast madalama optilise tihedusega keskkonnale (joonis 12.5). Näeme, et langemisnurga (α 2 > «ι) suurenemisega läheneb murdumisnurk γ 90 °-le, murdunud kiire heledus väheneb ja peegeldunud kiire heledus, vastupidi, suureneb. On selge, et kui jätkame langemisnurga suurendamist, jõuab murdumisnurk 90°-ni, murdunud kiir kaob ja langev kiir naaseb täielikult (ilma energiakadudeta) esimesse keskkonda - valgus täielikult peegelduda.
Nähtust, mille puhul valguse murdumine puudub (valgus peegeldub täielikult väiksema optilise tihedusega keskkonnast), nimetatakse valguse täielikuks sisepeegeldumiseks.
Valguse täieliku sisepeegelduse fenomen on hästi teada neile, kes ujusid vee all lahtiste silmadega (joon. 12.6).
riis. 12.6. Vee all vaatlejale tundub osa veepinnast läikiv, nagu peegel.
Juveliirid on vääriskivide atraktiivsuse suurendamiseks kasutanud täieliku sisemise peegelduse nähtust sajandeid. Looduslikud kivid lõigatakse - neile antakse hulktahuka kuju: kivi servad toimivad "sisepeeglitena" ja kivi "mängib" sellele langeva valguse kiirtes.
Täielikku sisepeegeldust kasutatakse optilises tehnoloogias laialdaselt (joon. 12.7). Kuid selle nähtuse peamine rakendus on seotud fiiberoptikaga. Kui valguskiir on suunatud tahke õhukese “klaastoru” otsa, väljub valgus pärast korduvat peegeldust selle vastasotsast, olenemata sellest, kas toru on kõver või sirge. Sellist toru nimetatakse valgusjuhiks (joon. 12.8).
Valgusjuhte kasutatakse meditsiinis siseorganite uurimiseks (endoskoopia); tehnoloogias, eelkõige mootorite sees esinevate rikete tuvastamiseks ilma neid lahti võtmata; siseruumide valgustamiseks päikesevalgusega jne (joon. 12.9).
Kuid kõige sagedamini kasutatakse teabe edastamiseks kaablitena valgusjuhte (joonis 12.10). "Klaaskaabel" on palju odavam ja kergem kui vask, see praktiliselt ei muuda oma omadusi keskkonna mõjul, see võimaldab edastada signaale pikkade vahemaade taha ilma võimenduseta. Tänapäeval asendavad fiiberoptilised sideliinid kiiresti traditsioonilisi. Kui vaatate televiisorit või surfate Internetis, pidage meeles, et märkimisväärne osa signaalist liigub mööda klaasteed.
Probleemide lahendamise õppimine Ülesanne. Valguskiir liigub keskmiselt 1-lt keskmisele 2-le (joon. 12.11, a). Valguse levimise kiirus keskkonnas 1 on 2,4 · 10 8 m/s. Määrake keskkonna 2 absoluutne murdumisnäitaja ja valguse kiirus keskkonnas 2.
Füüsilise probleemi analüüs
Jooniselt fig. 12.11, kuid me näeme, et valgus murdub kahe meediumi vahelisel liidesel, mis tähendab, et selle levimiskiirus muutub.
Teeme selgitava joonise (joon. 12.11, b), millel:
1) kujutada probleemi seisundis antud kiiri;
2) joonistame läbi kiire langemispunkti risti kahe meediumi vahelise liidese suhtes;
3) olgu α langemisnurk ja γ murdumisnurk.
Absoluutne murdumisnäitaja on murdumisnäitaja vaakumi suhtes. Seetõttu tuleks ülesande lahendamiseks meeles pidada valguse levimiskiiruse väärtust vaakumis ja leida valguse levimiskiirus keskkonnas 2 (v 2).
V 2 leidmiseks defineerime langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse.
Lahenduse analüüs. Vastavalt ülesande tingimusele on langemisnurk suurem kui murdumisnurk ja see tähendab, et valguse kiirus keskkonnas 2 on väiksem valguse kiirusest keskkonnas 1. Seetõttu on saadud tulemused reaalsed.
