Refraktion

brydning af lys kan ses mange steder i vores hverdag. Det får genstande under en vandoverflade til at se tættere ud, end de virkelig er. Det er, hvad optiske linser er baseret på, der giver mulighed for instrumenter som briller, kameraer, kikkert, mikroskoper og det menneskelige øje. Brydning er også ansvarlig for nogle naturlige optiske fænomener, herunder regnbuer og mirages.,

generel forklaring

en korrekt forklaring af brydning involverer to separate dele, begge et resultat af lysets bølgeart.

1. lys bremser, når det bevæger sig gennem et andet medium end vakuum (såsom luft, glas eller vand). Dette skyldes ikke spredning eller absorption., Det skyldes snarere, at lyset som en elektromagnetisk svingning i sig selv får andre elektrisk ladede partikler, såsom elektroner, til at svinge. De oscillerende elektroner udsender deres egne elektromagnetiske bølger, som interagerer med det oprindelige lys. Den resulterende” kombinerede ” bølge har bølgepakker, der passerer en observatør i en langsommere hastighed. Lyset er effektivt blevet bremset. Når lyset vender tilbage til et vakuum, og der ikke er nogen elektroner i nærheden, slutter denne aftagende effekt, og dens hastighed vender tilbage til c.,
2. når lyset kommer ind, forlader eller ændrer mediet, bevæger det sig i en vinkel, den ene eller den anden side af bølgefronten sænkes før den anden. Denne asymmetriske afmatning af lyset får det til at ændre vinklen på dets rejse. Når lyset er inden for det nye medium med konstante egenskaber, bevæger det sig i en lige linje igen.

forklaring på lysets opbremsning i et medium

som beskrevet ovenfor er lysets hastighed langsommere i et andet medium end vakuum. Denne afmatning gælder for ethvert medium som luft, vand eller glas og er ansvarlig for fænomener som brydning., Når lyset blade mellemlang og vender tilbage til et vakuum, og ignorerer eventuelle virkninger af tyngdekraften, dens hastighed vender tilbage til den sædvanlige lysets hastighed i et vakuum, c.

Fælles forklaringer på denne opbremsning, baseret på idé af lysspredning fra, eller at blive absorberet, og re-emitteret af atomer, er både forkert. Forklaringer som disse ville forårsage en “slørende” virkning i det resulterende lys, da det ikke længere ville rejse i kun en retning. Men denne effekt ses ikke i naturen.

en mere korrekt forklaring hviler på lysets natur som en elektromagnetisk bølge., Da lys er en oscillerende elektrisk / magnetisk bølge, får lys, der bevæger sig i et medium, de elektrisk ladede elektroner i materialet til også at svinge. (Materialets protoner svinger også, men da de er omkring 2000 gange mere massive, er deres bevægelse og dermed deres virkning langt mindre). En bevægelig elektrisk ladning udsender sine egne elektromagnetiske bølger. De elektromagnetiske bølger, der udsendes af de oscillerende elektroner, interagerer med de elektromagnetiske bølger, der udgør det originale lys, svarende til vandbølger på en dam, en proces kendt som konstruktiv interferens., Når to bølger griber ind på denne måde, kan den resulterende “kombinerede” bølge have bølgepakker, der passerer en observatør i en langsommere hastighed. Lyset er effektivt blevet bremset. Når lyset forlader materialet, sker denne interaktion med elektroner ikke længere, og derfor vender bølgepakkehastigheden (og derfor dens hastighed) tilbage til normal.

forklaring på bøjning af lys, når det kommer ind og ud af et medium

overvej en bølge, der går fra et materiale til et andet, hvor dens hastighed er langsommere som i figuren., Hvis den når grænsefladen mellem materialerne i en vinkel, når den ene side af bølgen først det andet materiale og bremser derfor tidligere. Med den ene side af bølgen går langsommere vil hele bølgen dreje mod den side. Dette er grunden til, at en bølge vil bøje sig væk fra overfladen eller mod det normale, når man går ind i et langsommere materiale. I det modsatte tilfælde af en bølge, der når et materiale, hvor hastigheden er højere, vil den ene side af bølgen fremskynde, og bølgen vil dreje væk fra den side.,

en anden måde at forstå det samme på er at overveje ændringen i bølgelængde ved grænsefladen. Når bølgen går fra et materiale til et andet, hvor bølgen har en anden hastighed v, vil frekvensen f af bølgen forblive den samme, men afstanden mellem bølgefronter eller bølgelængde= = v/F vil ændre sig. Hvis hastigheden reduceres, såsom i figuren til højre, vil bølgelængden også falde. Med en vinkel mellem bølgefronterne og grænsefladen og ændring i afstand mellem bølgefronterne skal vinklen ændre sig over grænsefladen for at holde bølgefronterne intakte., Ud fra disse overvejelser forholdet mellem indfaldsvinklen11, vinklen på transmissionen22 og den bølge hastigheder v1 og v2 i de to materialer kan udledes. Dette er loven om brydning eller snells lov, og kan skrives som

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

fænomenet brydning kan på en mere grundlæggende måde udledes af den 2 eller 3-dimensionelle bølgeligning., Grænsebetingelsen ved grænsefladen kræver derefter, at den tangentielle komponent i bølgevektoren er identisk på de to sider af grænsefladen. Da størrelsen af bølgevektoren afhænger af bølgehastigheden, kræver dette en ændring i retningen af bølgevektoren.

