Ο τύπος του νόμου της διάθλασης του φωτός - γενικές και ειδικές περιπτώσεις

Ο νόμος της διάθλασης του φωτός χρησιμοποιείται σε διάφορα πεδία και σας επιτρέπει να προσδιορίσετε πώς θα συμπεριφέρονται οι ακτίνες όταν χτυπούν από το ένα μέσο στο άλλο. Είναι εύκολο να κατανοήσουμε τα χαρακτηριστικά αυτού του φαινομένου, τους λόγους εμφάνισής του και άλλες σημαντικές αποχρώσεις. Αξίζει επίσης να κατανοήσουμε τους τύπους διάθλασης, καθώς αυτό έχει μεγάλη σημασία για τον υπολογισμό και την πρακτική χρήση των αρχών του νόμου.

Τις περισσότερες φορές, ένα καλό παράδειγμα παρουσιάζεται με ένα καλαμάκι ή ένα κουτάλι σε ένα διαφανές ποτήρι νερό.

Τι είναι το φαινόμενο της διάθλασης του φωτός

Σχεδόν όλοι είναι εξοικειωμένοι με αυτό το φαινόμενο, καθώς το συναντάμε ευρέως στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα, αν κοιτάξετε τον πυθμένα μιας δεξαμενής με καθαρό νερό, φαίνεται πάντα πιο κοντά από ό,τι πραγματικά είναι. Η παραμόρφωση μπορεί να παρατηρηθεί στα ενυδρεία, αυτή η επιλογή είναι γνωστή σε όλους σχεδόν.Αλλά για να κατανοήσουμε το ζήτημα, είναι απαραίτητο να εξετάσουμε αρκετές σημαντικές πτυχές.

Λόγοι διάθλασης

Εδώ, τα χαρακτηριστικά των διαφορετικών μέσων από τα οποία διέρχεται η φωτεινή ροή έχουν καθοριστική σημασία. Η πυκνότητά τους τις περισσότερες φορές διαφέρει, επομένως το φως ταξιδεύει με διαφορετικές ταχύτητες. Αυτό επηρεάζει άμεσα τις ιδιότητές του.

Όταν μια ηλιακή ακτίνα διέρχεται από ένα πρίσμα, αποσυντίθεται σε όλα τα χρώματα του φάσματος.

Όταν μετακινείται από το ένα μέσο στο άλλο (στο σημείο της σύνδεσής τους), το φως αλλάζει την κατεύθυνση του λόγω διαφορών στην πυκνότητα και άλλων χαρακτηριστικών. Η απόκλιση μπορεί να είναι διαφορετική, όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στα χαρακτηριστικά των μέσων, τόσο μεγαλύτερη είναι η παραμόρφωση στο τέλος.

Παρεμπιπτόντως! Όταν το φως διαθλάται, ένα μέρος του ανακλάται πάντα.

Παραδείγματα πραγματικής ζωής

Μπορείτε να συναντήσετε παραδείγματα του υπό εξέταση φαινομένου σχεδόν παντού, έτσι ώστε όλοι να μπορούν να δουν πώς η διάθλαση επηρεάζει την αντίληψη των αντικειμένων. Οι πιο χαρακτηριστικές επιλογές είναι:

1. Εάν τοποθετήσετε ένα κουτάλι ή ένα σωληνάριο σε ένα ποτήρι νερό, μπορείτε να δείτε πόσο οπτικά το αντικείμενο παύει να είναι ίσιο και αποκλίνει, ξεκινώντας από το όριο δύο περιβαλλόντων. Αυτή η οπτική ψευδαίσθηση χρησιμοποιείται ως παράδειγμα πιο συχνά.
2. Σε ζεστό καιρό, το φαινόμενο της λακκούβας εμφανίζεται συχνά στο πεζοδρόμιο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στη θέση μιας απότομης πτώσης θερμοκρασίας (κοντά στην ίδια τη γη), οι ακτίνες διαθλώνται έτσι ώστε τα μάτια να δουν μια ελαφριά αντανάκλαση του ουρανού.
3. Τα Mirage εμφανίζονται επίσης ως αποτέλεσμα διάθλασης. Όλα είναι πολύ πιο περίπλοκα εδώ, αλλά ταυτόχρονα, αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όχι μόνο στην έρημο, αλλά και στα βουνά και ακόμη και στη μεσαία λωρίδα. Μια άλλη επιλογή είναι όταν τα αντικείμενα που βρίσκονται πίσω από τη γραμμή του ορίζοντα είναι ορατά.
   Το Mirage είναι ένα από τα θαύματα της φύσης, που συμβαίνει ακριβώς λόγω της διάθλασης του φωτός.
4. Οι αρχές της διάθλασης χρησιμοποιούνται επίσης σε πολλά αντικείμενα που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή: γυαλιά, μεγεθυντικό φακό, ματάκια, προβολείς και μηχανές προβολής διαφανειών, κιάλια και πολλά άλλα.
5. Πολλοί τύποι επιστημονικού εξοπλισμού λειτουργούν με την εφαρμογή του εν λόγω νόμου. Αυτό περιλαμβάνει μικροσκόπια, τηλεσκόπια και άλλα εξελιγμένα οπτικά όργανα.

