Који је физички смисао индекса лома светлости?

Светлост и закони њене дистрибуције у транспарентном окружењу заинтересовали су особу још од античких времена. У овом чланку разматрамо шта је преламање електромагнетних таласа, који су прво формулисали одговарајући закон, и шта је физичко значење индекса преламања.

Суштина феномена

Промена правца ширења светлосног снопа при преласку из једног прозирног медија у други зове се рефракција. За постојање овог феномена, морају се испунити следећа три услова:

1. Греда треба да падне под одређеним нагибом према равни раздвајања медија. Ако је угао између правца кретања греде и интересне равни 0 ^о (паралелно) или 90 ^о (окомито), онда се неће догодити рефракција. Потребно је повећати или смањити нагиб.
2. Два медија треба да буду транспарентна за светло. У супротном, електромагнетни талас се једноставно рефлектује са површине.
3. Индекс преламања медија мора бити различит. Који је физички смисао индекса преламања, биће објашњено касније у чланку.

Примери преламања у свакодневном животу и природи

Можда је најчешћи примјер овог физичког феномена разматрање границе између зрака и воде. Дакле, сви су приметили да се оловка која се налази у чаши са течношћу чини закривљеном. Други пример: ако погледате у било који суд са водом на дну, онда се чини да је дубина много мања него у стварности.

Следећи значајан моменат ефекта рефракције су мирже, које се могу видети не само у пустињама, већ иу било ком локалитету у врелом летњем дану. Када је сунчево сунце у близини површине земље, слојеви атмосфере се снажно загревају у односу на више нивое. Различита температура ваздуха доводи до промене густине и, као последица, рефракцијских индекса светлости.

Као резултат, постоје услови у којима се покретни силазни зраци пролазе дуж кривине трајекторије и почињу да се крећу од дна према горе. Једном у оку посматрача, стварају се утисак да се небо и круне дрвећа рефлектују на површини земље. Мозак интерпретира овај ефекат као да има локве.

Још један мање приметан, али не и мање важан пример за људе је вишеструко преламање радио-таласа у јоносфери наше планете. Због ове чињенице, радио таласи се могу проширити на велике удаљености на Земљи.

Закони рефракције

Да бисмо разумели шта је физичко значење индекса преламања светлости, назовимо законе који описују овај феномен. Постоје два:

1. Сноп на граници два медија, норма враћена у раван границе у тачки упадања, и светлосни сноп који се преноси на други медиј лежи у истој равни.
2. Продукт синуса угла упада и индекс преламања медија у коме се светлост шири је константна вредност.

Први од ових закона сличан је феномену рефлексије. Штавише, ни један инцидентни зрак на интерфејсу не преноси своју целокупну енергију на други медиј током разматране феномене. Увек се рефлектује део енергије. То зависи од низа фактора (таласне дужине светлости, својстава медија и угла). Дакле, у равни са нормалним, постоје три зрака: инциденција, рефракција и рефлексија.

Опис другог закона је само један од облика. Друге формулације ће се узети у обзир када се разматра вредност индекса преламања.

Шта је индекс рефракције?

То је коефицијент пропорционалности између брзина ширења свјетлости у вакууму и медију. У правилу се означава словом н, а израчунава се по формули:

н = ц / в.

Овде је ц брзина електромагнетских таласа у вакууму, в је иста, само у реалном прозирном медију. Пошто је ц> в увек, онда ће индекс рефракције бити већи од један (н> 1).

Ако су углови упадања и преламања означени симболима θ ₁ и θ ₂ , а индекси преламања првог и другог медија се пишу као н ₁ и н ₂ , тада ће други закон рефракције имати облик:

син (θ ₁ ) * н ₁ = син (θ ₂ ) * н ₂ .

Ако заменимо израз за н у овој једнакости, онда имамо:

син (θ ₁ ) / син (θ ₂ ) = в ₁ / в ₂ .

Добијени израз је друга формулација другог закона рефракције: однос синуса углова упадања и рефракција је директно пропорционалан односу брзина пропагације таласа у одговарајућем медију.

Који је физички смисао индекса преламања медија?

Сада можете лако одговорити на ово питање. Према горе наведеној дефиницији, ова вриједност показује колико је пута свјетло у вакууму брже него у медију. На пример, у ваздуху, н = 1.00029, тј. У атмосфери наше планете, светлост се успорава у поређењу са дистрибуцијом у простору од само стотинке процента.

Други пример: индекс н за дијамант је 2.43. У дијаманту, светло се креће 2,43 пута спорије него у вакууму.

Схвативши шта је физичко значење индекса преламања (апсолутна брзина светлости у медију постаје мања), знатижељно је разумети зашто се смањује.

Чињеница је да се медиј састоји од честица материје (атома, молекула), које апсорбују и поново зраче електромагнетске валове који се крећу кроз њих. Ови физички процеси имају нека карактеристична времена, тако да постоји кашњење брзине светлости.

Разлог за преламање таласа

Питања о физичком значењу индекса лома светлости и зашто се јавља рефракција су међусобно повезана. Разлог за овај феномен је управо разлика у брзинама у различитим окружењима. Постоји неколико начина да се ово објасни:

• Користећи принцип Хуигенс-Фреснел. Она се састоји у томе да свака тачка медијума кроз који пролази вал постаје нови извор. Ствара сферне таласе, чији скуп површина одређује каснији фронт таласа.
• Користећи принцип фарме. Он повезује дужину путање са временом кретања таласа. Посебно, светло бира такву путању између две тачке у простору, које може да путује у најкраћем времену.
• Користећи Феинманову аналогију. Рецимо да је спасилац видио утопљеника у мору. Какве ће бити његове акције? Прво ће проћи плажом до одређеног мјеста, а онда ће отрчати у воду и пливати да спаси човјека. Путања спасиоца је слична путањи за светло. Плажа и море су два окружења с различитим вриједностима н.

Хисторицал бацкгроунд

Тренутно, други закон преламања таласа, формулисан на два начина, обично се назива Снеллов или Снеллов закон, у част холандског физичара из раног 17. века, који га је открио.

Међутим, шест векова пре тога, тј. Отприлике крајем 10. века наше ере, закон преламања у свом модерном математичком облику већ је био познат Арапима. Верује се да ју је перзијски математичар Ибн Сахл прво формулисао и применио у анализи правца светлосних зрака у сочивима. Дакле, разматрани феномен откривени су и описани од стране научника антике.