Преломление

Луч света преломляется в пластиковом блоке.

В физике , преломление является изменение в направлении волны , проходящей от одной среды к другому или от постепенного изменения в среде. ^[1] Преломление света - наиболее часто наблюдаемое явление, но другие волны, такие как звуковые волны и волны на воде, также испытывают преломление. Степень преломления волны определяется изменением скорости волны и начальным направлением распространения волны относительно направления изменения скорости.

Для света преломление следует закону Снеллиуса , который гласит, что для данной пары сред отношение синусов угла падения θ ₁ и угла преломления θ ₂ равно отношению фазовых скоростей ( v ₁ / v ₂ ) в двух средах или, что то же самое, с показателями преломления ( n ₂ / n ₁ ) двух сред. ^[2]

${\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$

Преломление света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления, где n ₂ > n ₁ . Поскольку фазовая скорость ниже во второй среде (v ₂ <v ₁ ), угол преломления θ ₂ меньше угла падения θ ₁ ; то есть луч в среде с более высоким показателем преломления ближе к нормальному.

Оптические призмы и линзы используют преломление для перенаправления света, как и человеческий глаз . Показатель преломления материалов зависит от длины волны света ^[3], и, следовательно, угол преломления также изменяется соответственно. Это называется дисперсией и заставляет призмы и радуги разделять белый свет на составляющие его спектральные цвета . ^[4]

Свет

Ручка, частично погруженная в таз с водой, кажется искривленной из-за преломления на поверхности воды.

Преломление света можно увидеть во многих местах нашей повседневной жизни. Это заставляет объекты под водой казаться ближе, чем они есть на самом деле. Это то, на чем основаны оптические линзы , позволяющие использовать такие инструменты, как очки , фотоаппараты , бинокли , микроскопы и человеческий глаз . Преломление также отвечает за некоторые естественные оптические явления, включая радуги и миражи .

Общее объяснение

Правильное объяснение преломления состоит из двух отдельных частей, каждая из которых является результатом волновой природы света.

1. Свет замедляется, поскольку он проходит через среду, отличную от вакуума (например, воздух, стекло или воду). Это не из-за рассеяния или поглощения. Скорее это потому, что, как электромагнитное колебание , сам свет заставляет колебаться другие электрически заряженные частицы, такие как электроны . Колеблющиеся электроны излучают собственные электромагнитные волны, которые взаимодействуют с исходным светом. Результирующая "комбинированная" волна имеет волновые пакеты, которые проходят через наблюдателя с меньшей скоростью. Свет эффективно замедлился. Когда свет возвращается в вакуум и поблизости нет электронов, этот эффект замедления заканчивается, и его скорость возвращается к c .
2. Когда свет входит, выходит или изменяет среду, в которой он распространяется, под углом одна или другая сторона волнового фронта замедляется раньше другой. Это асимметричное замедление света заставляет его изменять угол своего движения. Как только свет попадает в новую среду с постоянными свойствами, он снова движется по прямой линии.

Объяснение замедления света в среде

Как описано выше, скорость света меньше в среде, отличной от вакуума. Это замедление применимо к любой среде, такой как воздух, вода или стекло, и отвечает за такие явления, как рефракция. Когда свет покидает среду и возвращается в вакуум, игнорируя любые эффекты гравитации , его скорость возвращается к обычной скорости света в вакууме c .

Общие объяснения этого замедления, основанные на идее рассеяния света атомами, его поглощения и повторного испускания, неверны. Подобные объяснения могут вызвать эффект «размытия» в результирующем свете, поскольку он больше не будет двигаться только в одном направлении. Но в природе такого эффекта не наблюдается.

Более правильное объяснение основывается на природе света как электромагнитной волны . ^[5] Поскольку свет представляет собой колеблющуюся электрическую / магнитную волну, свет, распространяющийся в среде, заставляет электрически заряженные электроны материала также колебаться. ( Протоны материала также колеблются, но поскольку они примерно в 2000 раз массивнее, их движение и, следовательно, их влияние намного меньше). Движущийся электрический заряд излучает собственные электромагнитные волны. Электромагнитные волны, излучаемые колеблющимися электронами, взаимодействуют с электромагнитными волнами, из которых состоит исходный свет, подобно волнам воды в пруду, процесс, известный как конструктивная интерференция.. Когда две волны интерферируют таким образом, результирующая "комбинированная" волна может иметь волновые пакеты, которые проходят через наблюдателя с меньшей скоростью. Свет эффективно замедлился. Когда свет покидает материал, этого взаимодействия с электронами больше не происходит, и, следовательно, скорость волнового пакета (и, следовательно, его скорость) возвращается к норме.

