Welches Medium bricht sichtbare Strahlen stärker? Lichtbrechung. Totale innere Reflexion

Betrachten wir, wie sich die Richtung des Strahls ändert, wenn er von Luft zu Wasser übergeht. Die Lichtgeschwindigkeit im Wasser ist geringer als in der Luft. Ein Medium, in dem die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit langsamer ist, ist ein optisch dichteres Medium.

Auf diese Weise, Die optische Dichte des Mediums ist durch unterschiedliche Ligekennzeichnet.

Dies bedeutet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in einem optisch weniger dichten Medium größer ist. Beispielsweise beträgt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 300.000 km/s und in Glas 200.000 km/s. Wenn ein Lichtstrahl auf eine Oberfläche fällt, die zwei transparente Medien mit unterschiedlicher optischer Dichte, wie Luft und Wasser, trennt, wird ein Teil des Lichts von dieser Oberfläche reflektiert und der andere Teil dringt in das zweite Medium ein. Beim Übergang von einem Medium zum anderen ändert ein Lichtstrahl an der Mediengrenze seine Richtung (Abb. 144). Dieses Phänomen nennt man Lichtbrechung.

Reis. 144. Lichtbrechung beim Übergang eines Strahls von Luft zu Wasser

Schauen wir uns die Lichtbrechung genauer an. Abbildung 145 zeigt: einfallender Strahl JSC, gebrochener Strahl OB und senkrecht zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien, gezeichnet zum Einfallspunkt O. Winkel AOS - Einfallswinkel (α), Winkel Geburtsdatum - Brechungswinkel (γ).

Reis. 145. Schema der Brechung eines Lichtstrahls beim Übergang von Luft zu Wasser

Beim Übergang von Luft zu Wasser ändert ein Lichtstrahl seine Richtung und nähert sich der senkrechten CD.

Wasser ist ein Medium, das optisch dichter ist als Luft. Wenn Wasser durch ein anderes transparentes Medium ersetzt wird, das optisch dichter als Luft ist, nähert sich der gebrochene Strahl ebenfalls der Senkrechten. Daher können wir sagen, dass, wenn Licht von einem optisch weniger dichten Medium in ein dichteres Medium gelangt, der Brechungswinkel immer kleiner ist als der Einfallswinkel (siehe Abb. 145):

Ein Lichtstrahl, der senkrecht zur Grenzfläche zwischen zwei Medien gerichtet ist, gelangt ohne Brechung von einem Medium zum anderen.

Wenn sich der Einfallswinkel ändert, ändert sich auch der Brechungswinkel. Je größer der Einfallswinkel, desto größer der Brechungswinkel (Abb. 146). In diesem Fall bleibt die Beziehung zwischen den Winkeln nicht erhalten. Wenn wir das Verhältnis der Sinuswerte der Einfalls- und Brechungswinkel zusammensetzen, bleibt es konstant.

Reis. 146. Abhängigkeit des Brechungswinkels vom Einfallswinkel

Für jedes Stoffpaar mit unterschiedlicher optischer Dichte können wir schreiben:

wobei n ein konstanter Wert ist, unabhängig vom Einfallswinkel. Es wird genannt Brechungsindex für zwei Umgebungen. Je höher der Brechungsindex, desto stärker wird der Strahl beim Übergang von einem Medium in ein anderes gebrochen.

Somit erfolgt die Lichtbrechung nach folgendem Gesetz: Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die Senkrechte, die am Einfallspunkt des Strahls auf die Grenzfläche zwischen den beiden Medien gezogen wird, liegen in derselben Ebene.

Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für zwei Medien ein konstanter Wert:

Licht wird in der Erdatmosphäre gebrochen, sodass wir die Sterne und die Sonne über ihrem wahren Standort am Himmel sehen.

Fragen

1. Wie ändert sich die Richtung des Lichtstrahls (siehe Abb. 144), nachdem Wasser in das Gefäß gegossen wurde?
2. Welche Schlussfolgerungen wurden aus Experimenten zur Lichtbrechung gezogen (siehe Abb. 144, 145)?
3. Welche Positionen werden bei der Lichtbrechung eingenommen?

Übung 47

Vorgänge, die mit Licht in Zusammenhang stehen, sind ein wichtiger Bestandteil der Physik und umgeben uns überall in unserem Alltag. Am wichtigsten sind dabei die Gesetze der Lichtreflexion und -brechung, auf denen die moderne Optik basiert. Die Lichtbrechung ist ein wichtiger Teil moderne Wissenschaft.

Verzerrungseffekt

In diesem Artikel erfahren Sie, was das Phänomen der Lichtbrechung ist, wie das Brechungsgesetz aussieht und was sich daraus ergibt.

Grundlagen eines physikalischen Phänomens

Wenn ein Strahl auf eine Oberfläche fällt, die durch zwei transparente Substanzen mit unterschiedlicher optischer Dichte getrennt ist (z. B. verschiedene Gläser oder in Wasser), werden einige der Strahlen reflektiert und andere dringen in die zweite Struktur ein (z. B. sie vermehren sich in Wasser oder Glas). Beim Übergang von einem Medium in ein anderes ändert ein Strahl typischerweise seine Richtung. Dies ist das Phänomen der Lichtbrechung.
Die Reflexion und Brechung von Licht ist im Wasser besonders sichtbar.

