Koji je fizički smisao indeksa loma svjetlosti?

Svjetlost i zakoni njezine raspodjele u transparentnom okruženju zainteresirali su osobu još od antičkih vremena. U ovom članku razmatramo što je lom elektromagnetskih valova, koji je prvi formulirao odgovarajući zakon, i što je fizičko značenje indeksa loma.

Suština fenomena

Promjena smjera širenja svjetlosnog snopa pri prelasku iz jednog prozirnog medija u drugi naziva se refrakcija. Za postojanje ovog fenomena moraju se ispuniti sljedeća tri uvjeta:

1. Greda bi trebala pasti pod određenim nagibom prema ravnini odvajanja medija. Ako je kut između smjera kretanja zraka i interesne ravnine 0 ^o (paralelno) ili 90 ^o (okomito), tada neće doći do loma. Potrebno je povećati ili smanjiti nagib.
2. Dva medija trebaju biti prozirna za svjetlo. Inače, elektromagnetski val se jednostavno reflektira s površine.
3. Indeks loma medija mora biti različit. Što je fizičko značenje indeksa loma, raspravit ćemo kasnije u članku.

Primjeri loma u svakodnevnom životu i prirodi

Možda je najčešći primjer tog fizičkog fenomena razmatranje granice između zraka i vode. Dakle, svi su primijetili da se olovka smještena u čašu s tekućinom čini zakrivljenom. Drugi primjer: ako pogledate u bilo koju posudu s vodom na dnu, onda se čini da je dubina mnogo manja nego u stvarnosti.

Sljedeći značajan trenutak učinka refrakcije su mirazi, koji se mogu vidjeti ne samo u pustinjama, već iu bilo kojem mjestu u vrućem ljetnom danu. Kada je sunčevo sunce u blizini površine zemlje, slojevi atmosfere se snažno zagrijavaju u odnosu na više razine. Različita temperatura zraka dovodi do promjene u njegovoj gustoći i, kao posljedica, indeksa loma svjetlosti.

Kao rezultat toga, postoje uvjeti u kojima pokretni silazni zraci prolaze duž krivulje putanje i počinju se kretati odozdo prema gore. Jednom u očima promatrača, stvaraju se dojam da se nebo i krošnje stabala reflektiraju na površini zemlje. Mozak tumači taj učinak kao da ima lokve.

Još jedan manje primjetan, ali ne i manje važan primjer za ljude je višestruko lomljenje radiovalova u ionosferi našeg planeta. Zbog te činjenice, radio valovi mogu se proširiti na velike udaljenosti na Zemlji.

Zakoni refrakcije

Da bismo razumjeli što je fizičko značenje indeksa loma svjetlosti, nazovimo zakonima koji opisuju ovaj fenomen. Postoje dvije:

1. Greda koja se pojavljuje na granici dvaju medija, norma vraćena u ravninu granice u točki upada, i svjetlosni snop koji se prenosi na drugi medij leže u istoj ravnini.
2. Produkt sinusnog kuta upada i indeks loma medija u kojem se svjetlo širi je konstantna vrijednost.

Prvi od tih zakona sličan je onome u fenomenu refleksije. Štoviše, niti jedan incidentni zrak na sučelju ne prenosi cijelu svoju energiju na drugi medij tijekom fenomena koji se razmatra. Uvijek se reflektira dio energije. To ovisi o nizu čimbenika (valna duljina svjetlosti, svojstva medija i kut). Dakle, u ravnini s normalnom, postoje tri zrake: incidencija, lom i refleksija.

Opis drugog zakona je samo jedan od oblika. Druge formulacije će se uzeti u obzir kada se raspravlja o vrijednosti indeksa loma.

Što je indeks loma?

To je koeficijent proporcionalnosti između brzina širenja svjetlosti u vakuumu i mediju. U pravilu se označava slovom n i izračunava se pomoću formule:

n = c / v.

Ovdje je c brzina elektromagnetskih valova u vakuumu, v je ista, samo u stvarnom prozirnom mediju. Budući da je c> v uvijek, tada će indeks loma biti veći od jedan (n> 1).

Ako su kutovi upada i lom označeni simbolima θ ₁ i θ ₂ , a indeksi loma prvog i drugog medija zapisani su kao n ₁ i n ₂ , tada drugi zakon loma ima oblik:

sin (θ ₁ ) * n ₁ = sin (θ ₂ ) * n ₂ .

Ako zamjenimo izraz za n u ovoj jednakosti, tada imamo:

sin (θ ₁ ) / sin (θ ₂ ) = v ₁ / v ₂ .

Dobiveni izraz je još jedna formulacija drugog zakona refrakcije: omjer sinusa kutova upadanja i refrakcija je izravno proporcionalan omjeru brzina širenja valova u odgovarajućem mediju.

Što je fizičko značenje indeksa loma medija?

Sada možete jednostavno odgovoriti na ovo pitanje. Prema gornjoj definiciji, ova vrijednost pokazuje koliko je puta svjetlo u vakuumu brže nego u mediju. Na primjer, u zraku, n = 1.00029, tj. U atmosferi našeg planeta, svjetlo usporava u odnosu na raspodjelu u prostoru od samo stotinki postotka.

Drugi primjer: indeks n za dijamant je 2,43. U dijamantu, svjetlo se kreće 2,43 puta sporije nego u vakuumu.

Nakon što smo shvatili što je fizičko značenje indeksa loma (apsolutna brzina svjetlosti u mediju postaje manja), znatiželjno je razumjeti zašto se smanjuje.

Činjenica je da se medij sastoji od čestica materije (atoma, molekula) koje apsorbiraju i ponovno zrače elektromagnetske valove koji se kreću kroz njih. Ovi fizički procesi imaju neka karakteristična vremena, tako da postoji kašnjenje u brzini svjetlosti.

Razlog loma valova

Pitanja, što je fizičko značenje indeksa loma svjetlosti i zašto se događa refrakcija, međusobno su povezana. Razlog za ovaj fenomen je upravo razlika u brzinama u različitim okruženjima. Postoji nekoliko načina da se to objasni:

• Koristeći načelo Huygens-Fresnel. Ona se sastoji u tome da svaka točka medija kroz koju prolazi val postaje novi izvor. Stvara sferne valove, čiji skup površina određuje sljedeći valni front.
• Koristeći načelo farme. Duljinu putanje povezuje s vremenom kretanja vala. Osobito, svjetlo bira takvu stazu između dvije točke u prostoru, koje može putovati u najkraćem vremenu.
• Koristeći Feynmanovu analogiju. Recimo da je spasitelj vidio utopljenika u moru. Kakve će biti njegove akcije? Prvo će proći plažom do određenog mjesta, a onda će potrčati u vodu i plivati ​​kako bi spasio čovjeka. Putanja spasitelja slična je putanji za svjetlo. Plaža i more su dva okruženja s različitim vrijednostima n.

Povijesna pozadina

Trenutno, drugi zakon loma vala, formuliran na dva načina, obično se naziva Snellov ili Snellov zakon, u čast nizozemskog fizičara s početka 17. stoljeća, koji ga je otkrio.

Međutim, šest stoljeća prije toga, to jest oko kraja 10. stoljeća, zakon loma u modernom matematičkom obliku već je bio poznat Arapima. Vjeruje se da ju je perzijski matematičar Ibn Sahl najprije formulirao i primijenio u analizi tijeka svjetlosnih zraka u lećama. Dakle, razmatrani fenomen su otkrili i opisali znanstvenici iz antike.