Преломление
Страница частично защищена
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Refractions )
Перейти к навигации Перейти к поиску
О свойстве металлов см. Преломление (металлургия) .
Не путать с дифракцией , изменением направления волны вокруг препятствия.

Луч света преломляется в пластиковом блоке.

В физике преломление — это изменение направления волны , проходящей из одной среды в другую, или постепенное изменение среды. [1] Преломление света является наиболее часто наблюдаемым явлением, но другие волны, такие как звуковые волны и волны воды , также испытывают преломление. Степень преломления волны определяется изменением скорости волны и начальным направлением распространения волны относительно направления изменения скорости.

Для света преломление подчиняется 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, показателям преломления ( n 2 / n 1 ) двух сред. [2]

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

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

Свет

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

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

Общее объяснение

Когда волна движется в более медленную среду, волновые фронты сжимаются. Чтобы волновые фронты оставались связанными на границе, волна должна изменить направление.

Правильное объяснение преломления включает две отдельные части, каждая из которых является результатом волновой природы света.

  1. Свет замедляется, когда он проходит через среду, отличную от вакуума (такую ​​как воздух, стекло или вода). Это происходит не из-за рассеяния или поглощения. Скорее это потому, что, как электромагнитное колебание , свет сам по себе заставляет колебаться другие электрически заряженные частицы, такие как электроны . Колеблющиеся электроны излучают свои собственные электромагнитные волны, которые взаимодействуют с первоначальным светом. В результате «комбинированная» волна имеет волновые пакеты, которые проходят наблюдателя с меньшей скоростью. Свет был эффективно замедлен. 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 меняет 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 распространяется по прямой.

Объяснение замедления света в среде

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

Общие объяснения этого замедления, основанные на идее рассеяния света или поглощения и повторного излучения атомами, оба неверны. Подобные объяснения вызвали бы эффект «размытия» в результирующем свете, поскольку он больше не двигался бы только в одном направлении. Но этот эффект не наблюдается в природе.

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, составляющими исходный свет, подобно волнам воды в пруду. Этот процесс известен как конструктивная интерференция .. Когда две волны интерферируют таким образом, результирующая «комбинированная» волна может иметь волновые пакеты, которые проходят наблюдателя с меньшей скоростью. Свет был эффективно замедлен. Когда свет покидает материал, это взаимодействие с электронами больше не происходит, и поэтому скорость волнового пакета (и, следовательно, его скорость) возвращается к норме.

Объяснение искривления света при входе и выходе из среды

Рассмотрим волну, идущую от одного материала к другому, где ее скорость меньше, как показано на рисунке. Если она достигает границы между материалами под углом, одна сторона волны первой достигнет второго материала и, следовательно, замедлится раньше. Когда одна сторона волны движется медленнее, вся волна будет поворачиваться к этой стороне. Вот почему волна будет отклоняться от поверхности или к нормали , когда входит в более медленный материал. В противоположном случае, когда волна достигает материала, скорость которого выше, одна сторона волны будет ускоряться, и волна отклонится от этой стороны.

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

.

Явление преломления можно более фундаментальным образом вывести из 2- или 3-мерного волнового уравнения . Тогда граничное условие на границе раздела потребует, чтобы тангенциальная составляющая волнового вектора была одинаковой на двух сторонах границы раздела. [7] Поскольку величина волнового вектора зависит от скорости волны, это требует изменения направления волнового вектора.

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

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

Закон преломления

Для света чаще используется показатель преломления n материала, чем фазовая скорость v волны в материале. Однако они напрямую связаны со скоростью света в вакууме c как

.

Поэтому в оптике закон преломления обычно записывается как

.

Преломление в водной поверхности

Часть карандаша, погруженная в воду, выглядит искривленной из-за преломления: световые волны от X меняют направление и, таким образом, кажутся исходящими из Y.

Преломление происходит, когда свет проходит через водную поверхность, так как вода имеет показатель преломления 1,33, а воздух имеет показатель преломления около 1. Глядя на прямой объект, такой как карандаш на рисунке, который расположен под наклоном, частично в воде объект кажется изогнутым у поверхности воды. Это происходит из-за искривления световых лучей при переходе из воды в воздух. Как только лучи достигают глаза, глаз прослеживает их обратно в виде прямых линий (линий взгляда). Линии обзора (показанные пунктирными линиями) пересекаются в более высоком положении, чем место, где исходят фактические лучи. Это приводит к тому, что карандаш кажется выше, а вода кажется более мелкой, чем она есть на самом деле.