Verzerrungseffekt im Wasser

Wenn man Dinge im Wasser betrachtet, erscheinen sie verzerrt. Dies macht sich besonders an der Grenze zwischen Luft und Wasser bemerkbar. Optisch wirken Unterwasserobjekte leicht abgelenkt. Das beschriebene physikalische Phänomen ist genau der Grund dafür, dass alle Objekte im Wasser verzerrt erscheinen. Wenn die Strahlen auf das Glas treffen, ist dieser Effekt weniger spürbar.
Lichtbrechung ist ein physikalisches Phänomen, das durch eine Änderung der Bewegungsrichtung eines Sonnenstrahls in dem Moment gekennzeichnet ist, in dem er sich von einem Medium (Struktur) zu einem anderen bewegt.
Um diesen Prozess besser zu verstehen, betrachten wir das Beispiel eines Strahls, der aus der Luft auf Wasser trifft (ähnlich wie bei Glas). Durch Zeichnen einer senkrechten Linie entlang der Grenzfläche kann der Brechungs- und Rückkehrwinkel des Lichtstrahls gemessen werden. Dieser Index (Brechungswinkel) ändert sich, wenn die Strömung in das Wasser (im Inneren des Glases) eindringt.
Beachten Sie! Unter diesem Parameter versteht man den Winkel, den eine Senkrechte zur Trennung zweier Stoffe bildet, wenn ein Strahl von der ersten Struktur zur zweiten durchdringt.

Strahldurchgang

Der gleiche Indikator ist typisch für andere Umgebungen. Es wurde festgestellt, dass dieser Indikator von der Dichte des Stoffes abhängt. Fällt der Strahl von einer weniger dichten auf eine dichtere Struktur, ist der erzeugte Verzerrungswinkel größer. Und wenn es umgekehrt ist, dann ist es weniger.
Gleichzeitig wird sich auch eine Änderung der Abwärtsneigung auf diesen Indikator auswirken. Aber die Beziehung zwischen ihnen bleibt nicht konstant. Gleichzeitig bleibt das Verhältnis ihrer Sinuswerte erhalten konstanter Wert, was sich in der folgenden Formel widerspiegelt: sinα / sinγ = n, wobei:

• n ist ein konstanter Wert, der für jeden spezifischen Stoff (Luft, Glas, Wasser usw.) beschrieben wird. Daher kann dieser Wert anhand spezieller Tabellen ermittelt werden;
• α – Einfallswinkel;
• γ – Brechungswinkel.

Um dieses physikalische Phänomen zu bestimmen, wurde das Brechungsgesetz geschaffen.

Physikalisches Gesetz

Das Gesetz der Lichtbrechung ermöglicht es uns, die Eigenschaften transparenter Substanzen zu bestimmen. Das Gesetz selbst besteht aus zwei Bestimmungen:

• Erster Teil. Der Strahl (einfallend, modifiziert) und die Senkrechte, die am Einfallspunkt an der Grenze beispielsweise von Luft und Wasser (Glas usw.) wiederhergestellt wurde, liegen in derselben Ebene;
• Der zweite Teil. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus desselben Winkels, der beim Überqueren der Grenze entsteht, ist ein konstanter Wert.

Beschreibung des Gesetzes

In diesem Fall tritt in dem Moment, in dem der Strahl aus der zweiten Struktur in die erste austritt (z. B. wenn der Lichtstrom von der Luft durch das Glas und zurück in die Luft gelangt), ebenfalls ein Verzerrungseffekt auf.

Ein wichtiger Parameter für verschiedene Objekte

Der Hauptindikator in dieser Situation ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zu einem ähnlichen Parameter, jedoch mit Verzerrung. Wie aus dem oben beschriebenen Gesetz hervorgeht, ist dieser Indikator ein konstanter Wert.
Wenn sich außerdem der Wert der Abfallsteigung ändert, ist die gleiche Situation typisch für einen ähnlichen Indikator. Dieser Parameter ist von großer Bedeutung, da er ein integrales Merkmal transparenter Stoffe ist.

Indikatoren für verschiedene Objekte

Dank dieses Parameters können Sie sehr effektiv zwischen Glasarten und verschiedenen Edelsteinen unterscheiden. Es ist auch wichtig, um die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Umgebungen zu bestimmen.

Beachten Sie! Die höchste Geschwindigkeit des Lichtflusses herrscht im Vakuum.

Beim Übergang von einem Stoff zum anderen verringert sich seine Geschwindigkeit. Beispielsweise ist in Diamant, der den höchsten Brechungsindex hat, die Geschwindigkeit der Photonenausbreitung 2,42-mal höher als die von Luft. Im Wasser breiten sie sich 1,33-mal langsamer aus. Für verschiedene Glasarten liegt dieser Parameter zwischen 1,4 und 2,2.

Beachten Sie! Einige Gläser haben einen Brechungsindex von 2,2, was dem von Diamant (2,4) sehr nahe kommt. Daher ist es nicht immer möglich, ein Stück Glas von einem echten Diamanten zu unterscheiden.

Optische Dichte von Stoffen

Licht kann verschiedene Stoffe durchdringen, die sich durch unterschiedliche optische Dichten auszeichnen. Wie bereits erwähnt, können Sie mit diesem Gesetz die Dichteeigenschaft des Mediums (Struktur) bestimmen. Je dichter es ist, desto langsamer breitet sich das Licht durch es aus. Beispielsweise sind Glas oder Wasser optisch dichter als Luft.
Abgesehen davon, dass dieser Parameter ein konstanter Wert ist, spiegelt er auch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in zwei Substanzen wider. Die physikalische Bedeutung kann als folgende Formel dargestellt werden:

Dieser Indikator gibt an, wie sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen ändert, wenn sie von einer Substanz zur anderen wechseln.