Summeerida
Kahe kandja liidesele langev valguskiir jaguneb kaheks kiireks. Üks neist - peegeldunud - peegeldub pinnalt, järgides valguse peegelduse seadusi. Teine - murdunud - läheb teise keskkonda, muutes selle suunda.
Valguse murdumise seadused:
1. Langev kiir, murdunud kiir ja kahe meediumi vahelise liidesega risti, mis on tõmmatud läbi kiire langemispunkti, asuvad samal tasapinnal.
2. Kahe antud keskkonna puhul on langemisnurga α siinuse ja murdumisnurga γ siinuse suhe konstantne väärtus:
Valguse murdumise põhjuseks on selle levimiskiiruse muutumine ühest keskkonnast teise liikumisel. Suhteline murdumisnäitaja n 2 i näitab, mitu korda on valguse kiirus keskkonnas 1 suurem (või väiksem) valguse kiirusest
keskkonnas 2:
Kui valgus siseneb vaakumist keskkonda, nimetatakse murdumisnäitajat n absoluutseks murdumisnäitajaks: n = c / v.
Kui valguse üleminekul keskkonnast 1 keskkonnale 2 valguse levimiskiirus vähenes (st keskkonna 2 murdumisnäitaja on suurem kui keskkonna 1 murdumisnäitaja: n 2 > n 1), siis nad ütlevad, et valgus on läinud madalama optilise tihedusega keskkonnast üle suurema optilise tihedusega meediumisse (ja vastupidi).
testi küsimused
1. Millised katsed kinnitavad valguse murdumise nähtust kahe keskkonna vahelisel liidesel? 2. Sõnasta valguse murdumise seadused. 3. Mis on valguse murdumise põhjus? 4. Mida näitab valguse murdumisnäitaja? 5. Kuidas on valguse levimise kiirus seotud keskkonna optilise tihedusega? 6. Määratlege absoluutne murdumisnäitaja.
Harjutus number 12
1. Teisaldage pilt. 1 märkmikus. Eeldades, et kandjal 1 on suurem optiline tihedus kui keskkonnal 2, konstrueerige skemaatiliselt igal juhul langev (või murdunud) kiir, määrake langemisnurk ja murdumisnurk.
2. Arvuta valguse levimise kiirus teemandis; vesi; õhku.
3. Valgusvihk langeb õhust vette 60° nurga all. Peegeldunud ja murdunud kiirte vaheline nurk on 80°. Arvutage kiire murdumisnurk.
4. Kui me, seistes veehoidla kaldal, proovime selle sügavust silma järgi määrata, tundub see alati väiksem, kui see tegelikult on. Kasutades joonist fig. 2, selgitage, miks see nii on.
5. Kui kaua kulub valguse liikumiseks 900 m sügavuse järve põhjast veepinnale?
6. Selgitage § 12 alguses kirjeldatud rõnga (mündi) "trikki" (vt joon. 12.1).
7. Valguskiir liigub keskmisest 1 keskmisest 2 (joonis 3). Valguse levimise kiirus keskkonnas 1 on 2,5 · 10 8 m/s. Määratlege:
1) millisel kandjal on kõrge optiline tihedus;
2) keskkonna 2 murdumisnäitaja söötme 1 suhtes;
3) valguse levimise kiirus keskkonnas 2;
4) iga keskkonna absoluutne murdumisnäitaja.
8. Valguse murdumise tagajärg Maa atmosfääris on miraažide ilmumine, samuti see, et me näeme Päikest ja tähti nende tegelikust asukohast veidi kõrgemal. Kasutage täiendavaid teabeallikaid ja õppige nende loodusnähtuste kohta rohkem teavet.
Eksperimentaalsed ülesanded
1. "Trikk mündiga." Näidake mõnele oma sõbrale või sugulasele kogemust mündiga (vt joonis 12.1) ja selgitage seda.
2. "Veepeegel". Jälgige valguse täielikku peegeldust. Selleks täitke klaas umbes poolenisti veega. Kastke klaasi sisse mõni ese, näiteks plastikpliiatsi korpus, eelistatavalt pealdisega. Klaasi käes hoides asetage see silmadest umbes 25-30 cm kaugusele (vt pilti). Katse ajal peate jälgima pliiatsi korpust.
