Jakie jest fizyczne znaczenie wskaźnika załamania światła?

Światło i prawa jego dystrybucji w przejrzystych środowiskach interesowały człowieka od czasów starożytnych. W tym artykule rozważamy, czym jest załamanie fal elektromagnetycznych, kto pierwszy sformułował odpowiednie prawo i jakie jest fizyczne znaczenie współczynnika załamania.

Esencja tego zjawiska

Zmiana kierunku propagacji wiązki światła przechodzącej z jednego przezroczystego medium na drugie nazywa się refrakcją. W celu stwierdzenia istnienia tego zjawiska muszą być spełnione następujące trzy warunki:

1. Belka powinna znajdować się pod pewnym nachyleniem do płaszczyzny interfejsu nośnika. Jeżeli kąt między kierunkiem ruchu wiązki a płaszczyzną będącą przedmiotem zainteresowania wynosi 0 ^o (równoległy) lub 90 ^o (prostopadły), to nie nastąpi załamanie. Konieczne jest zwiększenie lub zmniejszenie nachylenia.
2. Dwa media powinny być przezroczyste dla światła. W przeciwnym razie fala elektromagnetyczna jest po prostu odbijana od powierzchni.
3. Współczynnik załamania światła ośrodka musi być inny. Jakie jest fizyczne znaczenie współczynnika załamania światła, zostanie omówione w dalszej części artykułu.

Przykłady załamania w życiu codziennym i przyrodzie

Być może najczęstszym przykładem tego zjawiska fizycznego byłoby rozważenie granicy między powietrzem a wodą. Tak więc wszyscy zauważyli, że ołówek umieszczony w szklance z płynem wydaje się być zakrzywiony. Inny przykład: jeśli spojrzysz na dno naczynia z wodą, to głębokość wydaje się być znacznie mniejsza niż w rzeczywistości.

Następnym znaczącym momentem efektu załamania są miragi, które można zobaczyć nie tylko na pustyniach, ale także w każdej miejscowości w upalny letni dzień. Kiedy upalne słońce przylega do powierzchni ziemi, warstwy atmosfery są silnie nagrzane w stosunku do wyższych poziomów. Różna temperatura powietrza prowadzi do zmiany jego gęstości, aw konsekwencji do współczynników załamania światła.

W rezultacie istnieją warunki, w których ruchome promienie skierowane w dół przechodzą wzdłuż krzywej trajektorii i zaczynają poruszać się od dołu do góry. Raz w oko obserwatora stwarzają wrażenie, że niebo i korony drzew odbijają się na powierzchni ziemi. Mózg interpretuje ten efekt jako posiadający kałuże.

Innym mniej zauważalnym, ale nie mniej ważnym przykładem dla ludzi jest wielokrotne załamanie fal radiowych w jonosferze naszej planety. Z tego powodu fale radiowe mogą rozprzestrzeniać się na ogromne odległości na Ziemi.

Prawa załamania

Aby zrozumieć, jakie jest fizyczne znaczenie współczynnika załamania światła, nazwijmy prawa opisujące to zjawisko. Są dwa z nich:

1. Padająca wiązka na granicy dwóch mediów, normalna przywrócona do płaszczyzny granicy w punkcie padania i wiązka światła transmitowana do drugiego medium leżą w tej samej płaszczyźnie.
2. Iloczyn sinusa kąta padania i współczynnika załamania światła ośrodka, w którym rozchodzi się światło, jest wartością stałą.

Pierwsze z tych praw jest podobne do zjawiska refleksji. Co więcej, żadna pojedyncza wiązka padająca na interfejsie nie przenosi całej swojej energii do drugiego ośrodka podczas rozpatrywanego zjawiska. Zawsze część energii jest odbijana. Zależy od wielu czynników (długość fali światła, właściwości mediów i kąt). Tak więc, w płaszczyźnie z normalnym, istnieją trzy promienie: występowanie, załamanie i odbicie.

Opis drugiego prawa jest tylko jedną z form. Inne preparaty będą brane pod uwagę przy omawianiu wartości współczynnika załamania światła.

Co to jest współczynnik załamania światła?