Ein weiterer wichtiger Indikator

Wenn sich ein Lichtstrom durch transparente Objekte bewegt, ist seine Polarisation möglich. Es wird beim Durchgang eines Lichtstroms aus dielektrischen isotropen Medien beobachtet. Polarisation tritt auf, wenn Photonen Glas passieren.

Polarisationseffekt

Eine partielle Polarisation wird beobachtet, wenn der Einfallswinkel des Lichtflusses an der Grenze zweier Dielektrika von Null abweicht. Der Grad der Polarisation hängt von den Einfallswinkeln ab (Brewstersches Gesetz).

Volle innere Reflexion

Zum Abschluss unserer kurzen Exkursion ist es noch notwendig, einen solchen Effekt als vollständige interne Reflexion zu betrachten.

Das Phänomen der Volldarstellung

Damit dieser Effekt auftritt, ist es notwendig, den Einfallswinkel des Lichtstroms im Moment seines Übergangs von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium an der Grenzfläche zwischen Stoffen zu vergrößern. In einer Situation, in der dieser Parameter einen bestimmten Grenzwert überschreitet, werden an der Grenze dieses Abschnitts einfallende Photonen vollständig reflektiert. Tatsächlich wird dies unser gewünschtes Phänomen sein. Ohne sie wäre die Herstellung von Glasfasern nicht möglich.

Abschluss

Die praktische Anwendung des Lichtflussverhaltens hat viel gebracht und eine Vielzahl technischer Geräte zur Verbesserung unseres Lebens geschaffen. Gleichzeitig hat das Licht der Menschheit noch nicht alle seine Möglichkeiten offenbart und sein praktisches Potenzial ist noch nicht vollständig ausgeschöpft.

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Eine der antiken griechischen Abhandlungen beschreibt das Experiment: „Man muss so stehen, dass der flache Ring am Boden des Gefäßes hinter seinem Rand verborgen ist.“ Gießen Sie dann, ohne die Position der Augen zu verändern, Wasser in das Gefäß. Das Licht wird an der Wasseroberfläche gebrochen und der Ring wird sichtbar.“ Sie können diesen „Trick“ jetzt Ihren Freunden zeigen (siehe Abb. 12.1), aber Sie können ihn erst erklären, nachdem Sie diesen Absatz studiert haben.

Reis. 12.1. „Trick“ mit einer Münze. Befindet sich kein Wasser im Becher, sehen wir die unten liegende Münze nicht (a); Wenn man Wasser eingießt, scheint der Boden des Bechers anzuheben und die Münze wird sichtbar (b)

Aufstellung der Gesetze der Lichtbrechung

Lassen Sie uns einen schmalen Lichtstrahl auf die flache Oberfläche eines transparenten Glashalbzylinders richten, der auf einer optischen Unterlegscheibe montiert ist.

Das Licht wird nicht nur von der Oberfläche des Halbzylinders reflektiert, sondern dringt teilweise auch durch das Glas. Das bedeutet, dass sich beim Übergang von der Luft zum Glas die Richtung der Lichtausbreitung ändert (Abb. 12.2).

Die Änderung der Richtung der Lichtausbreitung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien wird als Lichtbrechung bezeichnet.

Der Winkel γ (Gamma), der zwischen einem gebrochenen Strahl und einer durch den Einfallspunkt des Strahls gezogenen Senkrechten auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien gebildet wird, wird Brechungswinkel genannt.

Nachdem wir eine Reihe von Experimenten mit einem optischen Wäscher durchgeführt haben, stellen wir fest, dass mit zunehmendem Einfallswinkel auch der Brechungswinkel zunimmt und mit abnehmendem Einfallswinkel der Brechungswinkel abnimmt (Abb. 12.3). ). Fällt Licht senkrecht auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien (Einfallswinkel α = 0), ändert sich die Richtung der Lichtausbreitung nicht.

Die erste Erwähnung der Lichtbrechung findet sich in den Schriften des antiken griechischen Philosophen Aristoteles (IV. Jahrhundert v. Chr.), der die Frage stellte: „Warum erscheint ein Stock im Wasser zerbrochen?“ Das Gesetz zur quantitativen Beschreibung der Lichtbrechung wurde jedoch erst 1621 vom niederländischen Wissenschaftler Willebrord Snellius (1580-1626) aufgestellt.

Gesetze der Lichtbrechung:

2. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels für zwei gegebene Medien ist ein konstanter Wert:

wobei n 2 1 eine physikalische Größe ist, die als relativer Brechungsindex des Mediums bezeichnet wird. 2 (das Medium, in dem sich Licht nach der Brechung ausbreitet) relativ zu Medium 1 (das Medium, aus dem das Licht fällt).

Wir erfahren den Grund für die Lichtbrechung

Warum ändert Licht also seine Richtung, wenn es von einem Medium in ein anderes wechselt?