Alguses, kui vaatate üles, näete kogu pliiatsi korpust (nii veealuseid kui ka pinnapealseid osi). Liigutage klaasi aeglaselt endast eemale ilma selle kõrgust muutmata.
Kui klaas on sinu silmadest piisavalt kaugel, muutub veepind sinu jaoks peegelpildiks – näed peegelpilti pliiatsi keha veealusest osast.
Selgitage täheldatud nähtust.
LAB nr 4
Teema. Valguse murdumise uurimine.
Eesmärk: määrata klaasi murdumisnäitaja õhu suhtes.
Varustus: paralleelsete servadega klaasplaat, pliiats, millimeetri skaalaga ruut, kompassid.
TÖÖJUHEND
Ettevalmistus katseks
1. Enne töö tegemist pidage meeles:
1) ohutusnõuded klaasesemetega töötamisel;
2) valguse murdumise seadused;
3) murdumisnäitaja määramise valem.
2. Valmistage tööks ette joonised (vt joonis 1). Selle jaoks:
1) asetage klaasplaat märkmiku lehele ja joonistage teritatud pliiatsiga plaadi piirjooned;
2) segmendil, mis vastab plaadi ülemise murdumispinna asukohale:
Märkige punkt O;
Joonista sirge k läbi punkti O, mis on risti antud lõiguga;
Ehitage kompassi abil 2,5 cm raadiusega ring, mille keskpunkt on punkt O;
3) tõmmake ligikaudu 45° nurga all kiir, mis määrab punktile O langeva valguskiire suuna; märgi A-tähega kiire ja ringi lõikepunkt;
4) korrake lõigetes 1-3 kirjeldatud samme veel kaks korda (sooritage veel kaks joonist), suurendades ja seejärel vähendades valgusvihu määratud langemisnurka.
Katse
Järgige rangelt ohutusjuhiseid (vt õpiku kärbselehte).
1. Esimesele kontuurile asetage klaasplaat.
2. Vaadates AO tala läbi klaasi, asetage punkt M plaadi põhja nii, et see näib paiknevat AO tala jätkul (joonis 2).
3. Korrake samme 1 ja 2 veel kahe vooluringi jaoks.
Katse tulemuste töötlemine
Mõõtmiste ja arvutuste tulemused märgi kohe tabelisse.
Iga katse jaoks (vt joonis 3):
1) läbida murdunud kiir OM;
2) leida kiire OM ja ringjoone lõikepunkt (punkt B);
3) punktidest A ja B langetada ristid sirgele k, mõõta saadud lõikude pikkused a ja b ning ringjoone r raadius;
4) määrake klaasi murdumisnäitaja õhu suhtes:
Katse ja selle tulemuste analüüs
Analüüsige katset ja selle tulemusi. Sõnasta järeldus, milles märgi: 1) millise füüsikalise suuruse määrasid; 2) millise tulemuse saite; 3) kas saadud väärtuse väärtus sõltub valguse langemisnurgast; 4) millised on katse võimaliku vea põhjused.
Loominguline ülesanne
Kasutades joonist fig. 4, mõelge läbi ja kirjutage üles katse läbiviimise plaan, et määrata vee murdumisnäitaja õhu suhtes. Võimalusel katsetage.
Ülesanne "tärniga"
kus p meas on katse käigus saadud klaasi murdumisnäitaja väärtus õhu suhtes; n on selle klaasi absoluutse murdumisnäitaja tabeli väärtus, millest plaat on valmistatud (kontrollige õpetaja käest).
See on õpiku materjal.
Valgusega seotud protsessid on füüsika oluline komponent ja ümbritsevad meid kõikjal meie igapäevaelus. Olulisemad selles olukorras on valguse peegelduse ja murdumise seadused, millel põhineb kaasaegne optika. Valguse murdumine on kaasaegse teaduse oluline osa.
Moonutuse efekt
See artikkel räägib teile, mis on valguse murdumise nähtus, kuidas näeb välja murdumisseadus ja mis sellest tuleneb.
