Refraktion (Svenska)

brytning av ljus kan ses på många ställen i vår vardag. Det gör föremål under en vattenyta visas närmare än de egentligen är. Det är vad optiska linser är baserade på, vilket möjliggör instrument som glasögon, kameror, kikare, mikroskop och det mänskliga ögat. Refraktion är också ansvarig för vissa naturliga optiska fenomen, inklusive regnbågar och mirages.,

allmän förklaring

en korrekt förklaring av brytning innebär två separata delar, både ett resultat av ljusets vågkaraktär.

1. ljuset saktar när det färdas genom ett annat medium än vakuum (som luft, glas eller vatten). Detta beror inte på spridning eller absorption., Snarare beror det på att, som en elektromagnetisk svängning, själva ljuset orsakar andra elektriskt laddade partiklar som elektroner, att oscillera. De oscillerande elektronerna avger sina egna elektromagnetiska vågor som interagerar med det ursprungliga ljuset. Den resulterande” kombinerade ” vågen har vågpaket som passerar en observatör i långsammare takt. Ljuset har saktats ner. När ljuset återgår till ett vakuum och det inte finns några elektroner i närheten, slutar denna saktade effekt och dess hastighet återgår till C.,
2. när ljuset kommer in, lämnar eller ändrar mediet det färdas i, i en vinkel, en sida eller den andra av vågfronten saktas innan den andra. Denna asymmetriska avmattning av ljuset gör att den ändrar vinkeln på sin resa. När ljuset är inom det nya mediet med konstanta egenskaper, färdas det i en rak linje igen.

förklaring till avmattning av ljus i ett medium

såsom beskrivits ovan är ljusets hastighet långsammare i ett annat medium än vakuum. Denna saktning gäller för alla medium som luft, vatten eller glas och är ansvarig för fenomen som brytning., När ljuset lämnar mediet och återgår till ett vakuum, och ignorerar gravitationseffekter, återgår dess hastighet till den vanliga ljushastigheten i ett vakuum, c.

vanliga förklaringar till denna saktning, baserat på tanken på ljusspridning från, eller absorberas och återges av atomer, är båda felaktiga. Förklaringar som dessa skulle orsaka en ”suddig” effekt i det resulterande ljuset, eftersom det inte längre skulle resa i bara en riktning. Men denna effekt ses inte i naturen.

en mer korrekt förklaring vilar på ljusets natur som en elektromagnetisk våg., Eftersom ljus är en oscillerande elektrisk / magnetisk våg, orsakar ljus som reser i ett medium att materialets elektriskt laddade elektroner också oscillerar. (Materialets protoner svänger också men eftersom de är runt 2000 gånger mer massiva är deras rörelse och därmed deras effekt mycket mindre). En rörlig elektrisk laddning avger egna elektromagnetiska vågor. De elektromagnetiska vågorna som emitteras av de oscillerande elektronerna, interagerar med de elektromagnetiska vågorna som utgör det ursprungliga ljuset, som liknar vattenvågor på en damm, en process som kallas konstruktiv störning., När två vågor stör på detta sätt kan den resulterande ”kombinerade” vågen ha vågpaket som passerar en observatör i långsammare takt. Ljuset har saktats ner. När ljuset lämnar materialet sker denna interaktion med elektroner inte längre, och därför återgår vågpakethastigheten (och därmed dess hastighet) till normal.

förklaring till böjning av ljus när det går in och lämnar ett medium

överväga en våg som går från ett material till ett annat där hastigheten är långsammare som i figuren., Om den når gränssnittet mellan materialen i en vinkel kommer en sida av vågen att nå det andra materialet först och därför sakta ner tidigare. Med ena sidan av vågen går långsammare hela vågen kommer att svänga mot den sidan. Det är därför en våg kommer att böja sig bort från ytan eller mot det normala när man går in i ett långsammare material. I motsatt fall av en våg som når ett material där hastigheten är högre, kommer en sida av vågen att påskynda och Vågen kommer att svänga bort från den sidan.,

ett annat sätt att förstå samma sak är att överväga förändringen i våglängd vid gränssnittet. När vågen går från ett material till ett annat där vågen har en annan hastighet v, kommer vågens frekvens f att vara densamma, men avståndet mellan vågfronter eller våglängd λ=V/f kommer att förändras. Om hastigheten minskar, till exempel i figuren till höger, kommer våglängden också att minska. Med en vinkel mellan vågfronterna och gränssnittet och ändra avståndet mellan vågfronterna måste vinkeln ändras över gränssnittet för att hålla vågfronterna intakta., Av dessa överväganden kan förhållandet mellan infallsvinkeln θ1, överföringsvinkeln θ2 och våghastigheterna v1 och v2 i de två materialen härledas. Detta är lagen om refraktion eller Snells lag och kan skrivas som

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

brytningsfenomenet kan på ett mer grundläggande sätt härledas från 2-eller 3-dimensionell vågekvationen., Gränsförhållandet vid gränssnittet kommer då att kräva att den tangentiella komponenten i vågvektorn är identisk på gränssnittets två sidor. Eftersom vågvektorns storlek beror på våghastigheten kräver detta en förändring i vågvektorns riktning.