Jest to współczynnik proporcjonalności między prędkościami propagacji światła w próżni i medium. Zasadniczo jest to oznaczone literą n i jest obliczane według wzoru:

n = c / v.

Tutaj c jest prędkością fal elektromagnetycznych w próżni, v jest taka sama, tylko w rzeczywistym przezroczystym medium. Ponieważ c> v jest zawsze, wtedy współczynnik załamania będzie większy niż jeden (n> 1).

Jeżeli kąty padania i załamania są oznaczone symbolami θ ₁ i θ ₂ , a współczynniki załamania dla 1. i 2. nośnika są zapisywane odpowiednio jako n ₁ i n ₂ , wówczas drugie prawo załamania przyjmuje postać:

sin (θ ₁ ) * n ₁ = sin (θ ₂ ) * n ₂ .

Jeśli zastąpimy wyrażenie dla nw tej równości, mamy:

sin (θ ₁ ) / sin (θ ₂ ) = v ₁ / v ₂ .

Powstała w ten sposób ekspresja jest kolejnym sformułowaniem 2. zasady refrakcji: stosunek sinusoidalny kątów padania i załamania jest wprost proporcjonalny do stosunku prędkości propagacji fal w odpowiednich mediach.

Jakie jest fizyczne znaczenie współczynnika refrakcji ośrodka?

Teraz możesz łatwo odpowiedzieć na to pytanie. Zgodnie z powyższą definicją ta wartość pokazuje, ile razy światło w próżni jest szybsze niż w medium. Na przykład w powietrzu, n = 1.00029, czyli w atmosferze naszej planety, światło zwalnia w porównaniu z rozkładem w przestrzeni tylko o jedną setną procenta.

Inny przykład: indeks n dla diamentu wynosi 2,43. W diamentach światło porusza się 2,43 razy wolniej niż w próżni.

Po zrozumieniu, jakie jest fizyczne znaczenie współczynnika załamania światła (absolutna prędkość światła zmniejsza się w medium), zastanawia się, dlaczego się zmniejsza.

Faktem jest, że ośrodek składa się z cząstek materii (atomów, cząsteczek), które pochłaniają i re-promieniują fale elektromagnetyczne przechodzące przez nie. Te fizyczne procesy mają pewne charakterystyczne czasy, więc występuje opóźnienie w prędkości światła.

Powód załamania fal

Pytania dotyczące fizycznego znaczenia wskaźnika załamania światła i tego, dlaczego występuje załamanie światła, są ze sobą powiązane. Przyczyną tego zjawiska jest właśnie różnica prędkości w różnych środowiskach. Istnieje kilka sposobów na wyjaśnienie tego:

• Korzystanie z zasady Huygens-Fresnel. Polega ona na tym, że każdy punkt ośrodka, przez który przechodzi fala, staje się nowym źródłem. Tworzy fale sferyczne, których zestaw powierzchni określa kolejny front fali.
• Korzystanie z zasady Farmy. Kojarzy długość trajektorii z czasem ruchu fali. W szczególności światło wybiera taką drogę między dwoma punktami w przestrzeni, którą może podróżować w najkrótszym czasie.
• Korzystanie z analogii Feynmana. Powiedzmy, że ratownik zobaczył tonącego człowieka w morzu. Jakie będą jego działania? Najpierw pobiegnie wzdłuż plaży do określonego miejsca, a następnie wpadnie do wody i popłynie, by uratować człowieka. Trajektoria ratownika jest podobna do trajektorii światła. Plaża i morze to dwa środowiska o różnych wartościach n.

Tło historyczne

Obecnie druga zasada refrakcji fal, sformułowana powyżej na dwa sposoby, jest zwykle nazywana prawem Snella lub Snella, na cześć holenderskiego fizyka z początku XVII wieku, który ją odkrył.

Jednak sześć stuleci wcześniej, czyli mniej więcej pod koniec X wne, prawo refrakcji we współczesnej formie matematycznej było już znane Arabom. Uważa się, że perski matematyk Ibn Sahl po raz pierwszy sformułował go i zastosował w analizie przebiegu promieni świetlnych w soczewkach. Tak więc, rozpatrywane zjawisko zostało odkryte i opisane przez starożytnych naukowców.