Füüsikalise nähtuse põhialused
Kui kiir langeb pinnale, mis on eraldatud kahe erineva optilise tihedusega läbipaistva ainega (näiteks erinevad klaasid või vees), siis osa kiirtest peegeldub ja osa tungib teise struktuuri (näiteks see levib vees või klaasis). Ühest keskkonnast teise üleminekul iseloomustab kiirt selle suuna muutumine. See on valguse murdumise nähtus.
Valguse peegeldumine ja murdumine on eriti hästi näha vees.
vett moonutav efekt
Vees olevaid asju vaadates tunduvad need moonutatud. See on eriti märgatav õhu ja vee piiril. Visuaalselt tundub, et veealused objektid on veidi kõrvale kaldunud. Kirjeldatud füüsikaline nähtus on just põhjus, miks kõik objektid tunduvad vees moonutatud. Kui kiired tabavad klaasi, on see efekt vähem märgatav.
Valguse murdumine on füüsikaline nähtus, mida iseloomustab päikesekiire suuna muutumine ühelt keskkonnalt (struktuurilt) teisele liikumise hetkel.
Selle protsessi paremaks mõistmiseks vaatleme näidet kiirest, mis langeb õhust vette (sarnaselt klaasi puhul). Joonistades piki liidest risti, saab mõõta valguskiire murdumisnurka ja tagasipöördumist. See indikaator (murdumisnurk) muutub, kui vool tungib vette (klaasi sisse).
Märge! Selle parameetri all mõistetakse nurka, mis moodustab risti, mis on tõmmatud kahe aine eraldamisele, kui tala tungib esimesest konstruktsioonist teise.
Tala läbipääs
Sama näitaja on tüüpiline ka teistele keskkondadele. On kindlaks tehtud, et see indikaator sõltub aine tihedusest. Kui kiir langeb vähem tihedalt struktuurilt tihedamale, on tekitatud moonutusnurk suurem. Ja kui vastupidi, siis vähem.
Samal ajal mõjutab seda näitajat ka languse kalde muutus. Kuid nendevaheline suhe ei jää püsivaks. Samal ajal jääb nende siinuste suhe konstantseks, mis kuvatakse järgmise valemiga: sinα / sinγ = n, kus:
- n on konstantne väärtus, mida kirjeldatakse iga konkreetse aine (õhk, klaas, vesi jne) kohta. Seetõttu saab selle väärtuse määrata spetsiaalsete tabelite abil;
- α on langemisnurk;
- γ on murdumisnurk.
Selle füüsikalise nähtuse määramiseks loodi murdumisseadus.
füüsiline seadus
Valgusvoogude murdumise seadus võimaldab määrata läbipaistvate ainete omadused. Seadus ise koosneb kahest sättest:
- Esimene osa. Tala (intsident, muudetud) ja risti, mis taastati langemispunktis piiril, näiteks õhk ja vesi (klaas jne), asuvad samas tasapinnas;
- Teine osa. Piiri ületamisel tekkiva langemisnurga siinuse ja sama nurga siinuse suhte indikaator on konstantne väärtus.
Seaduse kirjeldus
Sel juhul ilmneb hetkel, kui kiir väljub teisest konstruktsioonist esimesse (näiteks kui valgusvoog läheb õhust, läbi klaasi ja tagasi õhku), tekib ka moonutusefekt.
Oluline parameeter erinevate objektide jaoks
Peamine näitaja selles olukorras on langemisnurga siinuse suhe sarnasesse parameetrisse, kuid moonutuste jaoks. Nagu ülalkirjeldatud seadusest tuleneb, on see näitaja konstantne väärtus.
Samal ajal, kui langemise kalde väärtus muutub, on sama olukord tüüpiline sarnase näitaja puhul. See parameeter on väga oluline, kuna see on läbipaistvate ainete lahutamatu omadus.
Erinevate objektide indikaatorid
Tänu sellele parameetrile saate üsna tõhusalt eristada klaasitüüpe, aga ka mitmesuguseid vääriskive. See on oluline ka valguse kiiruse määramiseks erinevates meediumites.
Märge! Valgusvoo suurim kiirus on vaakumis.
Ühelt ainelt teisele liikudes selle kiirus väheneb. Näiteks on teemandil, millel on kõrgeim murdumisnäitaja, footonite levimiskiirus 2,42 korda kiirem kui õhus. Vees levivad nad 1,33 korda aeglasemalt. Erinevat tüüpi klaaside puhul on see parameeter vahemikus 1,4 kuni 2,2.
