Šiandien atskleisime, koks yra elektromagnetinės bangos (vadinamosios šviesos) lūžio kampas ir kaip formuojasi jo dėsniai.
Akis, oda, smegenys
Žmogus turi penkis pagrindinius pojūčius. Medicinos mokslininkai išskiria iki vienuolikos skirtingų pojūčių (pavyzdžiui, spaudimo ar skausmo pojūtį). Tačiau didžiąją dalį informacijos žmonės gauna per akis. Iki devyniasdešimties procentų turimų faktų žmogaus smegenys suvokia kaip elektromagnetines vibracijas. Taigi grožį ir estetiką žmonės dažniausiai supranta vizualiai. Šviesos lūžio kampas čia vaidina svarbų vaidmenį.
Dykuma, ežeras, lietus
Aplink pasaulį persmelkia saulės šviesa. Oras ir vanduo sudaro pagrindą to, ką žmonės mėgsta. Žinoma, sausringi dykumos kraštovaizdžiai turi atšiauraus grožio, bet dažniausiai žmonės renkasi šiek tiek drėgmės.
Žmogų visada žavėjo kalnų upeliai ir lygios žemumų upės, ramūs ežerai ir nuolat slenkančios jūros bangos, krioklio purslai ir š alta svajonė apie ledynus. Ne kartą visi yra pastebėję šviesos žaismo grožį rasoje ant žolės, šerkšno kibirkštį ant šakų, pienišką rūko b altumą ir niūrų žemų debesų grožį. Ir visi šie efektai sukuriamidėl spindulio lūžio vandenyje kampo.
Akis, elektromagnetinė skalė, vaivorykštė
Šviesa yra elektromagnetinio lauko svyravimai. Bangos ilgis ir jo dažnis lemia fotono tipą. Virpesių dažnis lemia, ar tai bus radijo banga, infraraudonasis spindulys, žmogui matomas kokios nors spalvos spektras, ultravioletinė, rentgeno ar gama spinduliuotė. Žmonės gali akimis suvokti elektromagnetinius virpesius, kurių bangos ilgis svyruoja nuo 780 (raudona) iki 380 (violetinių) nanometrų. Visų galimų bangų mastu ši atkarpa užima labai mažą plotą. Tai reiškia, kad žmonės nesugeba suvokti didžiosios dalies elektromagnetinio spektro. Ir visą grožį, prieinamą žmogui, sukuria skirtumas tarp kritimo kampo ir lūžio kampo ties terpės riba.
Vakuumas, saulė, planeta
Fotonus skleidžia Saulė dėl termobranduolinės reakcijos. Vandenilio atomų susiliejimą ir helio gimimą lydi daugybės įvairių dalelių, įskaitant šviesos kvantus, išsiskyrimas. Vakuume elektromagnetinės bangos sklinda tiesia linija ir didžiausiu įmanomu greičiu. Patekusi į skaidrią ir tankesnę terpę, pavyzdžiui, žemės atmosferą, šviesa pakeičia sklidimo greitį. Dėl to pasikeičia sklidimo kryptis. Kiek lemia lūžio rodiklis. Lūžio kampas apskaičiuojamas naudojant Snell formulę.
Snello įstatymas
Olandų matematikas Willebrord Snell visą gyvenimą dirbo su kampais ir atstumais. Jis suprato, kaip išmatuoti atstumus tarp miestų, kaip rasti duotybętaškas danguje. Nenuostabu, kad jis rado raštą šviesos lūžio kampuose.
Įstatymo formulė atrodo taip:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
Šioje išraiškoje simboliai turi tokią reikšmę:
- 1 ir n2 yra vidutinio vieneto (nuo kurio spindulys krenta) ir vidutinio 2 (į jį patenka) lūžio rodikliai);
- θ1 ir θ2 yra atitinkamai šviesos kritimo ir lūžio kampas.