Tatsache ist, dass sich Licht in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell ausbreitet, jedoch immer langsamer als im Vakuum. Beispielsweise ist die Lichtgeschwindigkeit in Wasser 1,33-mal geringer als im Vakuum; Wenn Licht vom Wasser zum Glas gelangt, verringert sich seine Geschwindigkeit um das weitere 1,3-fache; In Luft ist die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit 1,7-mal größer als in Glas und nur geringfügig geringer (etwa 1,0003-mal) als im Vakuum.

Es ist die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts beim Übergang von einem transparenten Medium in ein anderes, die die Lichtbrechung verursacht.

Es ist üblich, von der optischen Dichte eines Mediums zu sprechen: Je geringer die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Medium (je höher der Brechungsindex), desto größer ist die optische Dichte des Mediums.

Was denken Sie, welches Medium hat die größere optische Dichte – Wasser oder Glas? Welches Medium hat eine geringere optische Dichte – Glas oder Luft?

Die physikalische Bedeutung des Brechungsindex herausfinden

Der relative Brechungsindex (n 2 1) gibt an, wie oft die Lichtgeschwindigkeit im Medium 1 größer (oder kleiner) ist als die Lichtgeschwindigkeit im Medium 2:

Erinnerung an das zweite Gesetz der Lichtbrechung:

Nach der Analyse der letzten Formel ziehen wir folgende Schlussfolgerungen:

1) Je stärker sich die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien ändert, desto stärker wird das Licht gebrochen;

2) Wenn ein Lichtstrahl in ein Medium mit höherer optischer Dichte gelangt (d. h. die Lichtgeschwindigkeit abnimmt: v 2).< v 1), то угол преломления меньше угла падения: γ<α (см., например, рис. 12.2, 12.3);

3) Wenn ein Lichtstrahl in ein Medium mit geringerer optischer Dichte gelangt (d. h. die Lichtgeschwindigkeit steigt: v 2 > v 1), dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel: γ > a ( Abb. 12.4).

Typischerweise wird die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in einem Medium mit der Geschwindigkeit seiner Ausbreitung im Vakuum verglichen. Wenn Licht aus einem Vakuum in ein Medium eindringt, wird der Brechungsindex n als absoluter Brechungsindex bezeichnet.

Der absolute Brechungsindex gibt an, um wie viel Mal die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in einem Medium geringer ist als im Vakuum:

wobei c die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung im Vakuum ist (c=3 · 10 8 m/s); v ist die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung im Medium.

Reis. 12.4. Wenn Licht von einem Medium mit höherer optischer Dichte in ein Medium mit niedrigerer optischer Dichte gelangt, ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel (γ>α).

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist größer als in jedem anderen Medium, daher ist der absolute Brechungsindex immer größer als eins (siehe Tabelle).

Reis. 12.5. Wenn Licht aus Glas in die Luft gelangt, nähert sich der Brechungswinkel mit zunehmendem Einfallswinkel 90° und die Helligkeit des gebrochenen Strahls nimmt ab

Bei der Betrachtung des Lichtübergangs von der Luft zum Medium gehen wir davon aus, dass der relative Brechungsindex des Mediums gleich dem absoluten ist.

Das Phänomen der Lichtbrechung wird beim Betrieb vieler optischer Geräte genutzt. Einige davon erfahren Sie später.

Wir nutzen das Phänomen der Totalreflexion des Lichts

Betrachten wir den Fall, dass Licht von einem Medium mit höherer optischer Dichte zu einem Medium mit niedrigerer optischer Dichte gelangt (Abb. 12.5). Wir sehen, dass mit zunehmendem Einfallswinkel (α 2 >ι) der Brechungswinkel γ sich 90° nähert, die Helligkeit des gebrochenen Strahls abnimmt und die Helligkeit des reflektierten Strahls im Gegenteil zunimmt. Es ist klar, dass, wenn wir den Einfallswinkel weiter vergrößern, der Brechungswinkel 90° erreicht, der gebrochene Strahl verschwindet und der einfallende Strahl vollständig (ohne Energieverlust) zum ersten Medium zurückkehrt – das Licht wird sein vollständig reflektiert.

Das Phänomen, bei dem es zu keiner Lichtbrechung kommt (Licht wird vollständig von einem Medium mit geringerer optischer Dichte reflektiert), wird als Totalreflexion des Lichts bezeichnet.

Das Phänomen der Totalreflexion des Lichts ist allen bekannt, die mit offenen Augen unter Wasser geschwommen sind (Abb. 12.6).

Reis. 12.6. Für einen Beobachter unter Wasser erscheint ein Teil der Wasseroberfläche glänzend, wie ein Spiegel

Juweliere nutzen seit Jahrhunderten das Phänomen der Totalreflexion, um die Attraktivität von Edelsteinen zu steigern. Natursteine ​​werden geschnitten – sie erhalten die Form von Polyedern: Die Kanten des Steins fungieren als „Innenspiegel“ und der Stein „spielt“ mit den auf ihn fallenden Lichtstrahlen.

Die Totalreflexion wird in der optischen Technik häufig eingesetzt (Abb. 12.7). Die Hauptanwendung dieses Phänomens liegt jedoch in der Faseroptik. Wenn ein Lichtstrahl auf das Ende einer massiven dünnen „Glasröhre“ gerichtet wird, tritt das Licht nach wiederholter Reflexion am gegenüberliegenden Ende aus, unabhängig davon, ob die Röhre gebogen oder gerade ist. Eine solche Röhre wird als Lichtleiter bezeichnet (Abb. 12.8).

