Refrakció

a fénytörés a mindennapi életünkben sok helyen látható. Lehetővé teszi, hogy a vízfelület alatt lévő tárgyak közelebb kerüljenek, mint valójában. Ez az, amit optikai lencsék alapulnak, amely lehetővé teszi a műszerek, mint a szemüveg, kamerák, távcső, mikroszkópok, valamint az emberi szem. A fénytörés felelős néhány természetes optikai jelenségért is, beleértve a szivárványokat és a Mirage-t.,

általános magyarázat

a refrakció helyes magyarázata két különálló részből áll, mindkettő a fény hullám jellegének eredménye.

1. a fény lelassul, mivel a vákuumtól eltérő közegen (például levegőn, üvegen vagy vízen) halad át. Ez nem a szétszóródás vagy a felszívódás miatt van., Inkább azért van, mert elektromágneses oszcillációként maga a fény más elektromosan töltött részecskéket, például elektronokat oszcillál. Az oszcilláló elektronok saját elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, amelyek kölcsönhatásba lépnek az eredeti fénnyel. A kapott “kombinált” hullám hullámcsomagokkal rendelkezik, amelyek lassabb sebességgel haladnak át a megfigyelőn. A fény hatékonyan lelassult. Amikor a fény visszatér a vákuumba, és nincsenek elektronok a közelben, ez a lassuló hatás véget ér, és a sebessége visszatér c-re.,
2. amikor a fény belép, kilép vagy megváltoztatja azt a közeget, amelyben utazik, szögben, a hullámfront egyik oldala vagy a másik oldala lelassul a másik előtt. A fény aszimmetrikus lassulása miatt megváltoztatja utazási szögét. Miután a fény az új közegben állandó tulajdonságokkal rendelkezik, ismét egyenes vonalban halad.

magyarázat a fény lassulására a

közegben a fent leírtak szerint a fénysebesség a vákuumtól eltérő közegben lassabb. Ez a lassulás minden olyan közegre vonatkozik, mint a levegő, a víz vagy az üveg, és felelős az olyan jelenségekért, mint a fénytörés., Amikor a fény elhagyja a közeget, és visszatér a vákuumba, és figyelmen kívül hagyja a gravitáció hatásait, sebessége visszatér a szokásos fénysebességhez vákuumban, c.

ennek a lassulásnak a közös magyarázata, az atomok által elnyelt vagy újra kibocsátott fény szórása alapján, mindkettő helytelen. Az ilyen magyarázatok “elmosódó” hatást eredményeznének a kapott fényben, mivel már nem csak egy irányba haladnának. De ez a hatás nem látható a természetben.

egy helyesebb magyarázat a fény természetére, mint elektromágneses hullámra támaszkodik., Mivel a fény oszcilláló elektromos / mágneses hullám, a közegben utazó fény az anyag elektromosan töltött elektronjait is oszcillálja. (Az anyag protonjai is oszcillálnak, de mivel körülbelül 2000-szer masszívabbak, mozgásuk, ezért hatásuk sokkal kisebb). A mozgó elektromos töltés önmagában elektromágneses hullámokat bocsát ki. Az oszcilláló elektronok által kibocsátott elektromágneses hullámok kölcsönhatásba lépnek az eredeti fényt alkotó elektromágneses hullámokkal, hasonlóan a tó vízhullámaihoz, egy konstruktív interferenciának nevezett folyamathoz., Ha két hullám zavar ilyen módon, a kapott “kombinált” hullám lehet hullám csomagokat, hogy adja át a megfigyelő lassabb ütemben. A fény hatékonyan lelassult. Amikor a fény elhagyja az anyagot, ez az elektronokkal való kölcsönhatás már nem történik meg, ezért a hullámcsomag sebessége (ezért sebessége) normalizálódik.

magyarázat a fény hajlításához, amikor belép és kilép egy közegből

fontolja meg egy hullámot, amely az egyik anyagból a másikba megy, ahol sebessége lassabb, mint az ábrán., Ha eléri az anyagok közötti felületet szögben, akkor a hullám egyik oldala először eléri a második anyagot, ezért korábban lelassul. Ha a hullám egyik oldala lassabban halad, az egész hullám elfordul az oldal felé. Ez az oka annak, hogy egy hullám elhajlik a felszíntől vagy a normál felé, amikor lassabb anyagba kerül. Ellenkező esetben, ha egy hullám olyan anyagot ér el, ahol a sebesség nagyobb, a hullám egyik oldala felgyorsul, és a hullám elfordul ettől az oldaltól.,