Įstatymo paaiškinimai
Būtina pateikti keletą šios formulės paaiškinimų. Kampai θ reiškia laipsnių skaičių, esantį tarp pluošto sklidimo krypties ir paviršiaus normalios šviesos pluošto sąlyčio taške. Kodėl šiuo atveju naudojamas normalus? Nes iš tikrųjų nėra griežtai plokščių paviršių. O rasti normalų bet kuriai kreivei yra gana paprasta. Be to, jei užduotyje žinomas kampas tarp terpės ribos ir krintančio pluošto x, tada reikalingas kampas θ yra tik (90º-x).
Dažniausiai šviesa patenka iš retesnės (oro) į tankesnę (vandens) terpę. Kuo arčiau vienas kito yra terpės atomai, tuo stipresnis spindulys lūžta. Todėl kuo tankesnė terpė, tuo didesnis lūžio kampas. Bet nutinka ir atvirkščiai: šviesa iš vandens krenta į orą arba iš oro į vakuumą. Tokiomis aplinkybėmis gali atsirasti sąlyga, kuriai esant n1sin θ1>n2. Tai yra, visas spindulys atsispindės atgal į pirmąją terpę. Šis reiškinys vadinamas visišku vidiniuatspindys. Kampas, kuriuo susidaro aukščiau aprašytos aplinkybės, vadinamas ribiniu lūžio kampu.
Kas lemia lūžio rodiklį?
Ši vertė priklauso tik nuo medžiagos savybių. Pavyzdžiui, yra kristalų, kuriems svarbu, kokiu kampu spindulys patenka. Savybių anizotropija pasireiškia dvigubu lūžiu. Yra terpių, kurioms svarbi gaunamos spinduliuotės poliarizacija. Taip pat reikia atsiminti, kad lūžio kampas priklauso nuo krintančios spinduliuotės bangos ilgio. Būtent šiuo skirtumu grindžiamas eksperimentas su b altos šviesos padalijimu į vaivorykštę pagal prizmę. Reikia pažymėti, kad terpės temperatūra taip pat turi įtakos spinduliuotės lūžio rodikliui. Kuo greičiau vibruoja kristalo atomai, tuo labiau deformuojasi jo struktūra ir galimybė keisti šviesos sklidimo kryptį.
Lūžio rodiklio vertės pavyzdžiai
Mes suteikiame skirtingas reikšmes pažįstamoms aplinkoms:
- Druska (cheminė formulė NaCl) kaip mineralas vadinama „halitu“. Jo lūžio rodiklis yra 1,544.
- Stiklo lūžio kampas apskaičiuojamas pagal jo lūžio rodiklį. Priklausomai nuo medžiagos tipo, ši vertė svyruoja nuo 1,487 iki 2,186.
- Deimantas garsėja būtent dėl šviesos žaismo jame. Pjaudami juvelyrai atsižvelgia į visas jo plokštumas. Deimantų lūžio rodiklis yra 2,417.
- Iš priemaišų išvalyto vandens lūžio rodiklis yra 1,333. H2O yra labai geras tirpiklis. Todėl chemiškai gryno vandens gamtoje nėra. Kiekvienas šulinys, kiekviena upė yra charakterizuojamasu savo sudėtimi. Todėl keičiasi ir lūžio rodiklis. Tačiau norėdami išspręsti paprastas mokyklos problemas, galite naudoti šią reikšmę.
Jupiteris, Saturnas, Callisto
Iki šiol mes kalbėjome apie žemiškojo pasaulio grožį. Vadinamosios normalios sąlygos reiškia labai specifinę temperatūrą ir slėgį. Tačiau Saulės sistemoje yra ir kitų planetų. Yra gana skirtingų kraštovaizdžių.
Pavyzdžiui, Jupiteryje galima stebėti argono miglą metano debesyse ir helio srautą. Ten taip pat dažnai pasitaiko rentgeno auroros.
Saturne etano rūkas dengia vandenilio atmosferą. Apatiniuose planetos sluoksniuose deimantiniai lietūs lyja iš labai karštų metano debesų.
Tačiau uolėtas Jupiterio mėnulis Callisto turi vidinį vandenyną, kuriame gausu angliavandenilių. Galbūt jo gelmėse gyvena sierą vartojančios bakterijos.
Ir kiekviename iš šių peizažų šviesos žaismas ant skirtingų paviršių, kraštų, briaunų ir debesų sukuria grožį.