Ποια είναι η γωνία διάθλασης

Η γωνία διάθλασης είναι η γωνία που σχηματίζεται λόγω του φαινομένου της διάθλασης στη διεπαφή μεταξύ δύο διαφανών μέσων με διαφορετικές ιδιότητες μετάδοσης φωτός. Καθορίζεται από μια κάθετη γραμμή που τραβιέται στο διαθλασμένο επίπεδο.

Εάν ένα υγρό με μεγαλύτερη πυκνότητα από το νερό χυθεί σε ένα ποτήρι, τότε η γωνία διάθλασης θα γίνει μεγαλύτερη.

Αυτό το φαινόμενο οφείλεται σε δύο νόμους - διατήρηση της ενέργειας και διατήρηση της ορμής. Με μια αλλαγή στις ιδιότητες του μέσου, η ταχύτητα του κύματος αλλάζει αναπόφευκτα, αλλά η συχνότητά του παραμένει η ίδια.

Τι καθορίζει τη γωνία διάθλασης

Ο δείκτης μπορεί να ποικίλλει και εξαρτάται κυρίως από τα χαρακτηριστικά των δύο μέσων από τα οποία διέρχεται το φως. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερη είναι η οπτική απόκλιση.

Επίσης, η γωνία εξαρτάται από το μήκος των εκπεμπόμενων κυμάτων. Καθώς αλλάζει αυτός ο δείκτης, αλλάζει και η απόκλιση. Σε ορισμένα μέσα, η συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έχει επίσης μεγάλη επιρροή, αλλά αυτή η επιλογή δεν βρίσκεται πάντα.

Στα οπτικά ανισότροπα υλικά, η γωνία επηρεάζεται από την πόλωση του φωτός και την κατεύθυνσή του.

Τύποι διάθλασης

Η πιο συνηθισμένη είναι η συνήθης διάθλαση του φωτός, όταν, λόγω των διαφορετικών χαρακτηριστικών των μέσων, μπορεί να παρατηρηθεί ένα φαινόμενο παραμόρφωσης σε έναν ή τον άλλο βαθμό.Υπάρχουν όμως και άλλες ποικιλίες που εμφανίζονται παράλληλα ή μπορούν να θεωρηθούν ως ξεχωριστό φαινόμενο.

Όταν ένα κατακόρυφα πολωμένο κύμα χτυπά το όριο δύο μέσων σε μια ορισμένη γωνία (που ονομάζεται γωνία Brewster), μπορείτε να δείτε τη συνολική διάθλαση. Σε αυτή την περίπτωση, δεν θα υπάρχει καθόλου ανακλώμενο κύμα.

Η συνολική εσωτερική ανάκλαση μπορεί να παρατηρηθεί μόνο όταν η ακτινοβολία περνά από ένα μέσο με υψηλότερο δείκτη διάθλασης σε ένα λιγότερο πυκνό μέσο. Σε αυτή την περίπτωση, αποδεικνύεται ότι η γωνία διάθλασης είναι μεγαλύτερη από τη γωνία πρόσπτωσης. Υπάρχει δηλαδή αντίστροφη σχέση. Επιπλέον, με την αύξηση της γωνίας, όταν φτάσουμε σε ορισμένες τιμές της, ο δείκτης γίνεται ίσος με 90 μοίρες.

Εάν το φως πέσει στα όρια δύο μέσων υπό μια ορισμένη γωνία, τότε μπορεί απλά να ανακλαστεί.