Lichtleiter werden in der Medizin zur Untersuchung innerer Organe (Endoskopie) eingesetzt; in der Technik, insbesondere zum Erkennen von Fehlern innerhalb von Motoren ohne deren Demontage; zur Beleuchtung von Innenräumen mit Sonnenlicht etc. (Abb. 12.9).

Am häufigsten werden jedoch Lichtleiter als Kabel zur Informationsübertragung verwendet (Abb. 12.10). „Glaskabel“ ist viel billiger und leichter als Kupferkabel, verändert seine Eigenschaften unter Umwelteinflüssen praktisch nicht und ermöglicht die Übertragung von Signalen über große Entfernungen ohne Verstärkung. Heutzutage ersetzen Glasfaser-Kommunikationsleitungen schnell die herkömmlichen. Wenn Sie fernsehen oder das Internet nutzen, denken Sie daran, dass das Signal einen erheblichen Teil seines Wegs entlang der „gläsernen Straße“ zurücklegt.

Lernen, Probleme zu lösen Problem. Der Lichtstrahl gelangt vom Medium 1 zum Medium 2 (Abb. 12.11, a). Die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Medium 1 beträgt 2,4 · 10 8 m/s. Bestimmen Sie den absoluten Brechungsindex von Medium 2 und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in Medium 2.

Analyse eines physikalischen Problems

Aus Abb. 12.11, und wir sehen, dass an der Grenzfläche zwischen zwei Medien Licht gebrochen wird, was bedeutet, dass sich die Geschwindigkeit seiner Ausbreitung ändert.

Machen wir eine erläuternde Zeichnung (Abb. 12.11, b), in der:

1) Zeichnen Sie die in der Problemstellung angegebenen Strahlen;

2) Zeichnen Sie eine Senkrechte durch den Einfallspunkt des Strahls zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien.

3) Bezeichnen wir den Einfallswinkel mit α und den Brechungswinkel mit γ.

Der absolute Brechungsindex ist der Brechungsindex relativ zum Vakuum. Um das Problem zu lösen, sollte man sich daher den Wert der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum merken und die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Medium 2 (v 2) ermitteln.

Um v 2 zu finden, bestimmen wir den Sinus des Einfallswinkels und den Sinus des Brechungswinkels.

Lösungsanalyse. Gemäß den Bedingungen des Problems ist der Einfallswinkel größer als der Brechungswinkel, und das bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit im Medium 2 geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit im Medium 1. Daher sind die erhaltenen Ergebnisse real.

Fassen wir es zusammen

Ein Lichtstrahl, der auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien fällt, wird in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer von ihnen – reflektiert – wird von der Oberfläche reflektiert und gehorcht den Gesetzen der Lichtreflexion. Das zweite – gebrochene – gelangt in das zweite Medium und ändert seine Richtung.

Gesetze der Lichtbrechung:

1. Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die durch den Einfallspunkt des Strahls gezogene Senkrechte auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien liegen in derselben Ebene.

2. Für zwei gegebene Medien ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels α zum Sinus des Brechungswinkels γ ein konstanter Wert:

Der Grund für die Lichtbrechung ist eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Übergang von einem Medium in ein anderes. Der relative Brechungsindex n 2 i gibt an, wie oft die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium 1 größer (oder kleiner) als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ist

in Umgebung 2:

Wenn Licht aus einem Vakuum in ein Medium eintritt, wird der Brechungsindex n als absoluter Brechungsindex bezeichnet: n = c/v.

Wenn beim Übergang des Lichts von Medium 1 zu Medium 2 die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung abgenommen hat (d. h. der Brechungsindex von Medium 2 ist größer als der Brechungsindex von Medium 1: n 2 > n 1), dann ist dies der Fall sagte, dass das Licht von einem Medium mit geringerer optischer Dichte zu einem Medium mit höherer optischer Dichte überging (und umgekehrt).

Kontrollfragen

1. Welche Experimente bestätigen das Phänomen der Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien? 2. Formulieren Sie die Gesetze der Lichtbrechung. 3. Was ist der Grund für die Lichtbrechung? 4. Was zeigt der Brechungsindex von Licht? 5. Wie hängt die Lichtgeschwindigkeit mit der optischen Dichte des Mediums zusammen? 6. Definieren Sie den absoluten Brechungsindex.

Übung Nr. 12

1. Den Reis umfüllen. 1 pro Notizbuch. Unter der Annahme, dass Medium 1 eine höhere optische Dichte als Medium 2 hat, konstruieren Sie für jeden Fall schematisch den einfallenden (oder gebrochenen) Strahl und geben Sie den Einfallswinkel und den Brechungswinkel an.

2. Berechnen Sie die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in Diamant. Wasser; Luft.

3. Ein Lichtstrahl fällt in einem Winkel von 60° aus der Luft ins Wasser. Der Winkel zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl beträgt 80°. Berechnen Sie den Brechungswinkel des Strahls.

4. Wenn wir am Ufer eines Stausees stehen und versuchen, seine Tiefe mit dem Auge zu bestimmen, erscheint er immer kleiner, als er tatsächlich ist. Mit Abb. 2. Erklären Sie, warum das so ist.

