pióro częściowo zanurzone w misce z wodą wydaje się wygięte z powodu refrakcji na powierzchni wody.
załamanie światła można zobaczyć w wielu miejscach naszego codziennego życia. Sprawia, że obiekty pod powierzchnią wody wydają się bliższe niż są w rzeczywistości. Na tym właśnie opierają się soczewki optyczne, pozwalające na zastosowanie takich instrumentów jak okulary, aparaty fotograficzne, lornetki, mikroskopy i ludzkie oko. Refrakcja jest również odpowiedzialna za niektóre naturalne zjawiska optyczne, w tym tęcze i miraże.,
ogólne wyjaśnienie
gdy fala przesuwa się do wolniejszego medium, czopy falowe są kompresowane. Aby czopy falowe pozostały połączone na granicy, fala musi zmienić kierunek.
poprawne Wyjaśnienie załamania światła składa się z dwóch oddzielnych części, obie są wynikiem falowej natury światła.
- światło zwalnia, gdy przemieszcza się przez medium inne niż próżnia (takie jak powietrze, szkło lub woda). Nie jest to spowodowane rozpraszaniem lub absorpcją., Dzieje się tak raczej dlatego, że jako oscylacja elektromagnetyczna, samo światło powoduje oscylację innych naładowanych elektrycznie cząstek, takich jak elektrony. Oscylujące elektrony emitują własne fale elektromagnetyczne, które oddziałują z oryginalnym światłem. Powstająca fala „połączona” ma pakiety falowe, które mijają obserwatora w wolniejszym tempie. Światło zostało skutecznie spowolnione. Gdy światło wraca do próżni i nie ma elektronów w pobliżu, ten efekt spowolnienia kończy się i jego prędkość powraca do c.,
- gdy światło wchodzi, wychodzi lub zmienia medium, w którym się porusza, pod kątem, jedna lub druga strona fali jest zwolniona przed drugą. To asymetryczne spowolnienie światła powoduje zmianę kąta jego podróży. Gdy światło znajdzie się w nowym medium o stałych właściwościach, ponownie przemieszcza się w linii prostej.
Wyjaśnienie spowolnienia światła w ośrodku
jak opisano powyżej, prędkość światła jest wolniejsza w ośrodku innym niż próżnia. Spowolnienie to dotyczy każdego medium, takiego jak powietrze, woda lub szkło, i jest odpowiedzialne za zjawiska takie jak refrakcja., Kiedy światło opuszcza medium i powraca do próżni, ignorując wszelkie efekty grawitacji, jego prędkość powraca do zwykłej prędkości światła w próżni, c.
wspólne wyjaśnienia tego spowolnienia, oparte na idei rozpraszania światła lub bycia absorbowanym i ponownie emitowanym przez atomy, są błędne. Takie wyjaĹ „nienia powodowaĺ ' yby efekt” rozmycia „w powstajÄ … cym Ĺ” wiatle, poniewaĺľ nie leĺľa ono Juĺľ w jednym kierunku. Ale ten efekt nie jest widoczny w przyrodzie.
bardziej poprawne Wyjaśnienie opiera się na naturze światła jako fali elektromagnetycznej., Ponieważ światło jest oscylującą falą elektryczną / magnetyczną, światło poruszające się w ośrodku powoduje, że naładowane elektrycznie elektrony materiału również oscylują. (Protony materii również oscylują, ale ponieważ są około 2000 razy masywniejsze, ich ruch, a co za tym idzie ich efekt, jest znacznie mniejszy). Poruszający się ładunek elektryczny emituje własne fale elektromagnetyczne. Fale elektromagnetyczne emitowane przez oscylujące elektrony oddziałują z falami elektromagnetycznymi, które tworzą oryginalne światło, podobne do fal wodnych na stawie, proces znany jako konstruktywna interferencja., Gdy dwie fale zakłócają w ten sposób, powstająca fala „połączona” może mieć Pakiety falowe, które mijają obserwatora w wolniejszym tempie. Światło zostało skutecznie spowolnione. Kiedy światło opuści materiał, ta interakcja z elektronami nie zachodzi już, a zatem szybkość pakietów falowych (a tym samym jej prędkość) wraca do normy.
