Lęšių vaizdai, instrumentų, tokių kaip mikroskopai ir teleskopai, veikimas, vaivorykštės reiškinys ir apgaulingas vandens telkinio gylio suvokimas yra šviesos lūžio reiškinio pavyzdžiai. Šiame straipsnyje aptariami šį reiškinį apibūdinantys dėsniai.
Lūžio reiškinys
Prieš svarstydami fizikos šviesos lūžio dėsnius, susipažinkime su paties reiškinio esme.
Kaip žinote, jei terpė yra vienalytė visuose erdvės taškuose, šviesa joje judės tiesiu keliu. Šio kelio lūžis atsiranda, kai šviesos spindulys kampu kerta dviejų skaidrių medžiagų, tokių kaip stiklas ir vanduo arba oras ir stiklas, sąsają. Perėjus į kitą vienalytę terpę, šviesa taip pat judės tiesia linija, bet jau pirmoje terpėje bus nukreipta tam tikru kampu į savo trajektoriją. Tai yra šviesos pluošto lūžio reiškinys.
Toliau pateiktame vaizdo įraše parodytas lūžio reiškinys, kaip pavyzdys naudojant stiklą.
Svarbus momentas čia yra kritimo kampassąsajos plokštuma. Šio kampo reikšmė lemia, ar lūžio reiškinys bus stebimas, ar ne. Jei spindulys nukrenta statmenai paviršiui, tada, patekęs į antrąją terpę, jis ir toliau judės ta pačia tiesia linija. Antrasis atvejis, kai refrakcija neįvyks, yra pluošto, einančio iš optiškai tankesnės terpės į mažiau tankią, kritimo kampai, kurie yra didesni už kokią nors kritinę vertę. Tokiu atveju šviesos energija visiškai atsispindės pirmoje terpėje. Paskutinis efektas aptariamas toliau.
Pirmasis lūžio dėsnis
Tai taip pat galima pavadinti trijų tiesių vienoje plokštumoje dėsniu. Tarkime, kad yra šviesos spindulys A, kuris patenka į dviejų skaidrių medžiagų sąsają. Taške O spindulys lūžta ir pradeda judėti tiesia linija B, kuri nėra A tęsinys. Jei atstatysime statmeną N atskyrimo plokštumai iki taško O, tada reiškinio 1-asis dėsnis refrakciją galima suformuluoti taip: krintantis spindulys A, normalus N ir lūžęs pluoštas B yra toje pačioje plokštumoje, kuri yra statmena sąsajos plokštumai.
Šis paprastas įstatymas nėra akivaizdus. Jo formuluotė yra eksperimentinių duomenų apibendrinimo rezultatas. Matematiškai jį galima išvesti naudojant vadinamąjį Ferma principą arba mažiausio laiko principą.
Antrasis lūžio dėsnis
Mokyklų fizikos mokytojai dažnai pateikia mokiniams tokią užduotį: „Suformuluokite šviesos lūžio dėsnius“. Mes apsvarstėme vieną iš jų, dabar pereikime prie antrojo.
Kampą tarp spindulio A ir statmeno N pažymėkite kaip θ1, kampas tarp spindulio B ir N bus vadinamas θ2. Taip pat atsižvelgiame į tai, kad spindulio A greitis 1 terpėje yra v1, pluošto B greitis 2 terpėje yra v2. Dabar galime pateikti matematinę nagrinėjamo reiškinio antrojo dėsnio formuluotę:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Šią formulę XVII amžiaus pradžioje gavo olandas Snellas, o dabar ji turi jo pavardę.
Iš posakio daroma svarbi išvada: kuo didesnis šviesos sklidimo greitis terpėje, tuo spindulys bus toliau nuo normalaus (kuo didesnis kampo sinusas).
Terpės lūžio rodiklio samprata
Aukščiau pateikta Snell formulė šiuo metu parašyta kiek kitokia forma, kurią patogiau naudoti sprendžiant praktines problemas. Iš tiesų, šviesos greitis v medžiagoje, nors ir mažesnis nei vakuume, vis tiek yra didelė reikšmė, su kuria sunku dirbti. Todėl į fiziką buvo įtraukta santykinė reikšmė, kurios lygybė pateikta žemiau:
n=c/v.
Čia c yra spindulio greitis vakuume. n reikšmė parodo, kiek kartų c reikšmė yra didesnė už v reikšmę medžiagoje. Jis vadinamas šios medžiagos lūžio rodikliu.
Atsižvelgiant į įvestą reikšmę, šviesos lūžio dėsnio formulė bus perrašyta tokia forma:
sin(θ1)n1=nuodėmė(θ2) n2.
Medžiaga, kurios vertė yra didelė n,vadinamas optiškai tankiu. Praeidama pro ją, šviesa savo greitį sumažina n kartų, palyginti su ta pačia beorės erdvės verte.
Ši formulė rodo, kad spindulys bus arčiau normalaus terpėje, kuri yra optiškai tankesnė.
Pavyzdžiui, pastebime, kad oro lūžio rodiklis yra beveik lygus vienetui (1, 00029). Vandeniui jo vertė yra 1,33.
Visas atspindys optiškai tankioje terpėje
Atlikkime tokį eksperimentą: paleiskime šviesos spindulį nuo vandens stulpelio link jo paviršiaus. Kadangi vanduo yra optiškai tankesnis už orą (1, 33>1, 00029), kritimo kampas θ1 bus mažesnis nei lūžio kampas θ2. Dabar palaipsniui didinsime θ1, atitinkamai θ2, o nelygybė θ1<θ2visada išlieka tiesa.
Ateis momentas, kai θ1<90o ir θ2=90 o. Šis kampas θ1 vadinamas kritiniu vandens ir oro terpių porai. Dėl bet kokių didesnių kritimo kampų jokia pluošto dalis nepateks per vandens ir oro sąsają į mažiau tankią terpę. Visas spindulys ties riba patirs visišką atspindį.
Kritinio kritimo kampo θc apskaičiavimas atliekamas pagal formulę:
θc=arcsin(n2/n1).
Žiniasklaidos vandeniui iroras yra 48, 77o.
Atkreipkite dėmesį, kad šis reiškinys negrįžtamas, tai yra, kai šviesa iš oro pereina į vandenį, kritinio kampo nėra.
Aprašytas reiškinys naudojamas optinių skaidulų veikimui ir kartu su šviesos sklaida yra pirminės ir antrinės vaivorykštės atsiradimo lietaus metu priežastis.