5. Wie lange dauert es, bis Licht vom Grund eines 900 m tiefen Sees bis zur Wasseroberfläche gelangt?

6. Erklären Sie den am Anfang von § 12 beschriebenen „Trick“ mit dem Ring (Münze) (siehe Abb. 12.1).

7. Ein Lichtstrahl geht von Medium 1 zu Medium 2 (Abb. 3). Die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Medium 1 beträgt 2,5 · 10 8 m/s. Definieren:

1) welches Medium hat die höchste optische Dichte;

2) Brechungsindex von Medium 2 relativ zu Medium 1;

3) Geschwindigkeit der Lichtausbreitung im Medium 2;

4) der absolute Brechungsindex jedes Mediums.

8. Die Folge der Lichtbrechung in der Erdatmosphäre ist das Auftreten von Fata Morgana sowie die Tatsache, dass wir die Sonne und die Sterne etwas höher als ihre tatsächliche Position sehen. Nutzen Sie zusätzliche Informationsquellen und erfahren Sie mehr über diese Naturphänomene.

Experimentelle Aufgaben

1. „Münztrick.“ Führen Sie das Münzexperiment (siehe Abbildung 12.1) einem Ihrer Freunde oder Ihrer Familie vor und erklären Sie es.

2. „Wasserspiegel“. Beobachten Sie die Totalreflexion des Lichts. Füllen Sie dazu das Glas etwa zur Hälfte mit Wasser. Legen Sie einen Gegenstand in das Glas, beispielsweise das Gehäuse eines Plastikstifts, vorzugsweise mit einer Aufschrift. Halten Sie das Glas in der Hand und platzieren Sie es in einem Abstand von ca. 25–30 cm von Ihren Augen (siehe Bild). Während des Experiments sollten Sie den Stiftkörper im Auge behalten.

Wenn Sie zunächst nach oben schauen, sehen Sie den gesamten Körper des Stifts (sowohl Unterwasser- als auch Überwasserteile). Bewegen Sie das Glas langsam von sich weg, ohne seine Höhe zu verändern.

Wenn das Glas weit genug von Ihren Augen entfernt ist, wird die Wasseroberfläche für Sie spiegelglatt – Sie sehen ein Spiegelbild des Unterwasserteils des Griffkörpers.

Erklären Sie das beobachtete Phänomen.

LABORARBEIT Nr. 4

Thema. Studium der Lichtbrechung.

Zweck: Bestimmung des Brechungsindex von Glas relativ zu Luft.

Ausrüstung: Glasplatte mit parallelen Kanten, Bleistift, Winkel mit Millimeterskala, Zirkel.

BEDIENUNGSANLEITUNG

Vorbereitung auf das Experiment

1. Denken Sie vor der Durchführung der Arbeiten daran:

1) Sicherheitsanforderungen beim Arbeiten mit Glasgegenständen;

2) Gesetze der Lichtbrechung;

3) Formel zur Bestimmung des Brechungsindex.

2. Bereiten Sie Zeichnungen vor, um die Arbeiten abzuschließen (siehe Abb. 1). Dafür:

1) Legen Sie die Glasplatte auf eine Notizbuchseite und zeichnen Sie mit einem angespitzten Bleistift den Umriss der Platte nach.

2) auf dem Segment, das der Position der oberen Brechungskante der Platte entspricht:

Punkt O markieren;

Zeichnen Sie eine gerade Linie k durch den Punkt O, senkrecht zu diesem Segment;

Konstruieren Sie mit einem Zirkel einen Kreis mit einem Radius von 2,5 cm und einem Mittelpunkt im Punkt O;

3) Zeichnen Sie in einem Winkel von etwa 45° einen Strahl, der die Richtung des auf Punkt O einfallenden Lichtstrahls festlegt; Markieren Sie den Schnittpunkt des Strahls und des Kreises mit dem Buchstaben A;

4) Wiederholen Sie die in den Schritten 1 bis 3 beschriebenen Schritte noch zweimal (führen Sie zwei weitere Zeichnungen durch), indem Sie zunächst den angegebenen Einfallswinkel des Lichtstrahls vergrößern und dann verringern.

Experiment

Befolgen Sie unbedingt die Sicherheitshinweise (siehe Vorsatzblatt des Lehrbuchs).

1. Legen Sie eine Glasplatte auf den ersten Kreislauf.

2. Wenn Sie den AO-Strahl durch das Glas betrachten, platzieren Sie den Punkt M am unteren Rand der Platte, sodass er sich scheinbar auf der Fortsetzung des AO-Strahls befindet (Abb. 2).

3. Wiederholen Sie die in den Schritten 1 und 2 beschriebenen Schritte für zwei weitere Stromkreise.

Verarbeitung der Versuchsergebnisse

Tragen Sie die Ergebnisse der Messungen und Berechnungen sofort in die Tabelle ein.

Für jedes Experiment (siehe Abb. 3):

1) Zeichnen Sie den gebrochenen Strahl OM;

2) Finden Sie den Schnittpunkt des Strahls OM mit dem Kreis (Punkt B);

3) Messen Sie von den Punkten A und B, den unteren Senkrechten zur Geraden k, die Längen a und b der resultierenden Segmente und den Radius des Kreises r;

4) Bestimmen Sie den Brechungsindex von Glas relativ zu Luft:

Analyse des Experiments und seiner Ergebnisse

Analysieren Sie das Experiment und seine Ergebnisse. Formulieren Sie eine Schlussfolgerung, in der Sie angeben: 1) welche physikalische Größe Sie bestimmt haben; 2) Welches Ergebnis haben Sie erhalten? 3) Hängt der Wert des erhaltenen Werts vom Einfallswinkel des Lichts ab? 4) Was sind die Gründe für den möglichen Fehler des Experiments?