Märge! Mõne klaasi murdumisnäitaja on 2,2, mis on väga lähedane teemandile (2,4). Seetõttu pole alati võimalik klaasitükki ehtsast teemandist eristada.
Ainete optiline tihedus
Valgus võib tungida läbi erinevate ainete, mida iseloomustab erinev optiline tihedus. Nagu me varem ütlesime, saate selle seaduse abil määrata keskkonna (struktuuri) tiheduse tunnuse. Mida tihedam see on, seda aeglasemalt valgus selles levib. Näiteks klaas või vesi on optiliselt tihedam kui õhk.
Lisaks sellele, et see parameeter on konstantne väärtus, peegeldab see ka kahe aine valguse kiiruse suhet. Füüsilist tähendust saab kuvada järgmise valemiga:
See indikaator näitab, kuidas footonite levimiskiirus muutub ühelt ainelt teisele üleminekul.
Teine oluline näitaja
Valgusvoo liigutamisel läbi läbipaistvate objektide on võimalik selle polarisatsioon. Seda täheldatakse valgusvoo läbimisel dielektrilisest isotroopsest keskkonnast. Polarisatsioon tekib siis, kui footonid läbivad klaasi.
polarisatsiooniefekt
Osalist polarisatsiooni täheldatakse siis, kui valgusvoo langemisnurk kahe dielektriku piiril erineb nullist. Polarisatsiooniaste sõltub sellest, millised olid langemisnurgad (Brewsteri seadus).
Täielik sisemine peegeldus
Lühikese kõrvalepõike lõpetuseks tuleb sellist efekti siiski pidada täieõiguslikuks sisepeegelduseks.
Täisekraani fenomen
Selle efekti ilmnemiseks on vaja suurendada valgusvoo langemisnurka selle ülemineku hetkel tihedamast keskkonnast vähem tihedale keskkonnale ainete vahelisel liidesel. Olukorras, kus see parameeter ületab teatud piirväärtuse, kajastuvad selle lõigu piirile langevad footonid täielikult. Tegelikult on see meie soovitud nähtus. Ilma selleta oli fiiberoptika valmistamine võimatu.
Järeldus
Valgusvoo käitumise omaduste praktiline rakendamine andis palju, luues meie elu parandamiseks mitmesuguseid tehnilisi seadmeid. Samas ei ole valgus inimkonnale kõiki oma võimalusi avanud ja selle praktiline potentsiaal pole veel täielikult realiseerunud.
Kuidas oma kätega paberist lampi teha
Kuidas kontrollida LED-riba jõudlust
Kahe läbipaistva kandja liideses koos valguse peegeldusega täheldatakse selle murdumist, mis läheb teise keskkonda, muudab selle levimise suunda.
Valguskiire murdumine toimub siis, kui see langeb viltu liidesele (kuigi sisemise täieliku peegelduse kohta ei loe alati lähemalt). Kui kiir langeb pinnaga risti, siis teises keskkonnas murdumist ei toimu, kiir säilitab oma suuna ja läheb ka pinnaga risti.
4.3.1 Murdumise seadus (erijuhtum)
Alustame konkreetsest juhtumist, kus üks meedia on õhk. Selline olukord esineb enamiku ülesannete puhul. Me käsitleme murdumisseaduse vastavat konkreetset juhtumit ja seejärel esitame selle kõige üldisema sõnastuse.
Oletame, et läbi õhu liikuv valguskiir langeb viltu klaasi, vee või mõne muu läbipaistva keskkonna pinnale. Söötmesse sisenemisel kiir murdub ja selle edasine kulg on näidatud joonisel 4.11.
kolmapäeval O
Riis. 4.11. Kiire murdumine piiril ¾õhk-keskkond¿
Juhtumipunktis O tõmmatakse kandja pinnaga risti (või, nagu öeldakse, normaalne) CD. Kiirt AO, nagu varemgi, nimetatakse langevaks kiireks ning langeva kiire ja normaalse vahelist nurka on langemisnurk. Tala OB on murdunud kiir; murdunud kiire ja pinnanormaali vahelist nurka nimetatakse murdumisnurgaks.
