Lūžio reiškinys. Oro lūžio rodiklis

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 17:51

Optika yra viena seniausių fizikos šakų. Nuo senovės Graikijos daugelis filosofų domėjosi šviesos judėjimo ir sklidimo įvairiose skaidriose medžiagose, tokiose kaip vanduo, stiklas, deimantas ir oras, dėsniais. Šiame straipsnyje aptariamas šviesos lūžio reiškinys, daugiausia dėmesio skiriant oro lūžio rodikliui.

Šviesos pluošto lūžio efektas

Kiekvienas savo gyvenime šimtus kartų susidūrė su šio efekto pasireiškimu, kai žiūrėjo į rezervuaro dugną arba į stiklinę vandens su kokiu nors daiktu. Tuo pačiu metu rezervuaras neatrodė toks gilus, koks buvo iš tikrųjų, o vandens stiklinėje esantys objektai atrodė deformuoti arba sulūžę.

Šviesos pluošto lūžio reiškinys yra jo tiesios trajektorijos lūžis, kai jis kerta dviejų skaidrių medžiagų sąsają. Apibendrinant daugybę eksperimentinių duomenų, XVII amžiaus pradžioje olandas Willebrord Snell gavo matematinę išraišką,kuris tiksliai apibūdino šį reiškinį. Ši išraiška paprastai rašoma tokia forma:

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ) ₂)=pastovus

Čia n₁, n₂ yra absoliutus šviesos lūžio rodiklis atitinkamoje medžiagoje, θ_{1ir θ}2 _{- kampai tarp krintančio ir lūžusio pluošto ir statmenos sąsajos plokštumai, kuri nubrėžta per pluošto ir šios plokštumos susikirtimo tašką.}

Ši formulė vadinama Snell arba Snell-Descartes'o dėsniu (pateikta forma ją užrašė prancūzas, o olandas naudojo ne sinusus, o ilgio vienetus).

Be šios formulės, lūžio reiškinys apibūdinamas kitu dėsniu, kuris yra geometrinio pobūdžio. Tai slypi tame, kad pažymėtas statmenas plokštumai ir du spinduliai (lūžę ir krintantys) yra toje pačioje plokštumoje.

Absoliutus lūžio rodiklis

Ši reikšmė įtraukta į Snell formulę ir jos reikšmė atlieka svarbų vaidmenį. Matematiškai lūžio rodiklis n atitinka formulę:

n=c/v.

Simbolis c yra elektromagnetinių bangų greitis vakuume. Tai yra maždaug 310⁸m/s. Reikšmė v yra šviesos greitis terpėje. Taigi, lūžio rodiklis atspindi šviesos lėtėjimo terpėje kiekį beorės erdvės atžvilgiu.

Aukščiau pateikta formulė turi dvi svarbias pasekmes:

• reikšmė n visada yra didesnė už 1 (vakuumui ji lygi vienetui);
• tai bematis dydis.

Pavyzdžiui, oro lūžio rodiklis yra 1,00029, o vandens – 1,33.

Lūžio rodiklis nėra pastovi tam tikros terpės reikšmė. Tai priklauso nuo temperatūros. Be to, kiekvienam elektromagnetinės bangos dažniui jis turi savo reikšmę. Taigi, aukščiau pateikti skaičiai atitinka 20 °C ^oC temperatūrą ir geltonąją matomo spektro dalį (bangos ilgis apie 580–590 nm).

N reikšmės priklausomybė nuo šviesos dažnio pasireiškia b altos šviesos skaidymu prizme į daugybę spalvų, taip pat vaivorykštės susidarymu danguje smarkaus lietaus metu.

Šviesos lūžio rodiklis ore

Jo vertė jau nurodyta aukščiau (1, 00029). Kadangi oro lūžio rodiklis nuo nulio skiriasi tik ketvirta po kablelio, tai sprendžiant praktines problemas, jis gali būti laikomas lygiu vienetui. Nedidelis oro n skirtumas nuo vienybės rodo, kad šviesos praktiškai nesulėtėja oro molekulės, o tai siejama su santykinai mažu tankiu. Taigi vidutinis oro tankis yra 1,225 kg/m³, tai yra, jis yra daugiau nei 800 kartų lengvesnis už gėlą vandenį.

Oras yra optiškai plona terpė. Pats šviesos greičio lėtėjimo medžiagoje procesas yra kvantinio pobūdžio ir yra susijęs su medžiagos atomų fotonų sugerties ir emisijos aktais.

Oro sudėties pokyčiai (pavyzdžiui, padidėjus vandens garų kiekiui jame) ir temperatūros pokyčiai lemia reikšmingus rodiklio pokyčiusrefrakcija. Ryškus pavyzdys yra miražo efektas dykumoje, atsirandantis dėl skirtingos temperatūros oro sluoksnių lūžio rodiklių skirtumo.

Stiklo ir oro sąsaja

Stiklas yra daug tankesnė terpė nei oras. Jo absoliutus lūžio rodiklis svyruoja nuo 1,5 iki 1,66, priklausomai nuo stiklo tipo. Jei imsime vidutinę reikšmę 1,55, tada spindulio lūžį oro ir stiklo sąsajoje galima apskaičiuoti pagal formulę:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

Vertė n₂₁ vadinama santykiniu oro ir stiklo lūžio rodikliu. Jei spindulys iš stiklo patenka į orą, reikia naudoti šią formulę:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Jei pastaruoju atveju lūžusio pluošto kampas bus lygus 90^o, tai jį atitinkantis kritimo kampas vadinamas kritiniu. Kraštiniam stiklui oras yra:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Jei spindulys kris ant stiklo ir oro ribos didesniais kampais nei 40, 17^o, tada jis visiškai atsispindės atgal į stiklą. Šis reiškinys vadinamas „visišku vidiniu atspindžiu“.

Kritinis kampas egzistuoja tik tada, kai spindulys juda iš tankios terpės (iš stiklo į orą, bet ne atvirkščiai).