Brytning

Brytning av lys kan sees på mange steder i vårt daglige liv. Det gjør objekter under vann overflaten vises nærmere enn de egentlig er. Det er hva optiske linser er basert på, slik at for instrumenter som for eksempel briller, kameraer, kikkerter, mikroskoper, og det menneskelige øyet. Brytning er også ansvarlig for noen naturlig optiske fenomener, inkludert regnbuer og luftspeilinger.,

Generell forklaring

En riktig forklaring av brytning består av to separate deler, både som en følge av bølgen arten av lys.

1. Lys bremser som den beveger seg gjennom et medium annet enn vakuum (slik som luft, glass eller vann). Dette er ikke på grunn av spredning eller absorpsjon., Det er heller fordi, som en elektromagnetisk pendling, lys i seg selv fører til annet elektrisk ladde partikler som elektroner, til å svinge. Oscillerende elektronene avgir sine egne elektromagnetiske bølger som samhandler med den opprinnelige lys. Den resulterende «kombinert» bølgen har bølge-pakker som passerer en observatør til en lavere pris. Lyset har faktisk blitt redusert. Når lyset er tilbake til et vakuum, og det er ingen elektroner i nærheten, er dette å bremse effekt ender og hastigheten går tilbake til c.,
2. Når lyset kommer inn, ut, eller endrer medium det går i, i en vinkel, den ene eller den andre av wavefront er bremset før de andre. Denne asymmetriske demping av lyset som får den til å endre vinkelen på sin reise. Når lyset er innenfor det nye mediet med konstant egenskaper, det går i en rett linje igjen.

Forklaring for demping av lyset i et medium

Som beskrevet ovenfor, lysets hastighet er lavere i et medium annet enn vakuum. Dette bremse gjelder for alle medium, slik som luft, vann eller glass, og er ansvarlig for fenomener som brytning., Når lys forlater medium og går tilbake til et vakuum, og ignorerer eventuelle virkninger av tyngdekraften, dens hastighet tilbake til vanlig hastighet av lys i et vakuum, c.

Vanlige forklaringer på dette langsom, basert på ideen om lys spredning fra, eller å bli absorbert, og re-slippes ut av atomer, er både feil. Forklaringer som dette ville føre til en «tåkelegge» effekt i den resulterende lys, så ville det ikke lenger være på reise i bare én retning. Men denne effekten er ikke sett i naturen.

En mer korrekt forklaring hviler på lys er naturen som en elektromagnetisk bølge., Fordi lys er en oscillerende elektrisk/magnetiske bølger, lys reiser i et medium som fører til at elektrisk ladde elektroner i materialet til også å svinge. (Materialet er protoner også svinge, men som de er rundt 2000 ganger mer massiv, deres bevegelse og derfor deres effekt, er langt mindre). En flytting av elektrisk ladning, som sender ut elektromagnetiske bølger av sine egne. Den elektromagnetiske bølger som sendes ut av den oscillerende elektroner, samhandle med elektromagnetiske bølger som utgjør den opprinnelige lys, lik vann bølger på en dam, en prosess som er kjent som konstruktiv interferens., Når to bølger gripe inn på denne måten, noe som resulterer «kombinert» bølgen kan ha bølge pakker som passerer en observatør til en lavere pris. Lyset har faktisk blitt redusert. Når lyset forlater materiale, denne interaksjonen med elektronene ikke lenger skjer, og derfor bølgen packet rate (og derfor dens hastighet) gå tilbake til det normale.

Forklaring for bøying av lyset som det går inn i og ut av et medium

Vurdere en bølge som går fra et materiale til et annet hvor hastigheten er lavere som i figuren., Hvis det kommer inn i grensesnittet mellom materialet i en vinkel på den ene siden av bølgen vil nå det andre materialet først, og derfor bremse ned tidligere. Med den ene siden av bølgen går saktere hele bølge vil drei mot den siden. Dette er grunnen til at en bølge vil bøye vekk fra overflaten eller mot normalt når du går inn i et langsommere materiale. I motsatt tilfelle av en bølge nå et materiale hvor hastigheten er høyere, er den ene siden av bølgen vil fremskynde og bølgen vil pivot bort fra den siden.,

en Annen måte å forstå det samme er å vurdere endringen i bølgelengde på grensesnittet. Når bølgen går fra et materiale til et annet hvor bølgen har en annen hastighet v, frekvensen f av bølgen vil bli den samme, men avstanden mellom wavefronts eller bølgelengde λ=v/f vil endre. Hvis hastigheten er redusert, slik som i figuren til høyre, bølgelengden vil også reduseres. Med en vinkel mellom bølgen fronter og grensesnittet og endring i avstanden mellom bølge fronter vinkelen må endre seg over grensesnittet for å holde bølgen fronter intakt., Fra disse hensynene forholdet mellom vinkel på forekomsten θ1, vinkel for overføring θ2 og bølge hastighet v1 og v2 i de to materialene kan være avledet. Dette er loven om brytning eller Snell ‘ s 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}}}} .

fenomenet brytning kan i en mer grunnleggende måte å være avledet fra 2-eller 3-dimensjonale bølge-ligningen., Grensen tilstanden på grensesnittet vil da kreve den tangentielle komponenten av bølgen vektor å være identisk på de to sidene av grensesnittet. Siden omfanget av bølgen vektor avhenger av bølge hastighet dette krever en endring i retning av bølgen vektor.

Den aktuelle bølgen fart i diskusjonen ovenfor er den fasen hastigheten til bølgen. Dette er vanligvis nær gruppen hastighet som kan bli sett på som enda mer fart på en bølge, men når de skiller seg, er det viktig å bruke fase hastighet i alle beregninger knyttet til brytning.,

En bølge som reiser vinkelrett til en grense, dvs. å ha sin wavefronts parallell til grensen, vil ikke endre retning selv om hastigheten på bølgen endringer.

Lov av brytning

For lys, brytningsindeksen n av et materiale som er oftere brukt enn wave fase hastighet v i materialet. De er imidlertid direkte relatert gjennom lysets hastighet i vakuum c som

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

I optikk, derfor loven av brytning er vanligvis skrives som

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

Brytning i et vann overflate

Brytning oppstår når lys går gjennom et vannflaten siden vann har en brytningsindeks på 1.33 og luft har en brytningsindeks på ca 1., Ser på en rett-objekt, for eksempel en blyant i figuren her, som er plassert i en skrå, delvis i vannet, objektet ser ut til å bøye på vannoverflaten. Dette er på grunn av bøying av lysstråler som de går fra vann til luft. Når strålene kommer øye, øye spor dem tilbake som rette linjer (linje av syne). Linjene av syne (vist som stiplede linjer) krysser hverandre på en høyere plassering enn der hvor de faktiske stråler stammer. Dette fører til en blyant til å virke høyere og vann til å dukke opp på grunnere enn det egentlig er.,

Den dybden som vann ser ut til å bli sett ovenfra er kjent som tilsynelatende dybde. Dette er en viktig faktor for spearfishing fra overflaten fordi det vil gjøre mål fisk synes å være i et annet sted, og fisher må sikte lavere for å fange fisk. I motsatt fall, et objekt over vannet har en høyere relativ høyde sett fra under vann. Motsatt retting må være laget av en bueskytter fisk.,

For små vinkler av insidens (målt fra det normale, når synd θ er omtrent det samme som tan θ), forholdet mellom tilsynelatende ekte dybde er forholdet mellom refractive indekser av luft til vann. Men, som vinkelen på forekomsten tilnærminger 90o, den tilsynelatende dybde nærmer seg null, riktignok refleksjon øker, noe som begrenser observasjon på høy vinkler av forekomsten., Derimot er det tydelig høyde tilnærminger uendelig som vinkelen på forekomsten (nedenfra) øker, men selv tidligere, så vinkelen av total intern refleksjon er kontaktet, men bildet også forsvinner fra vis som denne grensen er kontaktet.

Spredning

Brytning er også ansvarlig for regnbuer og for splitting av hvitt lys inn i en rainbow-spekteret som det passerer gjennom et glassprisme., Glass har en høyere brytningsindeks enn luft. Når en stråle av hvite lyset går fra luft inn et materiale som har en indeks av brytning som varierer med frekvens, et fenomen som er kjent som spredningen skjer, og i hvilke forskjellige fargede komponenter av hvitt lys brytes i forskjellige vinkler, dvs, de bøyer av ulike beløp i grensesnittet, slik at de blir skilt. De forskjellige fargene korresponderer med ulike frekvenser.,

Atmosfærisk refraksjon

brytningsindeksen av luft avhenger av luft tetthet, og dermed varierer med temperatur og trykk. Siden trykket er lavere ved høyere høyder, refractive index er også lavere, noe som fører til lys stråler for å refract mot jorden overflate når du reiser lange avstander gjennom atmosfæren., Dette skifter den tilsynelatende posisjoner av stjerner litt når de er nær horisonten og gjør solen er synlig før den geometrisk stiger opp over horisonten i løpet av en soloppgang.

Temperatur variasjoner i luft kan også føre til brytning av lys. Dette kan sees som en varme dis når varm og kald luft er blandet f.eks. over en brann i motor, eksos, eller når du åpner et vindu på en kald dag., Dette gjør objekter vises gjennom den blandede air vises til skimmer eller flytte rundt på tilfeldig som den med varm og kald luft beveger seg. Denne effekten er også synlig fra normale variasjoner i lufttemperaturen under en solrik dag når du bruker høy forstørrelse tele objektiver og er ofte begrensende bildekvaliteten i disse tilfellene. På en lignende måte, atmosfærisk turbulens gir raskt varierende skjevheter i bilder av astronomiske teleskoper å begrense oppløsningen av terrestriske teleskoper ikke bruker adaptiv optikk eller andre teknikker for å overvinne disse atmosfæriske forstyrrelser.,

Air temperatur variasjoner nær overflaten kan gi opphav til andre optiske fenomener, slik som luftspeilinger og Fata Morgana. Mest vanlig er det luft som varmes opp av en varm veien på en solrik dag avleder lys nærmer seg med en spiss vinkel mot et visningsprogram. Dette gjør veien synes å reflektere, noe som gir en illusjon av vann som dekker veien.,

Klinisk signifikans

I medisinen, spesielt optometry, oftalmologi og orthoptics, brytning (også kjent som refraktometri) er en klinisk test hvor en phoropter kan brukes av den aktuelle øye bekymre profesjonell til å bestemme øyet er refractive feil og det beste korrigerende linser for å være foreskrevet. En rekke test-linser i gradert optisk krefter eller brennvidder er presentert for å finne ut hvilke som gir de skarpeste, klareste visjon.,

Galleri