ugyanazon dolog megértésének másik módja az, ha figyelembe vesszük a hullámhossz változását az interfészen. Amikor a hullám egyik anyagból a másikba megy, ahol a hullám eltérő v sebességgel rendelkezik, a hullám f frekvenciája változatlan marad, de a hullámfrontok vagy a λ=v/f hullámhossz közötti távolság megváltozik. Ha a sebesség csökken, például a jobb oldali ábrán, akkor a hullámhossz is csökken. A hullámfrontok és az interfész közötti szög, valamint a hullámfrontok közötti távolság változása esetén a szögnek meg kell változnia az interfészen, hogy a hullámfrontok érintetlenek maradjanak., Ebből a megfontolásból a θ1 előfordulási szög, a θ2 átviteli szög és a két anyag V1 és v2 hullámsebessége közötti összefüggés származtatható. Ez a refrakció törvénye vagy Snell törvénye, és a következőképpen írható:

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

a refrakció jelensége alapvetőbb módon levezethető a 2 vagy 3 dimenziós hullámegyenletből., A határfeltétel az interfészen ezután megköveteli, hogy a hullámvektor tangenciális összetevője azonos legyen az interfész két oldalán. Mivel a hullámvektor nagysága a hullámsebességtől függ, ez megköveteli a hullámvektor irányának változását.

a fenti vitában a megfelelő hullámsebesség a hullám fázissebessége. Ez általában közel áll a csoport sebességéhez, amely egy hullám valódi sebességének tekinthető, de ha különböznek, fontos a fázissebesség használata a fénytöréssel kapcsolatos összes számításban.,

a határra merőleges hullám, azaz a határral párhuzamos hullámfrontjai nem változtatják meg az irányt, még akkor sem, ha a hullám sebessége megváltozik.

a fénytörési törvény

a fény esetében az anyag n törésmutatóját gyakrabban használják, mint az anyag v hullámfázis sebességét. Ezek azonban közvetlenül kapcsolódnak a fénysebességhez a C vákuumban, mint

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

az optikában tehát a refrakció törvénye általában

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

Fénytörés a víz felszínén

Fénytörés akkor fordul elő, amikor a fény megy át a víz felszínén, mivel a víz egy fénytörési index 1.33, valamint a légi refractive index 1., Egy egyenes tárgyat, például egy ceruzát az ábrán, amely ferde, részben a vízben helyezkedik el, úgy tűnik, hogy a tárgy a víz felszínén hajlik. Ennek oka a fénysugarak hajlítása, amikor a vízből a levegőbe mozognak. Amint a sugarak elérik a szemet, a szem egyenes vonalakként (látóvonalak) nyomon követi őket. A látóvonalak (szaggatott vonalakként ábrázolva) magasabb helyzetben metszenek, mint ahol a tényleges sugarak származnak. Ez azt eredményezi, hogy a ceruza magasabbnak tűnik, a víz pedig sekélyebb, mint amilyen valójában.,

az a mélység, amelyet a víz felülről nézve úgy tűnik, mint a látszólagos mélység. Ez fontos szempont a felszínről történő halászathoz, mivel a célhalak más helyen jelennek meg, és a halásznak alacsonyabban kell törekednie a halak fogására. Ezzel szemben a víz feletti tárgynak nagyobb látszólagos magassága van, ha a víz alól nézzük. Az ellenkező korrekciót egy íjász halnak kell elvégeznie.,

kicsi a beesési szög (mért, a normális, ha sin θ körülbelül ugyanaz, mint a tan θ), az arány nyilvánvaló, hogy igazi mélysége az arány a fénytörési indexek a levegő, a víz. De ahogy az incidencia szöge megközelíti a 90o-t, a látszólagos mélység megközelíti a nullát, bár a visszaverődés növekszik, ami korlátozza a megfigyelést nagy előfordulási szögekben., Ezzel szemben, a látszólagos magassága közelít a végtelenhez, mint a beesési szög mellett (alulról) növekszik, de még korábban, mint a szög a teljes belső visszaverődés megközelíteni, bár a kép is eltűnik a kilátás, mint ez a határ közeledett.

a levegő törésmutatója a levegő sűrűségétől függ, így a levegő hőmérsékletétől és nyomásától függően változik. Mivel a nyomás magasabb magasságokban alacsonyabb, a törésmutató is alacsonyabb, így a fénysugarak a földfelszín felé törnek, amikor nagy távolságokat utaznak a légkörben., Ez kissé eltolja a csillagok látszólagos helyzetét, amikor közel vannak a horizonthoz, és láthatóvá teszi a napot, mielőtt a napfelkelte alatt geometriailag felemelkedne a horizont felett.