Kreative Aufgabe

Mit Abb. 4. Überlegen Sie sich einen Plan für die Durchführung eines Experiments zur Bestimmung des Brechungsindex von Wasser relativ zu Luft und schreiben Sie ihn auf. Führen Sie nach Möglichkeit ein Experiment durch.

Aufgabe mit Sternchen

wobei p meas der während des Experiments erhaltene Wert des Brechungsindex von Glas relativ zu Luft ist; n ist der tabellierte Wert des absoluten Brechungsindex des Glases, aus dem die Platte besteht (erkundigen Sie sich bei Ihrem Lehrer).

Das ist Lehrbuchmaterial

Das Phänomen der Lichtbrechung ist ein physikalisches Phänomen, das immer dann auftritt, wenn eine Welle von einem Material zu einem anderen wandert und sich dabei ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert. Optisch äußert es sich dadurch, dass sich die Richtung der Wellenausbreitung ändert.

Physik: Lichtbrechung

Trifft der einfallende Strahl im 90°-Winkel auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien, passiert nichts, er setzt seine Bewegung im rechten Winkel zur Grenzfläche in die gleiche Richtung fort. Weicht der Einfallswinkel des Strahls von 90° ab, kommt es zum Phänomen der Lichtbrechung. Dies erzeugt beispielsweise so seltsame Effekte wie den scheinbaren Bruch eines teilweise im Wasser versunkenen Objekts oder die in einer heißen Sandwüste beobachteten Fata Morgana.

Geschichte der Entdeckung

Im ersten Jahrhundert n. Chr e. Der antike griechische Geograph und Astronom Ptolemaios versuchte, den Wert der Brechung mathematisch zu erklären, aber das von ihm vorgeschlagene Gesetz erwies sich später als unzuverlässig. Im 17. Jahrhundert Der niederländische Mathematiker Willebrord Snell entwickelte ein Gesetz, das die mit dem Verhältnis von Einfalls- und Brechungswinkel verbundene Größe bestimmte, die später als Brechungsindex einer Substanz bezeichnet wurde. Grundsätzlich gilt: Je stärker ein Stoff Licht brechen kann, desto größer ist dieser Indikator. Ein Bleistift im Wasser ist „kaputt“, weil die von ihm ausgehenden Strahlen an der Luft-Wasser-Grenzfläche ihren Weg ändern, bevor sie die Augen erreichen. Zu Snells Enttäuschung gelang es ihm nie, die Ursache für diesen Effekt herauszufinden.

Im Jahr 1678 entwickelte ein anderer niederländischer Wissenschaftler, Christiaan Huygens, eine mathematische Beziehung, um Snells Beobachtungen zu erklären, und schlug vor, dass das Phänomen der Lichtbrechung das Ergebnis der unterschiedlichen Geschwindigkeit ist, mit der ein Strahl zwei Medien passiert. Huygens stellte fest, dass das Verhältnis der Winkel des Lichts, das durch zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes geht, gleich dem Verhältnis seiner Geschwindigkeiten in jedem Material sein sollte. Daher postulierte er, dass sich Licht langsamer durch Medien mit einem höheren Brechungsindex bewegt. Mit anderen Worten: Die Lichtgeschwindigkeit durch ein Material ist umgekehrt proportional zu seinem Brechungsindex. Obwohl das Gesetz später experimentell bestätigt wurde, war dies für viele Forscher dieser Zeit nicht offensichtlich, da es keine zuverlässigen Lichtmittel gab. Den Wissenschaftlern schien es, dass seine Geschwindigkeit nicht vom Material abhängt. Nur 150 Jahre nach Huygens‘ Tod wurde die Lichtgeschwindigkeit mit ausreichender Genauigkeit gemessen, um zu beweisen, dass er Recht hatte.

Absoluter Brechungsindex

Der absolute Brechungsindex n einer transparenten Substanz oder eines transparenten Materials ist definiert als die relative Geschwindigkeit, mit der Licht durch sie hindurchgeht, relativ zur Geschwindigkeit im Vakuum: n=c/v, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und v ist die Lichtgeschwindigkeit im Material.

Offensichtlich gibt es in einem Vakuum ohne jegliche Substanz keine Lichtbrechung, und darin ist der absolute Index gleich 1. Für andere transparente Materialien ist dieser Wert größer als 1. Um die Indizes unbekannter Materialien zu berechnen, wird die Brechung benötigt Lichtstärke in Luft (1.0003) verwendet werden.

Snellsche Gesetze

Lassen Sie uns einige Definitionen vorstellen:

• einfallender Strahl – ein Strahl, der sich der Medientrennung nähert;
• Aufprallpunkt – der Trennungspunkt, an dem es auftrifft;
• der gebrochene Strahl verlässt die Medientrennung;
• normal – eine Linie, die senkrecht zur Teilung am Einfallspunkt gezogen wird;
• Einfallswinkel – der Winkel zwischen der Normalen und dem einfallenden Strahl;
• Licht kann als Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Normalen definiert werden.