Объяснение отклонения света, когда он входит в среду и выходит из нее.

Представьте себе волну, переходящую от одного материала к другому, где ее скорость ниже, как на рисунке. Если волна достигнет границы раздела между материалами под углом, одна сторона волны первой достигнет второго материала и, следовательно, замедлится раньше. Когда одна сторона волны движется медленнее, вся волна будет разворачиваться в эту сторону. Вот почему волна будет отклоняться от поверхности или к нормали при входе в более медленный материал. В противоположном случае, когда волна достигает материала с более высокой скоростью, одна сторона волны ускоряется, и волна отклоняется от этой стороны.

Другой способ понять то же самое - рассмотреть изменение длины волны на границе раздела. Когда волна переходит от одного материала к другому, где волна имеет другую скорость v , частота f волны останется той же, но расстояние между фронтами волны или длина волны λ = v / f изменится. Если скорость уменьшится, как показано на рисунке справа, длина волны также уменьшится. При наличии угла между волновыми фронтами и границей раздела и изменении расстояния между волновыми фронтами угол должен изменяться по поверхности раздела, чтобы волновые фронты оставались нетронутыми. Исходя из этих соображений, соотношение между углом падения θ ₁ , угол передачи θ ₂ и волновые скорости v ₁ и v ₂ в двух материалах могут быть получены. Это закон преломления или закон Снеллиуса, который можно записать как ^[6]

${\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}}$.

Явление преломления может быть получено более фундаментальным образом из двумерного или трехмерного волнового уравнения . Граничное условие на границе раздела потребует, чтобы тангенциальная составляющая волнового вектора была идентична на двух сторонах границы раздела. ^[7] Поскольку величина волнового вектора зависит от скорости волны, это требует изменения направления волнового вектора.

Соответствующая скорость волны в обсуждении выше - это фазовая скорость волны. Обычно это близко к групповой скорости, которую можно рассматривать как более точную скорость волны, но когда они различаются, важно использовать фазовую скорость во всех расчетах, связанных с рефракцией.

Волна, движущаяся перпендикулярно границе, т.е. имеющая свои волновые фронты, параллельные границе, не изменит направление, даже если скорость волны изменится.

Закон преломления

Для света чаще используется показатель преломления материала n, чем фазовая скорость волны v в материале. Однако они напрямую связаны через скорость света в вакууме c следующим образом:

${\displaystyle n={\frac {c}{v}}}$.

В оптике , следовательно, закон преломления , как правило , записывается в виде

${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}}$.

Преломление на водной поверхности

Преломление возникает, когда свет проходит через поверхность воды, поскольку вода имеет показатель преломления 1,33, а воздух - около 1. Глядя на прямой объект, например карандаш на рисунке, который расположен под наклоном, частично в воде объект кажется изгибающимся у поверхности воды. Это происходит из-за искривления световых лучей при переходе от воды к воздуху. Как только лучи достигают глаза, глаз прослеживает их обратно в виде прямых линий (линий взгляда). Линии обзора (показаны пунктирными линиями) пересекаются в более высоком месте, чем то место, где исходят настоящие лучи. В результате карандаш будет казаться выше, а вода - более мелкой, чем есть на самом деле.

Глубина, на которой вода выглядит, если смотреть сверху, называется кажущейся глубиной . Это важное соображение при подводной охоте с поверхности, потому что при этом будет казаться, что целевая рыба находится в другом месте, и рыбак должен прицелиться ниже, чтобы поймать рыбу. И наоборот, объект над водой имеет большую видимую высоту, если смотреть снизу. Противоположная поправка должна быть сделана рыбой-лучником . ^[8]

Для малых углов падения (измеренных от нормали, когда sin θ примерно такой же, как tan θ), отношение видимой глубины к реальной является отношением показателей преломления воздуха к показателям преломления воды. Но когда угол падения приближается к 90 ^o , видимая глубина приближается к нулю, хотя отражение увеличивается, что ограничивает наблюдение при больших углах падения. И наоборот, кажущаяся высота приближается к бесконечности по мере увеличения угла падения (снизу), но даже раньше, по мере приближения к углу полного внутреннего отражения , хотя изображение также исчезает из поля зрения по мере приближения к этому пределу.