Igasugust läbipaistvat keskkonda iseloomustab väärtus n, mida nimetatakse selle keskkonna murdumisnäitajaks. Erinevate kandjate murdumisnäitajad leiate tabelitest. Näiteks klaasi puhul n = 1;6 ja vee puhul n = 1;33. Üldiselt on igas keskkonnas n > 1; murdumisnäitaja on võrdne ühtsusega ainult vaakumis. Õhul on n = 1; 0003, seega õhu puhul võib seda piisava täpsusega eeldada ülesannetes n = 1 (optikas õhk vaakumist palju ei erine).
Murdumise seadus (üleminek ¾õhk-keskkond¿).
1) Langev kiir, murdunud kiir ja langemispunktis tõmmatud pinna normaal asuvad samal tasapinnal.
2) Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne murdumisnäitajaga
keskkond:
Kuna n > 1, siis seosest (4.1) järeldub, et sin > sin, st > murdumisnurk on väiksem kui langemisnurk. Pidage meeles: liikudes õhust keskkonda, läheb kiir pärast murdumist normaalsele lähemale.
Murdumisnäitaja on otseselt seotud valguse levimise kiirusega v antud keskkonnas. See kiirus on alati väiksem kui valguse kiirus vaakumis: v< c. И вот оказывается,
Miks see juhtub, saame aru laineoptika uurimisel. Vahepeal kombineeri-
Lahendame valemid (4.1 ) ja (4.2 ): | |||||
Kuna õhu murdumisnäitaja on ühtsusele väga lähedane, siis võime eeldada, et valguse kiirus õhus on ligikaudu võrdne valguse kiirusega vaakumis c. Seda arvesse võttes ja valemit (4.3) vaadates järeldame: langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne valguse kiiruse suhtega õhus valguse kiirusesse. meediumis.
4.3.2 Valguskiirte pöörduvus
Mõelge nüüd kiirele vastupidisele kulgemisele: selle murdumisele üleminekul keskkonnast õhku. Siin on meile abiks järgmine kasulik põhimõte.
Valguskiirte pöörduvuse põhimõte. Kiire trajektoor ei sõltu sellest, kas kiir levib edasi- või tagasisuunas. Liikudes vastassuunas, liigub kiir täpselt sama rada nagu edasisuunas.
Pööravuse põhimõtte kohaselt järgib kiir keskkonnast õhku liikudes sama trajektoori nagu vastaval üleminekul õhust keskkonda (joonis 4.12). Ainus erinevus jooniste 4.12 ja 4.11 vahel on et kiire suund on muutunud vastupidiseks.
kolmapäeval O
Riis. 4.12. Kiirte murdumine piiril ¾keskõhk¿
Kuna geomeetriline pilt pole muutunud, jääb valem (4.1) samaks: nurga siinuse ja nurga siinuse suhe on endiselt võrdne keskkonna murdumisnäitajaga. Tõsi, nüüd on nurgad rolli vahetanud: nurgast on saanud langemisnurk ja nurgast murdumisnurk.
Igal juhul, olenemata sellest, kuidas kiir läheb õhust keskkonda või keskkonnast õhku, toimib järgmine lihtne reegel. Võtame kaks nurka, langemisnurk ja murdumisnurk; suurema nurga siinuse ja väiksema nurga siinuse suhe on võrdne keskkonna murdumisnäitajaga.
Nüüd oleme täielikult valmis arutama murdumisseadust kõige üldisemal juhul.
4.3.3 Murdumise seadus (üldjuhul)
Laske valgusel liikuda murdumisnäitaja n1 keskmisest 1-st keskmisele 2 murdumisnäitajaga n2. Kõrgema murdumisnäitajaga keskkonda peetakse optiliselt tihedamaks; vastavalt öeldakse, et madalama murdumisnäitajaga keskkond on optiliselt vähem tihe.
Optiliselt vähemtihedast keskkonnast optiliselt tihedamasse liikudes läheb valguskiir pärast murdumist normaalsele lähemale (joonis 4.13). Sel juhul on langemisnurk suurem kui murdumisnurk: > .
