Fenomenet brytning. Luftens brytningsindex

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 17:56

Optik är en av fysikens äldsta grenar. Sedan antikens Grekland har många filosofer varit intresserade av lagarna för rörelse och ljusets utbredning i olika genomskinliga material som vatten, glas, diamant och luft. Den här artikeln diskuterar fenomenet ljusbrytning, med fokus på luftens brytningsindex.

Effekten av ljusstrålens brytning

Alla i hans liv mötte hundratals gånger med manifestationen av denna effekt när han tittade på botten av en reservoar eller på ett glas vatten med något föremål placerat i det. Samtidigt verkade reservoaren inte så djup som den egentligen var, och föremål i ett glas vatten såg deformerade eller trasiga ut.

Fenomenet brytning av en ljusstråle är ett brott i dess rätlinjiga bana när den korsar gränsytan mellan två transparenta material. För att sammanfatta ett stort antal experimentella data, fick holländaren Willebrord Snell i början av 1600-talet ett matematiskt uttryck,som exakt beskrev detta fenomen. Detta uttryck skrivs vanligtvis i följande form:

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ) ₂)=konst.

Här n₁, n₂ är ljusets absoluta brytningsindex i motsvarande material, θ_{1och θ}2 _{- vinklarna mellan infallande och brutna strålar och vinkelrät mot gränssnittsplanet, som dras genom skärningspunkten mellan strålen och detta plan.}

Denna formel kallas Snells eller Snell-Descartes lag (det var fransmannen som skrev ner den i den presenterade formen, medan holländaren inte använde sinus, utan längdenheter).

Förutom denna formel beskrivs brytningsfenomenet av en annan lag, som är geometrisk till sin natur. Det ligger i det faktum att de markerade vinkelräta mot planet och två strålar (bryts och infallande) ligger i samma plan.

Absolut brytningsindex

Detta värde ingår i Snell-formeln och dess värde spelar en viktig roll. Matematiskt motsvarar brytningsindex n formeln:

n=c/v.

Symbolen c är hastigheten för elektromagnetiska vågor i vakuum. Det är ungefär 310⁸m/s. Värdet v är ljusets hastighet i mediet. Sålunda reflekterar brytningsindex mängden av långsammare ljus i ett medium med avseende på luftlöst utrymme.

Det finns två viktiga implikationer från formeln ovan:

• värde n är alltid större än 1 (för vakuum är det lika med ett);
• det här är en dimensionslös mängd.

Till exempel är luftens brytningsindex 1,00029, medan det för vatten är 1,33.

Brytningsindex är inte ett konstant värde för ett visst medium. Det beror på temperaturen. Dessutom, för varje frekvens av en elektromagnetisk våg har den sin egen betydelse. Så ovanstående siffror motsvarar en temperatur på 20 ^oC och den gula delen av det synliga spektrumet (våglängden är cirka 580-590 nm).

Beroendet av värdet på n av ljusets frekvens manifesteras i sönderdelningen av vitt ljus av ett prisma till ett antal färger, såväl som i bildandet av en regnbåge på himlen under kraftigt regn.

Ljusets brytningsindex i luft

Dess värde har redan angivits ovan (1 00029). Eftersom luftens brytningsindex endast skiljer sig på fjärde decimalen från noll, kan det för att lösa praktiska problem anses vara lika med ett. En liten skillnad på n för luft från enhet indikerar att ljus praktiskt taget inte bromsas av luftmolekyler, vilket är förknippat med dess relativt låga densitet. Så den genomsnittliga densiteten för luft är 1,225 kg/m³, det vill säga den är mer än 800 gånger lättare än sötvatten.

Air är ett optiskt tunt medium. Själva processen att sakta ner ljusets hastighet i ett material är av kvantnatur och är förknippad med handlingar av absorption och emission av fotoner från materiens atomer.

Förändringar i luftens sammansättning (till exempel en ökning av innehållet av vattenånga i den) och förändringar i temperatur leder till betydande förändringar i indikatornrefraktion. Ett slående exempel är hägringeffekten i öknen, som uppstår på grund av skillnaden i brytningsindex för luftlager med olika temperaturer.

Glas-luft-gränssnitt

Glas är ett mycket tätare medium än luft. Dess absoluta brytningsindex varierar från 1,5 till 1,66, beroende på typen av glas. Om vi tar medelvärdet på 1,55 kan strålens brytning vid luft-glasgränssnittet beräknas med formeln:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

Värdet n₂₁ kallas det relativa brytningsindexet för luft - glas. Om strålen går ut ur glaset till luften ska följande formel användas:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Om vinkeln för den brutna strålen i det senare fallet kommer att vara lika med 90^o, så kallas infallsvinkeln som motsvarar den kritisk. För kantglaset - luft är det:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Om strålen faller på glas-luft-gränsen med större vinklar än 40, 17^o, kommer den att reflekteras helt tillbaka in i glaset. Detta fenomen kallas "total intern reflektion".

Den kritiska vinkeln existerar endast när strålen rör sig från ett tätt medium (från glas till luft, men inte vice versa).