Дисперсия

Преломление также отвечает за образование радуги и за разделение белого света на спектр радуги, когда он проходит через стеклянную призму . Стекло имеет более высокий показатель преломления, чем воздух. Когда луч белого света проходит из воздуха в материал, показатель преломления которого зависит от частоты, возникает явление, известное как дисперсия , при котором разные цветные компоненты белого света преломляются под разными углами, т. Е. Изгибаются под разными углами. суммы на интерфейсе, так что они разделяются. Разные цвета соответствуют разным частотам.

Атмосферная рефракция

Показатель преломления воздуха зависит от плотности воздуха и, следовательно, зависит от температуры и давления воздуха . Поскольку давление ниже на больших высотах, показатель преломления также ниже, в результате чего световые лучи преломляются к поверхности земли при перемещении на большие расстояния через атмосферу. Это немного смещает видимые положения звезд, когда они приближаются к горизонту, и делает солнце видимым до того, как оно геометрически поднимается над горизонтом во время восхода солнца.

Колебания температуры в воздухе также могут вызывать преломление света. Это можно увидеть как тепловую дымку, когда горячий и холодный воздух смешивается, например, над огнем, в выхлопных газах двигателя или при открытии окна в холодный день. Из-за этого объекты, просматриваемые сквозь смешанный воздух, кажутся мерцающими или беспорядочно перемещающимися по мере движения горячего и холодного воздуха. Этот эффект также виден при обычных колебаниях температуры воздуха в солнечный день при использовании телеобъективов с большим увеличением и в таких случаях часто снижает качество изображения. ^[9] Подобным образом атмосферная турбулентность приводит к быстро меняющимся искажениям в изображениях астрономических телескопов.ограничение разрешения наземных телескопов, не использующих адаптивную оптику или другие методы для преодоления этих атмосферных искажений .

Колебания температуры воздуха вблизи поверхности могут вызвать другие оптические явления, такие как миражи и Фата Моргана . Чаще всего воздух, нагретый горячей дорогой в солнечный день, отражает свет, приближающийся под небольшим углом к ​​зрителю. Это заставляет дорогу казаться отражающей, создавая иллюзию воды, покрывающей дорогу.

Клиническое значение

В медицине , в частности , оптометрии , офтальмология и Ортоптике , рефракции (также известный как рефрактометрия ) представляет собой клиническое испытание , в котором фороптер может быть использован соответствующим профессионалом ухода за глазами , чтобы определить , в глазах рефракции и лучшие корректирующие линзы должны быть предписаны. Представлен ряд тестовых линз с градуированной оптической силой или фокусным расстоянием , чтобы определить, какие из них обеспечивают наиболее резкое и ясное зрение. ^[10]

Галерея

Волны на воде

Волны на мелководье движутся медленнее. Это можно использовать для демонстрации преломления в резервуарах с пульсациями, а также для объяснения того, почему волны на береговой линии имеют тенденцию падать на берег под прямым углом. По мере того, как волны переходят из глубины в мелководье у берега, они преломляются от своего первоначального направления движения до угла, более нормального к береговой линии. ^[11]

Акустика

В подводной акустике преломление - это изгиб или искривление звукового луча, которое возникает, когда луч проходит через градиент скорости звука из области с одной скоростью звука в область с другой скоростью. Величина изгиба лучей зависит от величины разницы между скоростями звука, то есть изменения температуры, солености и давления воды. ^[12] Подобные акустические эффекты также обнаруживаются в атмосфере Земли . Явление преломления звука в атмосфере известно веками; ^[13] однако, начиная с начала 1970-х, широко распространенный анализ этого эффекта вошел в моду благодаря проектированию городскихавтомагистрали и шумовые барьеры для устранения метеорологических эффектов отклонения звуковых лучей в нижних слоях атмосферы. ^[14]

Смотрите также

• Двулучепреломление (двойное лучепреломление)
• Геометрическая оптика
• Принцип Гюйгенса – Френеля
• Список показателей преломления
• Отрицательное преломление
• Отражение
• Шлиренская фотография
• Сейсмическая рефракция
• Суперрефракция

Рекомендации

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме преломления .

• Отражения и преломления в трассировке лучей , простое, но подробное обсуждение математики, лежащей в основе преломления и отражения.
• Моделирование рефракции вспышки - включает источник , объясняет преломление и закон Снеллиуса.