Jaký je fyzický význam indexu refrakce světla?

Světlo a zákony jeho distribuce v průhledném prostředí mají zájem o člověka už od starověku. V tomto článku zvažujeme, jaký je lom přeměny elektromagnetických vln, který nejprve formuloval odpovídající zákon a jaký je fyzický význam indexu lomu.

Podstata tohoto jevu

Změna směru šíření světelného paprsku, když prochází z jednoho průhledného média do druhého, se nazývá lom. Pro existenci tohoto jevu musí být splněny následující tři podmínky:

1. Světelný paprsek by měl spadat pod určitý sklon k rovině rozhraní média. Pokud je úhel mezi směrem pohybu paprsku a rovinou pozornosti 0 ^o (paralelní) nebo 90 ^o (kolmý), nedosáhne se lomu. Je nutné zvýšit nebo snížit svah.
2. Dvě média by měly být světle průhledné. Jinak se elektromagnetická vlna jednoduše odráží od povrchu.
3. Index lomu média musí být odlišný. Jaký je fyzický význam indexu lomu, bude popsán později v článku.

Příklady lomu v každodenním životě a přírodě

Snad nejběžnějším příkladem tohoto fyzického jevu bude zohlednění hranice mezi vzduchem a vodou. Všichni si všimli, že tužka umístěná ve sklenici s kapalinou se zdá být zakřivená. Dalším příkladem je, že pokud se podíváte do jakékoli nádoby s vodou na dně, hloubka se zdá být mnohem menší než ve skutečnosti.

Dalším významným momentem působení lomu jsou zázraky, které lze pozorovat nejen v pouštích, ale také v každé lokalitě v horkém letním dni. Když je spalující slunce sousedí s povrchem země, vrstvy atmosféry jsou silně ohřívány ve vztahu k vyšším hladinám. Různá teplota vzduchu vede ke změně hustoty vzduchu a v důsledku toho k indexům lomu světla.

V důsledku toho existují podmínky, ve kterých pohyblivé dolní paprsky procházejí po křivce trajektorie a začínají se pohybovat zdola nahoru. Jednou v oku pozorovatele vytváří dojem, že obloha a koruny stromů se odrážejí na povrchu země. Mozek interpretuje tento efekt jako má kaluže.

Dalším méně pozoruhodným, ale ne méně důležitým příkladem pro lidi je vícenásobné lomení rádiových vln v ionosféře naší planety. Díky tomu se rádiové vlny mohou šířit na velké vzdálenosti na Zemi.

Zákony lomu

Abychom pochopili, jaký je fyzický význam indexu lomu světla, pojďme pojmenovat zákony, které popisují tento jev. Jsou to dva:

1. Trám dopadající na hranici dvou médií, normální obnovený do roviny hranice v místě výskytu a světelný paprsek přenášený do druhého média leží ve stejné rovině.
2. Produkt sinus úhlu dopadu a indexu lomu média, ve kterém se světlo šíří, je konstantní hodnota.

První z těchto zákonů je podobný zákonu reflexe. Kromě toho žádný jediný dopadající paprsek na rozhraní nepřenáší celou svou energii do druhého média během zvažovaného jevu. Vždy se odráží část energie. Závisí to na řadě faktorů (vlnová délka světla, vlastnosti média a úhel). Takže v rovině s normálem existují tři paprsky: incidence, refrakce a reflexe.

Popis druhého zákona je pouze jednou z forem. Při úvahách o hodnotě indexu lomu budou brány v úvahu i další formulace.

Co je index lomu?

Jedná se o koeficient proporcionality mezi rychlostí šíření světla ve vakuu a médiu. Označuje se zpravidla písmenem n a vypočte se podle vzorce:

n = c / v.

Zde c je rychlost elektromagnetických vln ve vakuu, v je stejná, pouze v reálném průhledném médiu. Protože c> v je vždy, index lomu bude větší než jeden (n> 1).

Pokud jsou úhly dopadu a lomu označeny symboly θ ₁ a θ ₂ a indexy lomu 1. a 2. média jsou psány jako n ₁ a n ₂ , pak druhý zákon lomu má podobu:

sin (θ ₁ ) * n ₁ = sin (θ ₂ ) * n ₂ .

Pokud nahradíme výraz n v této rovnosti, máme:

sin (θ ₁ ) / sin (θ ₂ ) = v ₁ / v ₂ .

Výsledná exprese je další formulace 2. zákona refrakce: poměr sinusů úhlů výskytu a lomu je přímo úměrný poměru rychlostí šíření vln v odpovídajících médiích.

Jaký je fyzický význam indexu lomu média?

Nyní můžete tuto otázku snadno odpovědět. Podle výše uvedené definice tato hodnota ukazuje, kolikrát světlo ve vakuu je rychlejší než v médiu. Například ve vzduchu, n = 1.00029, tedy v atmosféře naší planety, se světlo zpomaluje ve srovnání s distribucí v prostoru jen o stotiny procenta.

Jiný příklad: index n pro diamant je 2,43. V diamantu se světlo pohybuje 2,43 krát pomaleji než ve vakuu.

Pochopil, jaký je fyzický význam indexu lomu (absolutní rychlost světla se stává méně v médiu), je zvědavé pochopit, proč se snižuje.

Skutečnost spočívá v tom, že médium se skládá z částic hmoty (atomů, molekul), které absorbují a re-vyzařují elektromagnetické vlny, které se pohybují skrze ně. Tyto fyzikální procesy mají některé charakteristické časy, takže je zde zpoždění rychlosti světla.

Důvod lomu vln

Otázky, jaký je fyzický význam indexu lomu světla a proč dochází k lomu, jsou navzájem propojeny. Důvodem tohoto jevu je právě rozdíl v rychlostech v různých prostředích. Existuje několik způsobů, jak to vysvětlit:

• Použití principu Huygens-Fresnel. Spočívá v tom, že každý bod média, kterým prochází vlna, se stává novým zdrojem. Vytváří sférické vlny, jejichž sada povrchů určuje následnou vlnovou frontu.
• Použití zásady farmy. Sdružuje délku trajektorie s časem pohybu vlny. Konkrétně světlo volí takovou cestu mezi dvěma body v prostoru, které může cestovat v nejkratším čase.
• Použití analogie Feynman. Řekněme, že záchranář viděl utopeného muže v moři. Jaké budou jeho činy? Nejprve se bude pohybovat po pláži na určitém místě, a pak se dostane do vody a zaplácí si zachránit muže. Trajektorie záchranáře je podobná trajektorii záchranáře. Pláž a moře jsou dvě prostředí s různými hodnotami n.

Historické pozadí

V současné době je druhý zákon vlnění lom, formulovaný výše dvěma způsoby, obvykle nazvaný Snell nebo Snell zákon na počest holandského fyzik počátku 17. století, kdo objevil to.

Avšak 6 století před tím, tj. Kolem konce 10. století, byl již svět Arabů znán zákon lomu ve své moderní matematické podobě. Předpokládá se, že perský matematik Ibn Sahl nejprve formuloval a aplikoval jej při analýze průběhu světelných paprsků v čočkách. Tento uvažovaný fenomén tak objevili a popsali vědci starověku.