Глубина, которой кажется вода, если смотреть сверху, называется кажущейся глубиной . Это важное соображение при подводной охоте с поверхности, потому что целевая рыба будет казаться в другом месте, и рыбак должен целиться ниже, чтобы поймать рыбу. И наоборот, объект над водой имеет большую видимую высоту , если смотреть из-под воды. Противоположная коррекция должна быть сделана рыбой-лучником . [8]

Для малых углов падения (отмеряемых от нормали, когда sin θ примерно такой же, как tan θ) отношение кажущейся глубины к реальной представляет собой отношение показателей преломления воздуха к показателю 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, видимая высота приближается к бесконечности по мере увеличения угла падения (снизу), но еще раньше, по мере приближения к углу полного внутреннего отражения , хотя изображение также исчезает из поля зрения по мере приближения к этому пределу.

Изображение моста Золотые Ворота преломляется и искривляется множеством различных трехмерных капель воды.

Рассеивание

Преломление также отвечает за радугу и за расщепление белого света на радужный спектр, когда он проходит через стеклянную призму . Стекло имеет более высокий показатель преломления, чем воздух. Когда пучок белого света попадает из воздуха в материал, показатель преломления которого меняется в зависимости от частоты, возникает явление, известное как дисперсия , при котором различные цветные компоненты белого света преломляются под разными углами, т. е. преломляются под разными углами. количества на границе раздела, так что они становятся разделенными. Разные цвета соответствуют разным частотам.

Атмосферная рефракция

Основная статья: Атмосферная рефракция
Солнце кажется слегка приплюснутым, когда оно близко к горизонту из-за рефракции в атмосфере.

Показатель преломления воздуха зависит от плотности воздуха и, таким образом, зависит от температуры и давления воздуха . Поскольку на больших высотах давление ниже, показатель преломления также ниже, в результате чего световые лучи преломляются к поверхности земли при прохождении больших расстояний через атмосферу. Это немного смещает видимое положение звезд, когда они находятся близко к горизонту, и делает солнце видимым до того, как оно геометрически поднимется над горизонтом во время восхода солнца.

Тепловая дымка в выхлопе двигателя над тепловозом .

Изменения температуры воздуха 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. Это заставляет объекты, видимые сквозь смешанный воздух, мерцать или беспорядочно перемещаться по мере движения горячего и холодного воздуха. Этот эффект также заметен при нормальных колебаниях температуры воздуха в солнечный день при использовании телеобъективов с большим увеличением и часто ограничивает качество изображения в этих случаях.[9] Аналогичным образом атмосферная турбулентность дает быстро меняющиеся искажения на изображениях астрономических телескопов .ограничение разрешения наземных телескопов, не использующих адаптивную оптику или другие методы преодоления этих атмосферных искажений .

Мираж над горячей дорогой.

Колебания температуры воздуха вблизи поверхности могут вызывать другие оптические явления, такие как миражи и фата-моргана . Чаще всего воздух, нагретый раскаленной дорогой в солнечный день, отклоняет свет, приближающийся под небольшим углом к ​​зрителю. Это заставляет дорогу казаться отражающей, создавая иллюзию воды, покрывающей дорогу.

Клиническое значение

В медицине , особенно в оптометрии , офтальмологии и ортоптике , рефракция (также известная как рефрактометрия ) представляет собой клинический тест, в котором фороптер может использоваться соответствующим офтальмологом для определения ошибки рефракции глаза и назначения наилучших корректирующих линз . Представлен ряд тестовых линз с разной оптической силой или фокусным расстоянием , чтобы определить, какая из них обеспечивает самое резкое и четкое зрение. [10]

Галерея

Воспроизвести медиа
2D-моделирование: преломление квантовой частицы. Черная половина фона — нулевой потенциал, серая половина — более высокий потенциал. Белое пятно представляет собой распределение вероятности обнаружения частицы в данном месте при измерении.

Водяные волны

Основная статья: Преломление волн воды
Водяные волны почти параллельны пляжу, когда они ударяются о него, потому что они постепенно преломляются к земле по мере того, как вода становится мельче.