Wyjaśnienie zginania światła podczas wchodzenia i wychodzenia z medium
rozważ falę przechodzącą z jednego materiału do drugiego, gdzie jego prędkość jest wolniejsza, jak na rysunku., Jeśli dojdzie do styku między materiałami pod kątem, jedna strona fali dotrze najpierw do drugiego materiału, a tym samym spowolni wcześniej. Z jednej strony fali będzie wolniej cała fala będzie obracać się w kierunku tej strony. To dlatego fala będzie zginać się od powierzchni lub w kierunku normalnego, gdy idzie do wolniejszego materiału. W przeciwnym przypadku fali docierającej do materiału, gdzie prędkość jest wyższa, jedna strona fali przyspieszy, a fala odwróci się od tej strony.,
innym sposobem zrozumienia tego samego jest rozważenie zmiany długości fali w interfejsie. Gdy fala przechodzi z jednego materiału do drugiego, gdzie fala ma inną prędkość v, częstotliwość f fali pozostanie taka sama, ale odległość między czopami falowymi lub długością fali λ=v/f zmieni się. Jeśli prędkość zostanie zmniejszona, na przykład na rysunku po prawej stronie, długość fali również się zmniejszy. Przy kącie między frontami fal a interfejsem i zmianie odległości między frontami fal kąt musi się zmieniać nad interfejsem, aby fronty fal pozostały nienaruszone., Z tych rozważań można wywnioskować zależność między kątem padania θ1, kątem przenoszenia θ2 i prędkościami fali v1 i v2 w obu materiałach. Jest to prawo refrakcji lub prawo Snella i może być zapisane jako
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}}}}.
zjawisko załamania można w bardziej fundamentalny sposób wyprowadzać z równania falowego 2 – lub 3-wymiarowego., Warunek graniczny na interfejsie wymaga wtedy, aby styczna składowa wektora falowego była identyczna po obu stronach interfejsu. Ponieważ wielkość wektora falowego zależy od prędkości fali wymaga to zmiany kierunku wektora falowego.
odpowiednią prędkością fali w powyższej dyskusji jest prędkość fazowa fali. Jest to zazwyczaj zbliżone do prędkości grupowej, która może być postrzegana jako prawdziwsza prędkość fali, ale gdy różnią się one, ważne jest, aby użyć prędkości fazowej we wszystkich obliczeniach dotyczących załamania.,
fala poruszająca się prostopadle do granicy, tzn. mająca swoje pasma falowe równoległe do granicy, nie zmieni kierunku, nawet jeśli zmienia się prędkość fali.
prawo załamania
dla światła współczynnik załamania n materiału jest częściej stosowany niż prędkość fazy falowej v w materiale. Są one jednak bezpośrednio związane z prędkością światła w próżni c jako
n = c v {\displaystyle n = {\frac {c} {v}}}.,
w optyce prawo refrakcji jest więc zapisywane jako
n 1 sin θ θ 1 = n 2 sin θ θ 2 {\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2} \ sin \ theta _{2}}.
refrakcja na powierzchni wody
refrakcja występuje, gdy światło przechodzi przez powierzchnię wody, ponieważ woda ma współczynnik załamania 1,33, a powietrze ma współczynnik załamania 1,33.współczynnik załamania około 1., Patrząc na prosty przedmiot, taki jak ołówek na rysunku, który jest umieszczony na skosie, częściowo w wodzie, obiekt wydaje się wyginać na powierzchni wody. Wynika to z zginania promieni świetlnych, które poruszają się z wody do powietrza. Gdy promienie docierają do oka, oko śledzi je z powrotem jako linie proste (linie wzroku). Linie wzroku (pokazane jako linie przerywane) przecinają się w wyższej pozycji niż miejsce, w którym powstały rzeczywiste promienie. Powoduje to, że ołówek wydaje się wyższy, a woda wydaje się płytsza niż w rzeczywistości.,
głębokość, jaką wydaje się być woda oglądana z góry, jest znana jako pozorna głębokość. Jest to ważne dla łowienia ryb z powierzchni, ponieważ sprawi, że docelowa ryba pojawi się w innym miejscu, a rybak musi celować niżej, aby złapać rybę. Z drugiej strony, obiekt nad wodą ma wyższą widoczną wysokość, gdy ogląda się go spod wody. Przeciwnej korekty musi dokonać ryba łucznik.,
dla małych kątów padania (mierzonych od normy, gdy sin θ jest w przybliżeniu taki sam jak Tan θ), stosunek pozornej do rzeczywistej głębokości jest stosunkiem współczynników załamania powietrza do współczynnika załamania wody. Ale, jak kąt padania zbliża 90o, pozorna głębokość zbliża się do zera, choć zwiększa odbicie, co ogranicza obserwację przy wysokich kątach padania., I odwrotnie, pozorna wysokość zbliża się do nieskończoności w miarę wzrostu kąta padania (od dołu), ale jeszcze wcześniej, w miarę zbliżania się kąta całkowitego wewnętrznego odbicia, chociaż obraz również zanika z widoku w miarę zbliżania się do tej granicy.
