Refrakce

lom světla lze vidět na mnoha místech v našem každodenním životě. To dělá objekty pod vodní hladinou se objeví blíže, než ve skutečnosti jsou. To je to, na čem jsou založeny optické čočky, umožňující nástroje, jako jsou brýle, kamery, dalekohled, mikroskopy a lidské oko. Refrakce je také zodpovědná za některé přírodní optické jevy, včetně duh a mirages.,

Obecné vysvětlení

správné vysvětlení lomu zahrnuje dvě samostatné části, a to jak v důsledku vlnové povahy světla.

1. světlo se zpomaluje, když prochází jiným médiem než vakuem (jako je vzduch, sklo nebo voda). Není to kvůli rozptylu nebo absorpci., Spíše je to proto, že jako elektromagnetické oscilace, světlo samo o sobě způsobuje, že ostatní elektricky nabité částice, jako jsou elektrony, oscilují. Oscilující elektrony vyzařují své vlastní elektromagnetické vlny, které interagují s původním světlem. Výsledná“ kombinovaná “ vlna má vlnové pakety, které procházejí pozorovatelem pomaleji. Světlo bylo účinně zpomaleno. Když se světlo vrátí do vakua a v okolí nejsou žádné elektrony, tento zpomalovací efekt končí a jeho rychlost se vrátí na c.,
2. Když světlo vstoupí, opustí nebo změní médium putuje, v úhlu, jednu nebo druhou stranu z wavefront je zpomalil, než ostatní. Toto asymetrické zpomalení světla způsobuje změnu úhlu jeho pohybu. Jakmile je světlo v novém médiu s konstantními vlastnostmi, cestuje znovu v přímce.

vysvětlení zpomalení světla v médiu

jak je popsáno výše, rychlost světla je pomalejší v jiném médiu než ve vakuu. Toto zpomalení se vztahuje na jakékoli médium, jako je vzduch, voda nebo sklo, a je zodpovědný za jevy, jako je lom., Když světlo opouští střední a vrátí se do vakua, a ignoruje veškeré účinky gravitace, jeho rychlost se vrátí do obvyklé rychlosti světla ve vakuu, c.

Společné vysvětlení pro toto zpomalení, založené na myšlence, rozptylu světla, nebo je vstřebává a re-vyzařované atomy, jsou oba nesprávná. Vysvětlení, jako jsou tyto, by způsobilo“ rozmazání “ efektu ve výsledném světle, protože by již necestovalo pouze jedním směrem. Tento efekt však není v přírodě vidět.

správnější vysvětlení spočívá na povaze světla jako elektromagnetické vlně., Protože světlo je oscilační Elektrická / magnetická vlna, světlo pohybující se v médiu způsobuje, že elektricky nabité elektrony materiálu také oscilují. (Protony materiálu také oscilují, ale protože jsou asi 2000krát masivnější, jejich pohyb, a tedy i jejich účinek, je mnohem menší). Pohybující se elektrický náboj vydává vlastní elektromagnetické vlny. Elektromagnetické vlny vyzařované oscilující elektrony, interakce s elektromagnetickými vlnami, které tvoří původní světlo, podobné vodní vlny na rybníku, proces známý jako konstruktivní interference., Když dvě vlny interferují tímto způsobem, výsledná“ kombinovaná “ vlna může mít vlnové pakety, které procházejí pozorovatelem pomaleji. Světlo bylo účinně zpomaleno. Když světlo opouští materiál, tato interakce s elektrony již stane, a proto vlna paketová rychlost (a tedy její rychlost), návrat do normálu.

Vysvětlení pro ohýbání světla, jak vstupuje a vystupuje střední

Zvážit vlnu přechodu z jednoho materiálu do druhého, kde jeho rychlost je pomalejší, jako na obrázku., Pokud dosáhne rozhraní mezi materiály pod úhlem, jedna strana vlny dosáhne nejprve druhého materiálu, a proto se zpomalí dříve. S jednou stranou vlny bude pomalejší celá vlna bude otáčet směrem k této straně. To je důvod, proč se vlna ohne od povrchu nebo směrem k normálu, když jde do pomalejšího materiálu. V opačném případě vlny, která dosáhne materiálu, kde je rychlost vyšší, se jedna strana vlny zrychlí a vlna se od této strany odvrátí.,

dalším způsobem, jak porozumět stejné věci, je zvážit změnu vlnové délky na rozhraní. Když vlna přechází z jednoho materiálu do jiného, kde vlna má různou rychlostí v, frekvence f vlny zůstane stejné, ale vzdálenost mezi resp. nebo vlnovou délku λ=v/f se bude měnit. Pokud je rychlost snížena, například na obrázku vpravo, vlnová délka se také sníží. S úhlem mezi čela vln a rozhraní a změna vzdálenosti mezi vlny frontách úhel se musí změnit celé rozhraní, aby vlna frontách neporušené., Z těchto úvah lze odvodit vztah mezi úhlem dopadu θ1, úhlem přenosu θ2 a vlnovými rychlostmi V1 a v2 ve dvou materiálech. To je zákon lomu nebo Snellova zákona a lze zapsat jako

sin ⁡ θ 1 sin ⁡ θ 2 = v 1 v 2 {\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}} .