Εάν αυξήσετε την τιμή ακόμη περισσότερο, τότε η δέσμη θα ανακλάται από το όριο δύο ουσιών χωρίς να περάσει σε άλλο μέσο. Είναι αυτό το φαινόμενο που ονομάζεται ολική εσωτερική ανάκλαση.

Διαβάστε επίσης

Οι νόμοι της ανάκλασης του φωτός και η ιστορία της ανακάλυψής τους

 

Εδώ χρειάζεστε μια εξήγηση σχετικά με τον υπολογισμό των δεικτών, καθώς ο τύπος διαφέρει από τον τυπικό. Σε αυτήν την περίπτωση, θα μοιάζει με αυτό:

αμαρτία _{και τα λοιπά}=n₂₁

Αυτό το φαινόμενο οδήγησε στη δημιουργία της οπτικής ίνας, ενός υλικού που μπορεί να μεταδώσει τεράστιες ποσότητες πληροφοριών σε απεριόριστη απόσταση με ταχύτητα απρόσιτη από άλλες επιλογές. Σε αντίθεση με έναν καθρέφτη, σε αυτή την περίπτωση η ανάκλαση συμβαίνει χωρίς απώλεια ενέργειας ακόμη και με πολλαπλές αντανακλάσεις.

Η οπτική ίνα έχει μια απλή δομή:

1. Ο πυρήνας μετάδοσης φωτός είναι κατασκευασμένος από πλαστικό ή γυαλί. Όσο μεγαλύτερη είναι η διατομή του, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα των πληροφοριών που μπορεί να μεταδοθεί.
2. Το κέλυφος είναι απαραίτητο για να αντανακλά τη ροή φωτός στον πυρήνα έτσι ώστε να διαδίδεται μόνο μέσω αυτού. Είναι σημαντικό ότι στο σημείο εισόδου στην ίνα, η δέσμη πέφτει σε γωνία μεγαλύτερη από το όριο, τότε θα ανακλάται χωρίς απώλεια ενέργειας.
3. Η προστατευτική μόνωση αποτρέπει τη φθορά της ίνας και την προστατεύει από δυσμενείς επιπτώσεις. Λόγω αυτού του τμήματος, το καλώδιο μπορεί επίσης να τοποθετηθεί υπόγεια.

Η οπτική ίνα επέτρεψε να φέρει τη μετάδοση πληροφοριών σε ένα θεμελιωδώς νέο επίπεδο.

Πώς ανακαλύφθηκε ο νόμος της διάθλασης;

Αυτή η ανακάλυψη έγινε Willebrord Snellius, Ολλανδός μαθηματικός, το 1621. Μετά από μια σειρά πειραμάτων, μπόρεσε να διατυπώσει τις κύριες πτυχές που έχουν παραμείνει ουσιαστικά αμετάβλητες μέχρι σήμερα. Ήταν αυτός που σημείωσε πρώτος τη σταθερότητα της αναλογίας των ημιτόνων των γωνιών πρόσπτωσης και ανάκλασης.

Η πρώτη δημοσίευση με τα υλικά της ανακάλυψης έγινε από Γάλλο επιστήμονα Ρενέ Ντεκάρτ. Την ίδια στιγμή, οι ειδικοί διαφωνούν, κάποιος πιστεύει ότι χρησιμοποίησε τα υλικά του Snell και κάποιος είναι σίγουρος ότι το ανακάλυψε ξανά ανεξάρτητα.

Διαβάστε επίσης

Αυτό που ονομάζεται διασπορά του φωτός

 

Ορισμός και τύπος του δείκτη διάθλασης

Οι προσπίπτουσες και διαθλούμενες ακτίνες, καθώς και η κάθετη που διέρχεται από την ένωση δύο μέσων, βρίσκονται εντός του ίδιου επιπέδου. Το ημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης σε σχέση με το ημίτονο της γωνίας διάθλασης είναι σταθερή τιμή. Έτσι ακούγεται ο ορισμός, ο οποίος μπορεί να διαφέρει στην παρουσίαση, αλλά το νόημα παραμένει πάντα το ίδιο. Η γραφική εξήγηση και ο τύπος φαίνονται στην παρακάτω εικόνα.