obraz mostu Golden Gate jest załamany i wygięty przez wiele różnych trójwymiarowych kropli wody.
Dyspersja
refrakcja jest również odpowiedzialna za tęcze i rozszczepienie światła białego na widmo tęczy, gdy przechodzi przez szklany pryzmat., Szkło ma wyższy współczynnik załamania niż powietrze. Gdy wiązka światła białego przechodzi z powietrza do materiału o współczynniku załamania, który zmienia się z częstotliwością, występuje zjawisko znane jako dyspersja, w którym różne kolorowe składniki światła białego są załamywane pod różnymi kątami, tzn. zginają się o różne ilości na styku, tak że zostają oddzielone. Różne kolory odpowiadają różnym częstotliwościom.,
refrakcja atmosferyczna
słońce wydaje się lekko spłaszczone, gdy jest blisko horyzontu z powodu refrakcji w atmosferze.
współczynnik załamania powietrza zależy od gęstości powietrza, a zatem zależy od temperatury i ciśnienia powietrza. Ponieważ ciśnienie jest niższe na większych wysokościach, współczynnik załamania światła jest również niższy, powodując załamanie promieni świetlnych w kierunku powierzchni ziemi podczas podróży na duże odległości przez atmosferę., To przesuwa pozorne pozycje gwiazd, gdy są blisko horyzontu i sprawia, że słońce jest widoczne, zanim geometrycznie wzniesie się ponad horyzont podczas wschodu słońca.
mgła cieplna w spalinach silnika nad lokomotywą spalinową.
zmiany temperatury w powietrzu mogą również powodować załamanie światła. Może to być postrzegane jako mgła ciepła, gdy gorące i zimne powietrze jest mieszane np. nad ogniem, w spalinach silnika lub podczas otwierania okna w zimny dzień., Sprawia to, że obiekty oglądane przez zmieszane powietrze wydają się migotać lub poruszać się losowo, gdy porusza się gorące i zimne powietrze. Efekt ten jest również widoczny z normalnych wahań temperatury powietrza podczas słonecznego dnia przy użyciu teleobiektywów o dużym powiększeniu i często ogranicza jakość obrazu w tych przypadkach. W podobny sposób turbulencja atmosferyczna daje szybko zmieniające się zniekształcenia w obrazach teleskopów astronomicznych ograniczające rozdzielczość teleskopów naziemnych nie wykorzystujących optyki adaptacyjnej lub innych technik przezwyciężania tych zniekształceń atmosferycznych.,
Mirage over a hot road.
wahania temperatury powietrza w pobliżu powierzchni mogą powodować inne zjawiska optyczne, takie jak miraże i Fata Morgana. Najczęściej powietrze ogrzane przez gorącą drogę w słoneczny dzień odbija światło Zbliżające się pod płytkim kątem w kierunku widza. To sprawia, że droga wydaje się odbijać, dając iluzję wody pokrywającej drogę.,
znaczenie kliniczne
w medycynie, w szczególności Optometrii, okulistyce i ortopedii, refrakcja (znana również jako refraktometria) jest testem Klinicznym, w którym phoropter może być użyty przez odpowiedniego specjalistę do określenia wady refrakcji oka i najlepszych soczewek korekcyjnych, które należy przepisać. Przedstawiono serię obiektywów testowych o stopniowanych mocach optycznych lub ogniskowych, aby określić, które zapewniają najostrzejsze i najczystsze widzenie.,
Galeria
symulacja 2D: załamanie cząstki kwantowej.Czarna połowa tła to zero potencjału, szara połowa to wyższy potencjał. Białe rozmycie reprezentuje rozkład prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w danym miejscu, jeśli jest mierzony.,