fenomén lomu může být zásadnějším způsobem odvozen z rovnice 2 nebo 3-dimenzionální vlny., Hraniční stav na rozhraní pak bude vyžadovat, aby tangenciální složka vlnového vektoru byla identická na obou stranách rozhraní. Vzhledem k tomu, že velikost vlnového vektoru závisí na rychlosti vlny, vyžaduje to změnu směru vektoru vlny.

příslušná rychlost vlny ve výše uvedené diskusi je fázová rychlost vlny. To je obvykle v blízkosti rychlosti skupiny, které lze považovat za pravdivější rychlost vlny, ale když se liší, je důležité použít fázovou rychlost ve všech výpočtech týkajících se lomu.,

vlna cestování kolmo k hranici, tj. s jeho, resp. paralelní k hranici, nebude měnit směr i v případě, že rychlost vlny se mění.

zákon lomu

pro světlo se index lomu n materiálu častěji používá než rychlost vlnové fáze v materiálu. Jsou však přímo spojeny rychlostí světla ve vakuu c jako

n = c v {\displaystyle n={\frac {c}{v}}}.,

v optice je tedy zákon lomu typicky psán jako

n 1 sin θ θ 1 = n 2 sin θ θ 2 {\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}} .

Lom světla na vodní hladině

Lom světla nastane, když světlo prochází vodní hladinou, protože voda má index lomu 1,33 a vzduch má index lomu asi 1., Při pohledu na rovný předmět, jako tužkou na obrázku zde, který je umístěn šikmo, částečně ve vodě, objekt se objeví ohnout na vodní hladině. To je způsobeno ohýbáním světelných paprsků, když se pohybují z vody do vzduchu. Jakmile paprsky dosáhnou oka, oko je sleduje zpět jako přímky (linie zraku). Linie pohledu (zobrazené jako přerušované čáry) se protínají ve vyšší poloze, než kde vznikly skutečné paprsky. To způsobí, že tužka se objeví vyšší a voda se objeví mělčí, než ve skutečnosti je.,

hloubka, kterou se voda zdá být při pohledu shora, je známá jako zdánlivá hloubka. To je důležitým aspektem pro lov z povrchu, protože to bude cílové ryby se zdají být v jiné místo, a rybář se musí zaměřit nižší chytat ryby. Naopak objekt nad vodou má při pohledu zespodu vody vyšší zdánlivou výšku. Opačná korekce musí být provedena lučištní rybou.,

Pro malé úhly dopadu (měřeno od normální, když sin θ je přibližně stejný jako tan θ), poměr zřejmé, skutečná hloubka je poměr indexy lomu ze vzduchu do vody. Vzhledem k tomu, že se úhel dopadu blíží 90o, zjevná hloubka se blíží nule, i když se reflexe zvyšuje, což omezuje pozorování při vysokých úhlech výskytu., Naopak, zdánlivá výška se blíží nekonečnu, protože úhel dopadu (z níže) se zvyšuje, ale i dříve, jako úhel totálního odrazu se přiblížil, i když obraz také mizí z pohledu, jak tento limit se blížil.

disperze

refrakce je také zodpovědná za duhy a za rozdělení bílého světla do duhového spektra, když prochází skleněným hranolem., Sklo má vyšší index lomu než vzduch. Když paprsek bílého světla přechází ze vzduchu do materiálu, který má index lomu, který se mění podle frekvence, což je jev známý jako rozptyl nastane, v nichž se různé barevné složky bílého světla se lámou pod různými úhly, tj. ohýbat různé částky na rozhraní, tak, že se oddělí. Různé barvy odpovídají různým frekvencím.,

Atmosférické refrakce

index lomu vzduchu závisí na hustotě vzduchu a mění se tak s teplotou a tlakem vzduchu. Protože tlak je nižší ve vyšších nadmořských výškách, index lomu je také nižší, což způsobuje světelné paprsky lámou směrem k povrchu země při cestování na dlouhé vzdálenosti přes atmosféru., To mírně posouvá zdánlivé polohy hvězd, když jsou blízko horizontu a činí slunce viditelným dříve, než geometricky stoupá nad obzorem během východu slunce.

změny teploty ve vzduchu mohou také způsobit lom světla. To lze považovat za tepelný zákal, když je horký a studený vzduch smíchán např. nad ohněm, ve výfukových plynech motoru nebo při otevírání okna v chladném dni., Díky tomu se zdá, že objekty prohlížené smíšeným vzduchem se třpytí nebo se náhodně pohybují, když se pohybuje horký a studený vzduch. Tento efekt je také viditelný z normálních změn teploty vzduchu během slunečného dne při použití teleobjektivů s vysokým zvětšením a v těchto případech často omezuje kvalitu obrazu. Podobným způsobem, atmosférické turbulence dává rychle různé deformace v obrazech astronomické dalekohledy omezení rozlišení z pozemních teleskopů pomocí adaptivní optiky nebo jiné techniky pro překonání těchto atmosférické zkreslení.,