Imaginile din lentile, funcționarea instrumentelor precum microscoape și telescoape, fenomenul curcubeului și percepția înșelătoare a adâncimii unui corp de apă sunt toate exemple ale fenomenului de refracție a luminii. Legile care descriu acest fenomen sunt discutate în acest articol.
Fenomenul refracției
Înainte de a lua în considerare legile refracției luminii în fizică, să ne familiarizăm cu esența fenomenului în sine.
După cum știți, dacă mediul este omogen în toate punctele spațiului, atunci lumina se va deplasa în el pe o cale dreaptă. Refracția acestei căi are loc atunci când un fascicul de lumină traversează la un unghi interfața dintre două materiale transparente, cum ar fi sticla și apa sau aerul și sticla. Trecând într-un alt mediu omogen, lumina se va deplasa și ea în linie dreaptă, dar va fi deja îndreptată într-un anumit unghi față de traiectoria sa în primul mediu. Acesta este fenomenul de refracție a fasciculului de lumină.
Videoclipul de mai jos demonstrează fenomenul de refracție folosind sticla ca exemplu.
Punctul important aici este unghiul de incidență peplanul de interfață. Valoarea acestui unghi determină dacă se va observa sau nu fenomenul de refracție. Dacă fasciculul cade perpendicular pe suprafață, atunci, după ce a trecut în al doilea mediu, se va mișca în continuare pe aceeași linie dreaptă. Al doilea caz, când refracția nu va avea loc, sunt unghiurile de incidență ale unui fascicul care trec de la un mediu optic mai dens la unul mai puțin dens, care sunt mai mari decât o anumită valoare critică. În acest caz, energia luminii va fi complet reflectată înapoi în primul mediu. Ultimul efect este discutat mai jos.
Prima lege a refracției
Se poate numi și legea a trei drepte într-un singur plan. Să presupunem că există un fascicul de lumină A care cade pe interfața dintre două materiale transparente. În punctul O, fasciculul este refractat și începe să se deplaseze de-a lungul dreptei B, care nu este o continuare a lui A. Dacă restabilim perpendiculara N pe planul de separare la punctul O, atunci legea 1 pentru fenomenul de refracția poate fi formulată după cum urmează: fasciculul incident A, normalul N și fasciculul refractat B se află în același plan, care este perpendicular pe planul interfeței.
Această lege simplă nu este evidentă. Formularea sa este rezultatul unei generalizări a datelor experimentale. Din punct de vedere matematic, poate fi derivat folosind așa-numitul principiu Fermat sau principiul timpului minim.
A doua lege a refracției
Profesorii de fizică din școală le dau adesea elevilor următoarea sarcină: „Formulează legile refracției luminii”. Am luat în considerare unul dintre ele, acum să trecem la al doilea.
Notați unghiul dintre raza A și perpendiculara N ca θ1, unghiul dintre raza B și N se va numi θ2. De asemenea, luăm în considerare faptul că viteza fasciculului A în mediu 1 este v1, viteza fasciculului B în mediu 2 este v2. Acum putem da o formulare matematică a legii a 2-a pentru fenomenul luat în considerare:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Această formulă a fost obținută de olandezul Snell la începutul secolului al XVII-lea și acum îi poartă numele de familie.
Din expresia rezultă o concluzie importantă: cu cât viteza de propagare a luminii în mediu este mai mare, cu atât fasciculul va fi mai departe de normal (cu atât sinusul unghiului este mai mare).
Conceptul indicelui de refracție al mediului
Formula Snell de mai sus este scrisă în prezent într-o formă ușor diferită, ceea ce este mai convenabil de utilizat atunci când rezolvați probleme practice. Într-adevăr, viteza v a luminii în materie, deși mai mică decât cea în vid, este totuși o valoare mare cu care este greu de lucrat. Prin urmare, în fizică a fost introdusă o valoare relativă, a cărei egalitate este prezentată mai jos:
n=c/v.
Aici c este viteza fasciculului în vid. Valoarea lui n arată de câte ori valoarea lui c este mai mare decât valoarea lui v în material. Se numește indicele de refracție al acestui material.
Ținând cont de valoarea introdusă, formula legii refracției luminii se va rescrie în următoarea formă:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Material având o valoare mare de n,numit dens optic. Trecând prin el, lumina își încetinește viteza de n ori în comparație cu aceeași valoare pentru spațiul fără aer.
Această formulă arată că fasciculul va fi mai aproape de normal în mediul care este mai dens optic.
De exemplu, observăm că indicele de refracție pentru aer este aproape egal cu unu (1, 00029). Pentru apă, valoarea acesteia este 1,33.
Reflexie totală într-un mediu dens optic
Să facem următorul experiment: să începem un fascicul de lumină din coloana de apă spre suprafața acesteia. Deoarece apa este optic mai densă decât aerul (1, 33>1, 00029), unghiul de incidență θ1 va fi mai mic decât unghiul de refracție θ2. Acum, vom crește treptat θ1, respectiv, θ2 va crește, de asemenea, în timp ce inegalitatea θ1<θ2 rămâne întotdeauna adevărat.
Va veni un moment în care θ1<90o și θ2=90 o. Acest unghi θ1 este numit critic pentru o pereche de medii apă-aer. Orice unghi de incidență mai mare decât acesta nu va duce la trecerea nicio parte a fasciculului prin interfața apă-aer într-un mediu mai puțin dens. Întreaga rază de la graniță va experimenta o reflexie totală.
Calculul unghiului critic de incidență θc se realizează cu formula:
θc=arcsin(n2/n1).
Pentru apă media șiaer este 48, 77o.
Rețineți că acest fenomen nu este reversibil, adică atunci când lumina trece din aer în apă, nu există un unghi critic.
Fenomenul descris este folosit în operarea fibrelor optice, iar împreună cu dispersia luminii este cauza apariției curcubeelor primare și secundare în timpul ploii.