Riis. 4.13. n1< n2 ) >
Vastupidi, optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähemtihedasse liikudes kaldub kiir normaalsest kaugemale (joonis 4.14). Siin on langemisnurk väiksem kui murdumisnurk:
Riis. 4.14. n1 > n2)<
Selgub, et mõlemad need juhtumid on hõlmatud ühe valemiga üldise murdumisseadusega, mis kehtib kahe läbipaistva kandja puhul.
Murdumise seadus.
1) Juhtuv kiir, murdunud kiir ja meediumiliidese normaal, joonistatud
sisse langemispunkt asuvad samal tasapinnal.
2) Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne teise keskkonna murdumisnäitaja ja esimese keskkonna murdumisnäitaja suhtega:
On lihtne näha, et varem sõnastatud murdumisseadus üleminekule ¾õhk-keskkond¿ on selle seaduse erijuht. Tõepoolest, eeldades, et valemis (4.4) n1 = 1 ja n2 = n, jõuame valemini (4.1).
Tuletage nüüd meelde, et murdumisnäitaja on valguse kiiruse vaakumis ja valguse kiiruse suhe antud keskkonnas: n1 = c=v1 , n2 = c=v2 . Asendades selle (4.4), saame:
Valem (4.5 ) üldistab loomulikult valemit (4.3 ). Langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on võrdne valguse kiiruse suhtega esimeses keskkonnas valguse kiirusega teises keskkonnas.
4.3.4 Täielik sisemine peegeldus
Kui valguskiired liiguvad optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähem tihedasse, täheldatakse huvitavat nähtust – täielikku sisepeegeldust. Vaatame, mis see on.
Oletame kindluse mõttes, et valgus läheb veest õhku. Oletame, et reservuaari sügavuses on punktvalgusallikas S, mis kiirgab igas suunas. Vaatleme mõnda neist kiirtest (joonis 4.15).
S B 1
Riis. 4.15. Täielik sisemine peegeldus
Kiir SO1 langeb veepinnale väikseima nurga all. See kiir murdub osaliselt (kiir O1 A1 ) ja peegeldub osaliselt vette tagasi (kiir O1 B1 ). Seega kandub osa langeva kiire energiast murdunud kiirele ja ülejäänud energia peegeldunud kiirele.
SO2 kiire langemisnurk on suurem. See kiir jaguneb ka kaheks murdunud ja peegeldunud kiireks. Kuid algse kiire energia jaotub nende vahel erinevalt: murdunud kiir O2 A2 on hämaram kui kiir O1 A1 (st saab väiksema osa energiast) ja peegeldunud kiir O2 B2 on vastavalt heledam. kui tala O1 B1 (saab suurema osa energiast).
Langemisnurga kasvades on jälgitav sama seaduspärasus: langeva kiire energiast läheb üha suurem osa peegeldunud kiirele ja üha väiksem osa murdunud kiirele. Murdunud kiir muutub aina tuhmimaks ja ühel hetkel kaob täielikult!
See kadumine toimub siis, kui langemisnurk jõuab 0 , mis vastab murdumisnurgale 90 . Sellises olukorras peaks murdunud kiir OA minema paralleelselt veepinnaga, kuid enam pole enam midagi.Kogu langeva kiire SO energia läks täielikult peegeldunud kiirele OB.
Langemisnurga edasise suurenemise korral murdunud kiir isegi puudub.
Kirjeldatud nähtus on täielik sisepeegeldus. Vesi ei kiirga väljapoole kiiri, mille langemisnurk on võrdne või suurem kui mingi väärtus 0, kõik sellised kiired peegelduvad täielikult vette tagasi. Nurka 0 nimetatakse täieliku peegelduse piirnurgaks.
Väärtust 0 on murdumisseadusest lihtne leida. Meil on:
patt 0 | ||||||||||
Aga patt 90 = 1, nii et | ||||||||||
patt 0 | ||||||||||
0 = arcsin | ||||||||||
Seega on vee puhul täieliku peegelduse piirnurk võrdne:
0 = arcsin1; 1 33 48;8:
Täieliku sisemise peegelduse nähtust saate hõlpsasti jälgida kodus. Vala vesi klaasi, tõsta see üles ja vaata läbi klaasiseina vee pinda veidi altpoolt. Täieliku sisemise peegelduse tõttu näete pinnal hõbedast läiget, see käitub nagu peegel.