Η φόρμουλα είναι καθολική και κατάλληλη για διαφορετικά περιβάλλοντα.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι δείκτες οι διαθλάσεις δεν έχουν μονάδες. Κάποτε, όταν μελετούσαν τα φυσικά θεμέλια του υπό εξέταση φαινομένου, δύο επιστήμονες ταυτόχρονα - Κρίστιαν Χάιγκενς από την Ολλανδία και ο Πιερ ντε Φερμά από τη Γαλλία κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα. Σύμφωνα με αυτόν, το ημίτονο πρόσπτωσης και το ημίτονο διάθλασης είναι ίσα με την αναλογία των ταχυτήτων στα μέσα από τα οποία περνούν τα κύματα. Εάν το φως διασχίζει ένα μέσο γρηγορότερα από ένα άλλο, τότε είναι οπτικά λιγότερο πυκνό.

Παρεμπιπτόντως! Η ταχύτητα του φωτός στο κενό υψηλότερη από οποιαδήποτε άλλη ουσία.

Η φυσική έννοια του "νόμου του Snell"

Όταν το φως περνά από το κενό σε οποιαδήποτε άλλη ουσία, αναπόφευκτα αλληλεπιδρά με τα μόριά του. Όσο μεγαλύτερη είναι η οπτική πυκνότητα του μέσου, τόσο ισχυρότερη είναι η αλληλεπίδραση του φωτός με τα άτομα και τόσο μικρότερη είναι η ταχύτητα διάδοσής του, ενώ με την αύξηση της πυκνότητας αυξάνεται και ο δείκτης διάθλασης.

Η απόλυτη διάθλαση συμβολίζεται με το γράμμα n και σας επιτρέπει να κατανοήσετε πώς αλλάζει η ταχύτητα του φωτός όταν μετακινείται από το κενό σε οποιοδήποτε μέσο.

Σχετική διάθλαση (ν₂₁) δείχνει τις παραμέτρους της μεταβολής της ταχύτητας του φωτός κατά τη μετακίνηση από το ένα μέσο στο άλλο.

Το βίντεο εξηγεί τον νόμο από την 8η τάξη της φυσικής πολύ απλά με τη βοήθεια γραφικών και κινούμενων σχεδίων.

Πεδίο εφαρμογής του νόμου στην τεχνολογία

Έχει περάσει πολύς χρόνος από την ανακάλυψη του φαινομένου και την πρακτική έρευνα. Τα αποτελέσματα βοήθησαν στην ανάπτυξη και εφαρμογή μεγάλου αριθμού συσκευών που χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανίες, αξίζει να αναλυθούν τα πιο κοινά παραδείγματα:

1. Οφθαλμικός εξοπλισμός. Σας επιτρέπει να διεξάγετε ποικίλες μελέτες και να αναγνωρίζετε παθολογίες.
2. Συσκευή για τη μελέτη του στομάχου και των εσωτερικών οργάνων. Μπορείτε να έχετε καθαρή εικόνα χωρίς να εισάγετε κάμερα, κάτι που απλοποιεί και επιταχύνει πολύ τη διαδικασία.
3. Τα τηλεσκόπια και ο άλλος αστρονομικός εξοπλισμός, λόγω διάθλασης, καθιστούν δυνατή τη λήψη εικόνων που δεν είναι ορατές με γυμνό μάτι.
   Η διάθλαση του φωτός στους φακούς των τηλεσκοπίων καθιστά δυνατή τη συλλογή φωτός σε μια εστίαση, παρέχοντας έρευνα υψηλής ακρίβειας.
4. Τα κιάλια και παρόμοιες συσκευές λειτουργούν επίσης με βάση τις παραπάνω αρχές. Αυτό περιλαμβάνει επίσης μικροσκόπια.
5. Ο εξοπλισμός φωτογραφίας και βίντεο, ή μάλλον η οπτική του, χρησιμοποιεί τη διάθλαση του φωτός.
6. Γραμμές οπτικών ινών που μεταδίδουν μεγάλες ποσότητες πληροφοριών σε οποιαδήποτε απόσταση.

Μάθημα βίντεο: Συμπέρασμα σύμφωνα με το νόμο της διάθλασης του φωτός.

Η διάθλαση του φωτός είναι ένα φαινόμενο που οφείλεται στα χαρακτηριστικά των διαφορετικών μέσων. Μπορεί να παρατηρηθεί στο σημείο της σύνδεσής τους, η γωνία απόκλισης εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ των ουσιών. Αυτό το χαρακτηριστικό χρησιμοποιείται ευρέως στη σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία.