Typiska ljuseffekter som varje person ofta möter i vardagen är reflektion och brytning. I den här artikeln kommer vi att överväga fallet när båda effekterna manifesterar sig inom samma process, vi kommer att prata om fenomenet intern total reflektion.
Ljusreflektion
Innan du överväger fenomenet intern total reflektion av ljus bör du bekanta dig med effekterna av vanlig reflektion och refraktion. Låt oss börja med den första. För enkelhetens skull kommer vi bara att överväga ljus, även om dessa fenomen är karakteristiska för en våg av vilken karaktär som helst.
Reflektion förstås som en förändring av en rätlinjig bana, längs vilken en ljusstråle rör sig, till en annan rätlinjig bana, när den stöter på ett hinder på sin väg. Denna effekt kan observeras när en laserpekare riktas mot en spegel. Utseendet på bilder av himlen och träd när man tittar på vattenytan är också resultatet av reflektion av solljus.
Följande lag gäller för reflektion: vinklarinfall och reflektion ligger i samma plan tillsammans med vinkelrät mot den reflekterande ytan och är lika med varandra.
Ljusbrytning
Effekten av brytning liknar reflektion, bara den uppstår om hindret i ljusstrålens väg är ett annat transparent medium. I detta fall reflekteras en del av den initiala strålen från ytan och en del passerar in i det andra mediet. Denna sista del kallas brytningsstrålen, och vinkeln den gör med vinkelrät mot gränsytan kallas brytningsvinkeln. Den brutna strålen ligger i samma plan som den reflekterade och infallande strålen.
Starka exempel på brytning är brytandet av en penna i ett glas vatten eller det bedrägliga djupet i en sjö när en person tittar ner på dess botten.
Matematiskt beskrivs detta fenomen med hjälp av Snells lag. Motsvarande formel ser ut så här:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Här betecknas infalls- och brytningsvinklarna som θ1 respektive θ2. Kvantiteterna n1, n2 reflekterar ljusets hastighet i varje medium. De kallas medias brytningsindex. Ju större n, desto långsammare färdas ljuset i ett givet material. Till exempel i vatten är ljusets hastighet 25 % lägre än i luft, så för det är brytningsindexet 1,33 (för luft är det 1).
Fenomenet total intern reflektion
Ljusets brytningslag leder till enett intressant resultat när strålen fortplantar sig från ett medium med stort n. Låt oss överväga mer i detalj vad som kommer att hända med strålen i det här fallet. Låt oss skriva ut Snells formel:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Vi antar att n1>n2. I det här fallet, för att likheten ska förbli sann, måste θ1 vara mindre än θ2. Denna slutsats är alltid giltig, eftersom endast vinklar från 0o till 90o beaktas, inom vilka sinusfunktionen ständigt ökar. Således, när man lämnar ett tätare optiskt medium för ett mindre tätt medium (n1>n2), avviker strålen mer från det normala.
Låt oss nu öka vinkeln θ1. Som ett resultat kommer det ögonblick när θ2 kommer att vara lika med 90o. Ett häpnadsväckande fenomen inträffar: en stråle som sänds ut från ett tätare medium kommer att finnas kvar i det, det vill säga att gränssnittet mellan två transparenta material blir ogenomskinligt.
Kritisk vinkel
Vinkeln θ1, för vilken θ2=90o, kallas kritiskt för det övervägda mediaparet. Varje stråle som träffar gränsytan i en vinkel som är större än den kritiska vinkeln reflekteras fullständigt in i det första mediet. För den kritiska vinkeln θc kan man skriva ett uttryck som direkt följer av Snells formel:
sin (θc)=n2 / n1.
Ifdet andra mediet är luft, sedan förenklas denna likhet till formen:
sin (θc)=1 / n1.
Till exempel är den kritiska vinkeln för vatten:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Om du dyker till botten av poolen och tittar upp, kan du se himlen och molnen springa över den bara ovanför ditt eget huvud, på resten av vattenytan kommer bara poolens väggar att synas.
Från ovanstående resonemang är det tydligt att, till skillnad från brytning, är total reflektion inte ett reversibelt fenomen, det inträffar endast när man flyttar från ett tätare till ett mindre tätt medium, men inte vice versa.
Total reflektion i naturen och teknik
Den kanske vanligaste effekten i naturen, som är omöjlig utan total reflektion, är regnbågen. Regnbågens färger är resultatet av spridningen av vitt ljus i regndroppar. Men när strålarna passerar inuti dessa droppar upplever de antingen enkel eller dubbel inre reflektion. Det är därför regnbågen alltid ser dubbel ut.
Fenomenet intern totalreflektion används i fiberoptisk teknik. Tack vare optiska fibrer är det möjligt att överföra elektromagnetiska vågor utan förlust över långa avstånd.