Sisemise täieliku peegelduse kõige olulisem tehniline rakendus on fiiberoptika. Valguskiired, mis suunatakse fiiberoptilisse kaablisse (kiudoptiline kiud) peaaegu paralleelselt selle teljega, langevad pinnale suurte nurkade all ja peegelduvad energiakadudeta täielikult kaablisse tagasi. Korduvalt peegeldudes lähevad kiired aina kaugemale ja kaugemale, kandes energiat üle märkimisväärse vahemaa. Fiiberoptilist sidet kasutatakse näiteks kaabeltelevisiooni võrkudes ja kiires internetiühenduses.
4.1. Geomeetrilise optika põhimõisted ja seadused
Valguse peegelduse seadused.Esimene peegelduse seadus:
langevad ja peegeldunud kiired asuvad samal tasapinnal kiirte langemispunktis taastatud peegelduspinnaga risti.
Teine peegelduse seadus:
langemisnurk on võrdne peegeldusnurgaga (vt joon. 8).
α - langemisnurk, β - peegeldusnurk.
Valguse murdumise seadused. murdumisnäitaja.
Esimene murdumisseadus:
langev kiir, murdunud kiir ja liidese langemispunktis taastatud perpendikulaar asuvad samal tasapinnal (vt joonis 9). 
Teine murdumise seadus:
langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse suhe on kahe antud keskkonna jaoks konstantne väärtus ja seda nimetatakse teise keskkonna suhteliseks murdumisnäitajaks esimese suhtes. 
Suhteline murdumisnäitaja näitab, mitu korda erineb valguse kiirus esimeses keskkonnas valguse kiirusest teises keskkonnas: 
Täielik peegeldus.
Kui valgus liigub optiliselt tihedamast keskkonnast optiliselt vähemtihedasse, siis tingimusel α > α 0, kus α 0 on täieliku peegelduse piirnurk, ei satu valgus teise keskkonda üldse. See kajastub täielikult liidesest ja jääb esimesse keskkonda. Sel juhul annab valguse peegelduse seadus järgmise seose: 
4.2. Laineoptika põhimõisted ja seadused
sekkumine nimetatakse kahe või enama allika üksteise peale tulevate lainete superpositsiooni protsessiks, mille tulemusena toimub laineenergia ümberjaotumine ruumis. Laineenergia ümberjaotamiseks ruumis on vajalik, et laineallikad oleksid koherentsed. See tähendab, et need peavad kiirgama sama sagedusega laineid ja faasinihe nende allikate võnkumiste vahel ei tohi aja jooksul muutuda.Sõltuvalt tee erinevusest (∆) kiirte superpositsioonipunktis, maksimaalne või minimaalne interferents. Kui samafaasiliste allikate kiirte teekonna erinevus ∆ on võrdne lainepikkuste täisarvuga mλ (m on täisarv), siis on see maksimaalne interferents:
kui poollaineid on paaritu arv - minimaalne häire:
Difraktsioon nimetatakse kõrvalekaldeks laine levimisel sirgjoonelisest suunast või laineenergia tungimisest geomeetrilise varju piirkonda. Difraktsioon on hästi jälgitav juhtudel, kui laine läbivate takistuste ja aukude mõõtmed on proportsionaalsed lainepikkusega.
Üks optilistest instrumentidest, millelt on hea valguse difraktsiooni jälgida, on difraktsioonvõre. Tegemist on klaasplaadiga, millele kantakse üksteisest võrdsel kaugusel tõmbeid teemandiga. Löökide vaheline kaugus - võrekonstant d. Võre läbivad kiired difrakteerivad kõigi võimalike nurkade all. Objektiiv kogub fookustasandi ühes punktis sama difraktsiooninurga all liikuvaid kiireid. Minnes teise nurga all – teistes punktides. Need kiired üksteise peale asetatuna annavad difraktsioonimustri maksimumi või miinimumi. Difraktsioonvõre maksimumide jälgimise tingimused on järgmised:
kus m- täisarv, λ - lainepikkus (vt joonis 10).