Волны на мелководье движутся медленнее. Это можно использовать для демонстрации преломления в резервуарах с пульсацией, а также объясняет, почему волны на береговой линии имеют тенденцию ударяться о берег под прямым углом. По мере того, как волны перемещаются из глубокой воды в более мелкую воду у берега, они преломляются от своего первоначального направления движения под углом, более нормальным к береговой линии. [11]

Акустика

Основная статья: Преломление (звук)

В подводной акустике преломление — это искривление 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 луча зависит от величины разницы между скоростями звука, то есть от изменения температуры, солености и давления воды. [12] Аналогичные акустические эффекты обнаружены и в земной атмосфере . Явление преломления звука в атмосфере известно веками; [13] Однако, начиная с начала 1970-х, широкое распространение анализа этого эффекта вошло в моду благодаря проектированию городскихдороги и шумозащитные экраны для устранения метеорологических эффектов искривления звуковых лучей в нижних слоях атмосферы. [14]

Смотрите также

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

использованная литература

  1. ^ Редакторы Британской энциклопедии. «Преломление» . Британская энциклопедия . Проверено 16 октября 2018 г. .
  2. ^ Борн и Вольф (1959). Принципы оптики . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Pergamon Press INC., с. 37.
  3. ↑ Р. Пашотта , статья о хроматической дисперсии . Архивировано 29 июня 2015 г. в Wayback Machine в Энциклопедии лазерной физики и технологий . Архивировано 13 августа 2015 г. в Wayback Machine , по
  4. ↑ Карл Р. Нэйв , страница о дисперсии . Архивировано 24 сентября 2014 г. в Wayback Machine в HyperPhysics. Архивировано 28 октября 2007 г. в Wayback Machine , факультет физики и астрономии Государственного университета Джорджии, по состоянию на 08 сентября 2014 г.
  5. ^ Почему свет замедляется в воде? - Фермилаб
  6. ^ Хехт, Юджин (2002). Оптика . Эддисон-Уэсли. п. 101. ISBN 0-321-18878-0.
  7. ^ "Преломление" . Энциклопедия фотоники РП . RP Photonics Consulting GmbH, д-р Рюдигер Пашотта . Проверено 23 октября 2018 г. . Это вытекает из граничных условий, которым должны соответствовать входящая и прошедшая волны на границе двух сред. По существу, тангенциальные компоненты волновых векторов должны быть идентичными, так как в противном случае разность фаз между волнами на границе зависела бы от положения, и волновые фронты не могли бы быть непрерывными. Поскольку величина волнового вектора зависит от показателя преломления среды, указанное условие, вообще говоря, может быть выполнено только при различных направлениях распространения.
  8. ^ Дилл, Лоуренс М. (1977). «Преломление и плевание лучника ( Toxotes chatareus )». Поведенческая экология и социобиология . 2 (2): 169–184. DOI : 10.1007/ BF00361900 . JSTOR 4599128 . S2CID 14111919 .  
  9. ^ «Влияние теплового тумана на качество изображения» . Никон. 2016-07-10 . Проверено 4 ноября 2018 г. .
  10. ^ "Преломление" . глоссарий.net . Архивировано из оригинала 26 мая 2006 г. Проверено 23 мая 2006 г. .
  11. ^ «Обмеление, преломление и дифракция волн» . Центр прикладных прибрежных исследований Университета Делавэра. Архивировано из оригинала 14 апреля 2009 г. Проверено 23 июля 2009 г. .
  12. ^ Дополнение ВМФ к Словарю военных и связанных терминов Министерства обороны США (PDF) . Департамент Военно-Морского Флота . Август 2006 г. НТРП 1-02. [ постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ Мэри Сомервилль (1840 г.), О связи физических наук , J. Murray Publishers (первоначально Гарвардским университетом)
  14. ^ Хоган, К. Майкл (1973). «Анализ дорожного шума». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 2 (3): 387–392. Бибкод : 1973WASP....2..387H . doi : 10.1007/BF00159677 . S2CID 109914430 . 

внешние ссылки

  • Отражения и преломления в трассировке лучей , простое, но подробное обсуждение математики, лежащей в основе преломления и отражения.
  • Моделирование преломления вспышки - включает источник , объясняет преломление и закон Снеллиуса.
Получено с " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Refraction&oldid=1070335543 "
Contribute a better translation