Zákon reflexe světla: formulace a praktická aplikace

22. 4. 2019

Fenomén refrakce světelné vlny se chápe jako změna ve směru šíření přední části této vlny, která prochází z jednoho průhledného média do druhého. Mnoho optických přístrojů a lidské oko využívají tohoto jevu k výkonu svých funkcí. Článek popisuje zákony refrakce světla a jejich použití v optických zařízeních.

Procesy odrazu a refrakce světla

Vzhledem k otázce zákonů refrakce světla je třeba zmínit fenomén reflexe, neboť je úzce spjat s tímto jevem. Když světlo prochází z jednoho průhledného média do druhého, pak na rozhraní těchto médií se s ním vyskytují dva procesy:

  1. Část světelného paprsku se odráží zpět do prvního média pod úhlem rovným úhlu dopadu počátečního paprsku na rozhraní.
  2. Druhá část paprsku vstupuje do druhého prostředí a v něm se již dále šíří.

Výše uvedené znamená, že intenzita počátečního paprsku světla bude vždy větší než intenzita odraženého a přemostěného světla odděleně. Jak je tato intenzita rozložena mezi nosníky, závisí na vlastnostech média a na úhlu dopadu světla na rozhraní.

Jaká je podstata procesu lomu světla?

Sklo s vodou a bez vody

Část paprsku světla, který dopadá na povrch mezi dvěma průhlednými médii, se dále šíří ve druhém médiu, ale směr šíření světla se již od určitého úhlu liší od původního směru v 1. médiu. To je fenomén lomu světla. Fyzikální příčinou je rozdíl v rychlosti šíření světelné vlny v různých prostředích.

Připomeňme, že světlo má maximální rychlost šíření ve vakuu, je to 299,792,458 m / s. V jakémkoliv materiálu je tato rychlost vždy nižší a čím vyšší je hustota média, tím pomalejší se v ní šíří elektromagnetická vlna. Například ve vzduchu je rychlost světla 299 705 543 m / s, ve vodě při 20 ° C už 224 844 349 m / s, a v diamantu klesá více než dvakrát ve srovnání s rychlostí ve vakuu a je 124 034 943 m / s.

Huygensův princip

Tento princip poskytuje kdykoli geometrickou metodu pro nalezení front vlny. Princip Huygens předpokládá, že každý bod, k němuž je vlnoploch dosaženo, je zdrojem elektromagnetických sekundárních vln. Rozkládají se ve všech směrech se stejnou rychlostí a frekvencí. Výsledná vlnová fronta je definována jako soustava front všech sekundárních vln. Jinými slovy, přední strana je povrch, který se dotýká koulí všech sekundárních vln.

Ukázka použití tohoto geometrického principu pro určení vlnoploše je znázorněna na následujícím obrázku. Jak je zřejmé z tohoto schématu, všechny poloměry koulí sekundárních vln (znázorněné šipkami) jsou stejné, protože vlnová fronta se šíří v homogenním z optického hlediska média.

Huygensův princip

Aplikace principu Huygens na proces lomu světla

Abychom porozuměli zákonu refrakce světla ve fyzice, lze použít princip Huygens. Zvažte nějaký světelný tok, který spadá na rozhraní mezi dvěma médii, a rychlost pohybu elektromagnetické vlny v prvním médiu je větší než rychlost druhého média.

Jakmile část fronty (vlevo na obrázku níže) dosáhne oddělení médií, začnou být v každém bodě povrchu rozhraní začleněny sekundární sférické vlny, které se již budou šířit ve druhém médiu. Vzhledem k tomu, že rychlost světla v druhém médiu je menší než tato hodnota pro první médium, bude část fronty, která dosud nedosáhla rozhraní mezi médiem (vpravo na obrázku), dále šířit s větší rychlostí než ta část přední (levá), která již spadla do druhého prostředí . Kreslící kružnice sekundárních vln pro každý bod s odpovídajícím poloměrem v * t, kde t je určitá specifická doba šíření sekundární vlny a v je rychlost jeho šíření ve druhém médiu a nakreslení tangentní křivky na všechny plochy sekundárních vln, můžete získat přední stranu šíření světla ve druhém prostředí.

Jak je zřejmé z obrázku, tato přední část bude vychýlena pod určitým úhlem od počátečního směru jejího šíření.