den relevanta våghastigheten i diskussionen ovan är vågens fashastighet. Detta är typiskt nära grupphastigheten som kan ses som en vågs sannare hastighet, men när de skiljer sig är det viktigt att använda fashastigheten i alla beräkningar som rör brytning.,

en våg som färdas vinkelrätt mot en gräns, dvs. som har sina vågfronter parallellt med gränsen, kommer inte att ändra riktning Även om vågens hastighet ändras.

refraktionslagen

för ljus används refraktionsindexet n för ett material oftare än vågfashastigheten v i materialet. De är dock direkt relaterade genom ljusets hastighet i vakuum c som

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

i optik skrivs därför refraktionslagen vanligtvis som

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

brytning i en vattenyta

brytning inträffar när ljuset går genom en vattenyta eftersom vatten har ett brytningsindex på 1,33 och luft har ett brytningsindex på ca 1., Om man tittar på ett rakt föremål, som en penna i figuren här, som placeras vid en vinkling, delvis i vattnet, verkar föremålet Böja sig vid vattnets yta. Detta beror på böjning av ljusstrålar när de rör sig från vattnet till luften. När strålarna når ögat spårar ögat dem tillbaka som raka linjer (siktlinjer). Siktlinjerna (som visas som streckade linjer) skär i ett högre läge än där de faktiska strålarna härstammar. Detta gör att penna visas högre och vattnet verkar grundare än det egentligen är.,

djupet som vattnet verkar vara när det ses ovanifrån kallas det uppenbara djupet. Detta är en viktig faktor för spearfishing från ytan eftersom det kommer att göra mål fisk verkar vara på en annan plats, och fisher måste sikta lägre för att fånga fisken. Omvänt har ett föremål ovanför vattnet en högre uppenbar höjd när den ses underifrån vattnet. Den motsatta korrigeringen måste göras av en bågskyttfisk.,

för små infallsvinklar (mätt från det normala, när sin θ är ungefär densamma som tan θ), är förhållandet mellan skenbart till verkligt djup förhållandet mellan brytningsindex för luft och vatten. Men när incidensvinkeln närmar sig 90o, närmar sig det uppenbara djupet noll, om än reflektion ökar, vilket begränsar observation vid höga incidensvinklar., Omvänt närmar sig den skenbara höjden oändligheten som infallsvinkeln (underifrån) ökar, men ännu tidigare, eftersom vinkeln för total inre reflektion närmar sig, om än bilden också bleknar ur sikte när denna gräns närmar sig.

Dispersion

refraktion är också ansvarig för regnbågar och för uppdelning av vitt ljus i ett regnbågsspektrum när det passerar genom ett glasprisma., Glas har ett högre brytningsindex än luft. När en stråle av vitt ljus passerar från luft till ett material som har ett brytningsindex som varierar med frekvens, uppträder ett fenomen som kallas dispersion, där olika färgade komponenter i det vita ljuset bryts i olika vinklar, dvs de böjer sig av olika mängder vid gränssnittet, så att de separeras. De olika färgerna motsvarar olika frekvenser.,

atmosfärisk brytning

brytningsindexet för luft beror på lufttätheten och varierar därmed med lufttemperatur och tryck. Eftersom trycket är lägre vid högre höjder är brytningsindexet också lägre, vilket gör att ljusstrålar bryts mot jordytan när de reser långa avstånd genom atmosfären., Detta skiftar stjärnornas synliga positioner något när de är nära horisonten och gör solen synlig innan den geometriskt stiger över horisonten under en soluppgång.

temperaturvariationer i luften kan också orsaka ljusbrytning. Detta kan ses som en värmedimma när varm och kall luft blandas t. ex.över en brand, i motoravgas eller när ett fönster öppnas på en kall dag., Detta gör att föremål som ses genom den blandade luften verkar skimra eller flytta slumpmässigt när den varma och kalla luften rör sig. Denna effekt är också synlig från normala variationer i lufttemperatur under en solig dag när du använder hög förstoring teleobjektiv och begränsar ofta bildkvaliteten i dessa fall. På liknande sätt ger atmosfärisk turbulens snabbt varierande snedvridningar i bilderna av astronomiska teleskop som begränsar upplösningen av markbundna teleskop som inte använder adaptiv optik eller andra tekniker för att övervinna dessa atmosfäriska snedvridningar.,

lufttemperaturvariationer nära ytan kan ge upphov till andra optiska fenomen, såsom mirages och Fata Morgana. Oftast, luft värms upp av en varm väg på en solig dag avleder ljus närmar sig i en grund vinkel mot en betraktare. Detta gör vägen verkar reflekterande, vilket ger en illusion av vatten som täcker vägen.,

klinisk signifikans

inom medicin, särskilt optometri, oftalmologi och ortopedi, refraktion (även känd som refraktometri) är ett kliniskt test där en phoropter kan användas av lämplig ögonvårdspersonal för att bestämma ögats brytningsfel och de bästa korrigerande linser som ska ordineras. En serie testlinser i graderade optiska krafter eller brännvidd presenteras för att bestämma vilken som ger den skarpaste, tydligaste visionen.,

Galleri