den relevante bølgehastighed i diskussionen ovenfor er bølgens fasehastighed. Dette er typisk tæt på gruppehastigheden, som kan ses som en bølges sandere hastighed, men når de adskiller sig, er det vigtigt at bruge fasehastigheden i alle beregninger vedrørende brydning.,

en bølge, der bevæger sig vinkelret på en grænse, dvs.at have sine bølgefronter parallelt med grænsen, ændrer ikke retning, Selvom bølgens hastighed ændres.

brydningslov

for lys anvendes brydningsindekset n af et materiale oftere end bølgefasehastigheden v i materialet. De er dog direkte relateret gennem lysets hastighed i vakuum c som

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

i optik er brydningsloven derfor typisk skrevet som

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

Brydning i vandoverfladen

Brydning, der opstår, når lyset går gennem en overflade vand, da vandet har et brydningsindeks på 1.33 aircondition og har et brydningsindeks på omkring 1., Ser man på en lige genstand, såsom en blyant i figuren her, som er placeret ved en skrå, delvist i vandet, ser objektet ud til at bøje sig ved vandets overflade. Dette skyldes bøjning af lysstråler, når de bevæger sig fra vandet til luften. Når strålerne når øjet, sporer øjet dem tilbage som lige linjer (synslinjer). Sigtelinjerne (vist som stiplede linjer) skærer hinanden i en højere position end hvor de faktiske stråler stammer fra. Dette får blyanten til at se højere ud, og vandet vises lavere end det virkelig er.,

den dybde, som vandet ser ud til at være, når det ses ovenfra, er kendt som den tilsyneladende dybde. Dette er en vigtig overvejelse for spearfishing fra overfladen, fordi det vil gøre målet fisk synes at være i et andet sted, og det fisher skal sigte lavere for at fange fisk. Omvendt har et objekt over vandet en højere tilsyneladende højde, når det ses fra under vandet. Den modsatte korrektion skal foretages af en bueskytterfisk.,

for små indfaldsvinkler (målt fra det normale, når sin is er omtrent det samme som tan)), er forholdet mellem tilsyneladende og reel dybde forholdet mellem brydningsindekserne for luft og vand. Men når indfaldsvinklen nærmer sig 90o, nærmer den tilsyneladende dybde nul, omend refleksionen øges, hvilket begrænser observation ved høje forekomstvinkler., Omvendt nærmer den tilsyneladende højde uendelig, da indfaldsvinklen (nedenunder) stiger, men endnu tidligere, når vinklen for total intern refleksion nærmer sig, omend billedet også falmer fra visningen, når denne grænse nærmer sig.

Dispersion

Brydning er også ansvarlig for, regnbuer og for opdeling af hvidt lys i en regnbue-spektret, som det passerer gennem et glas prisme., Glas har et højere brydningsindeks end luft. Når en stråle af hvidt lys passerer fra luften i et materiale med et indeks for brydning, der varierer med frekvensen, et fænomen kendt som dispersion opstår, hvor forskellige farvede dele af hvidt lys brydes i forskellige vinkler, dvs, de bøje af forskellige mængder på grænsefladen, så de bliver adskilt. De forskellige farver svarer til forskellige frekvenser.,

Atmosfærisk refraktion

brydningsindekset for luft afhænger af lufttætheden og varierer således med lufttemperatur og tryk. Da trykket er lavere ved højere højder, er brydningsindekset også lavere, hvilket får lysstråler til at brydes mod jordoverfladen, når de rejser lange afstande gennem atmosfæren., Dette forskyder stjernernes tilsyneladende positioner lidt, når de er tæt på horisonten og gør solen synlig, før den Geometrisk stiger over horisonten under en solopgang.

temperaturvariationer i luften kan også forårsage brydning af lys. Dette kan ses som en varme dis, når varm og kold luft blandes F.over en brand, i motorens udstødning, eller når du åbner et vindue på en kold dag., Dette får objekter, der ses gennem den blandede luft, til at glitre eller bevæge sig tilfældigt rundt, når den varme og kolde luft bevæger sig. Denne effekt er også synlig fra normale variationer i lufttemperatur i løbet af en solskinsdag, når du bruger teleobjektiver med høj forstørrelse og begrænser ofte billedkvaliteten i disse tilfælde. På lignende måde giver atmosfærisk turbulens hurtigt forskellige forvrængninger i billederne af astronomiske teleskoper, der begrænser opløsningen af terrestriske teleskoper, der ikke bruger adaptiv optik eller andre teknikker til at overvinde disse atmosfæriske forvrængninger.,

lufttemperaturvariationer tæt på overfladen kan give anledning til andre optiske fænomener, såsom mirages og Fata Morgana. Oftest afbøjer luft opvarmet af en varm vej på en solskinsdag lys, der nærmer sig i en lav vinkel mod en seer. Dette får vejen til at reflektere, hvilket giver en illusion af vand, der dækker vejen.,

Kliniske betydning

I medicin, især optometri, oftalmologi og orthoptics, brydning (også kendt som refractometry) er en klinisk test, hvor en phoropter kan bruges af de relevante eye care professionel til at bestemme øjets refraktive fejl, og de bedste korrigerende linser til at blive ordineret. En række testlinser i graderede optiske kræfter eller brændvidder præsenteres for at bestemme, hvilket giver den skarpeste, klareste vision.,

Galleri