Huygensův princip a lom

Všimněte si, že pokud byly vlnové rychlosti v obou médiích stejné nebo pokud světlo kleslo kolmo na rozhraní, pak by neměl být žádný problém o lomu.

Zákony refrakce světla

Tyto zákony byly získány experimentálně. Nechť 1 a 2 jsou dvě průhledná média, rychlost šíření elektromagnetických vln, ve kterých jsou v1 a v2. Nechť paprsek světla spadne na rozhraní od média 1 pod úhlem θ 1 k normálu a ve druhém médiu se stále šíří pod úhlem θ2 k normálu k rozhraní. Pak bude formulovat zákony refrakce světla takto:

  1. Ve stejné rovině budou dva paprsky (incidentní a lomené) a normální obnoveny na rozhraní mezi médiem 1 a 2.
  2. Poměr rychlostí šíření paprsku v médiu 1 a 2 bude přímo úměrný poměru sinusů úhlů dopadu a lomu, tj. Sin (θ 1 ) / sin (θ 2 ) = v 1 / v 2 .

Druhý zákon se nazývá Snellův zákon. Pokud vezmeme v úvahu, že index nebo index lomu průhledného média je definován jako poměr rychlosti světla ve vakuu k této rychlosti v médiu, pak vzorec pro zákon refrakce světla může být přepsán jako: sin (θ 1 ) / sin (θ 2 ) = n 2 / n 1 , kde n1 a n2 jsou indexy lomu média 1 a 2, resp.

Matematický vzorec zákona tedy naznačuje, že produkt sinus úhlu a index lomu pro určité médium je konstantní hodnota. Kromě toho, s přihlédnutím k trigonometrickým vlastnostem sinusu, můžeme říci, že pokud v 1 > v 2 , světlo se při průchodu rozhraním a naopak přiblíží k normálu.

Stručná historie objevu zákona

Snell van Royen

Kdo objevil zákon lomu světla? Ve skutečnosti to bylo nejprve formulováno středověkým astrologem a filozofem Ibn Sahlem v 10. století. Sekundární objev zákona se objevil v 17. století a dělal to nizozemský astronom a matematik Snell van Royen, takže jeho druhé jméno nese druhý světový zákon refrakce.

Je zajímavé poznamenat, že o něco později byl tento zákon otevřen také francouzským René Descartesem, proto ve francouzsky mluvících zemích nese jeho jméno.

Příklady úkolů

Světlo, diamant a voda

Všechny problémy zákona o lomu světla jsou založeny na matematické formulaci zákona Snell. Uveďme příklad takového úkolu: je třeba najít úhel šíření světla v průběhu přechodu z diamantu na vodu, za předpokladu, že tato fronta dopadne na rozhraní v úhlu 30 ° k normálu.

Abychom tento problém vyřešili, je třeba vědět buď o indexu lomu uvažovaného média, nebo o rychlosti šíření elektromagnetické vlny v nich. S odkazem na referenční data můžeme psát: n 1 = 2.417 a n 2 = 1.333, kde čísla 1 a 2 označují diamant a vodu.

Nahrazením získaných hodnot do vzorce získáme: sin (30 o ) / sin (θ 2 ) = 1.333 / 2.417 nebo sin (θ 2 ) = 0.39 a θ 2 = 65.04 o , to znamená, že paprsek bude významně odstraněn z normálu.

Celková interní reflexe

Je zajímavé poznamenat, že pokud by úhel dopadu byl větší než 33,5 ° , pak by podle vzorce zákona refrakce světla neexistoval lom s lomem a celá světlá fronta by se odrazila zpět do diamantového média. Tento efekt je ve fyzice znám jako totální vnitřní odraz.

Kde se uplatňuje zákon lomu?

Refrakce světla v čočkách

Praktické uplatnění zákona lomu světla je rozmanité. Dá se říci bez nadsázky, že většina optických přístrojů pracuje na tomto zákonu. Refrakce světelného toku v optických čočkách se používá v zařízeních, jako jsou mikroskopy, dalekohledy a dalekohledy. Bez existence refrakčního efektu by nebylo možné, aby člověk viděl svět kolem, protože sklovité tělo a čočka oka jsou biologické čočky, které plní funkci zaostřování světelného toku do bodu na citlivé oční sítnici. Navíc zákon o celkové vnitřní reflexe nachází uplatnění ve světlých vláknech.