Nach den Brechungsgesetzen:

1. Der einfallende, gebrochene Strahl und die Normale liegen in derselben Ebene.
2. Das Verhältnis der Sinuswerte der Einfalls- und Brechungswinkel ist gleich dem Verhältnis der Brechungskoeffizienten des zweiten und ersten Mediums: sin i/sin r = n r /n i.

Das Snelliussche Lichtbrechungsgesetz beschreibt die Beziehung zwischen den Winkeln zweier Wellen und den Brechungsindizes zweier Medien. Wenn sich eine Welle von einem weniger brechenden Medium (z. B. Luft) zu einem stärker brechenden Medium (z. B. Wasser) bewegt, nimmt ihre Geschwindigkeit ab. Im Gegenteil, wenn Licht vom Wasser in die Luft gelangt, erhöht sich die Geschwindigkeit. im ersten Medium relativ zur Normalen und der Brechungswinkel im zweiten Medium wird sich proportional zum Unterschied der Brechungsindizes zwischen diesen beiden Substanzen unterscheiden. Wenn eine Welle von einem Medium mit niedrigem Koeffizienten in ein Medium mit höherem Koeffizienten übergeht, krümmt sie sich in Richtung der Normalen. Und wenn es umgekehrt ist, wird es gelöscht.

Relativer Brechungsindex

Zeigt, dass das Verhältnis der Sinuswerte des einfallenden und des gebrochenen Winkels einer Konstante entspricht, die das Verhältnis in beiden Medien darstellt.

sin i/sin r = n r /n i =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r

Das Verhältnis n r /n i wird für diese Stoffe als relativer Brechungsindex bezeichnet.

Eine Reihe von Phänomenen, die aus der Brechung resultieren, werden im Alltag häufig beobachtet. Der „kaputte“ Bleistifteffekt ist einer der häufigsten. Augen und Gehirn folgen den Strahlen zurück ins Wasser, als würden sie nicht gebrochen, sondern in einer geraden Linie vom Objekt ausgehen, wodurch ein virtuelles Bild entsteht, das in geringerer Tiefe erscheint.

Streuung

Sorgfältige Messungen zeigen, dass die Lichtbrechung stark von der Wellenlänge der Strahlung oder ihrer Farbe abhängt. Mit anderen Worten: Eine Substanz hat viele, die sich ändern können, wenn sich Farbe oder Wellenlänge ändern.

Diese Änderung tritt in allen transparenten Medien auf und wird Dispersion genannt. Der Grad der Dispersion eines bestimmten Materials hängt davon ab, wie stark sich sein Brechungsindex mit der Wellenlänge ändert. Mit zunehmender Wellenlänge wird das Phänomen der Lichtbrechung weniger ausgeprägt. Dies wird durch die Tatsache bestätigt, dass Violett stärker gebrochen wird als Rot, da seine Wellenlänge kürzer ist. Dank der Streuung in gewöhnlichem Glas kommt es zu einer gewissen Aufspaltung des Lichts in seine Bestandteile.

Zersetzung von Licht

Im späten 17. Jahrhundert führte Sir Isaac Newton eine Reihe von Experimenten durch, die zu seiner Entdeckung des sichtbaren Spektrums führten und zeigte, dass weißes Licht aus einer geordneten Reihe von Farben besteht, die von Violett über Blau, Grün, Gelb und Orange bis hin zu Blau, Grün, Gelb und Orange reichen mit rot. Newton arbeitete in einem abgedunkelten Raum und platzierte ein Glasprisma in einem schmalen Strahl, der durch eine Öffnung in den Fensterläden eindrang. Beim Durchgang durch ein Prisma wurde Licht gebrochen – das Glas projizierte es in Form eines geordneten Spektrums auf die Leinwand.

Newton kam zu dem Schluss, dass weißes Licht aus einer Mischung verschiedener Farben besteht und dass ein Prisma weißes Licht „streut“ und jede Farbe in einem anderen Winkel bricht. Newton war nicht in der Lage, die Farben zu trennen, indem er sie durch ein zweites Prisma leitete. Als er jedoch das zweite Prisma so nahe am ersten platzierte, dass alle gestreuten Farben in das zweite Prisma gelangten, stellte der Wissenschaftler fest, dass sich die Farben wieder zu weißem Licht vereinten. Diese Entdeckung bewies überzeugend das Spektrum, das sich leicht teilen und kombinieren lässt.

Das Phänomen der Ausbreitung spielt bei einer Vielzahl von Phänomenen eine Schlüsselrolle. Regenbögen entstehen durch die Lichtbrechung in Regentropfen und erzeugen eine spektakuläre Darstellung der spektralen Zerlegung, ähnlich der in einem Prisma.

Kritischer Winkel und Totalreflexion

Beim Durchgang durch ein Medium mit höherem Brechungsindex in ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex wird der Weg der Wellen durch den Einfallswinkel relativ zum Abstand der beiden Materialien bestimmt. Überschreitet der Einfallswinkel einen bestimmten Wert (abhängig vom Brechungsindex der beiden Materialien), erreicht er einen Punkt, an dem das Licht nicht mehr in das Medium mit dem niedrigeren Index gebrochen wird.

Der kritische (oder Grenz-)Winkel ist definiert als der Einfallswinkel, der zu einem Brechungswinkel von 90° führt. Mit anderen Worten: Solange der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel ist, findet eine Brechung statt, und wenn er diesem entspricht, verläuft der gebrochene Strahl an der Stelle entlang, an der sich die beiden Materialien trennen. Überschreitet der Einfallswinkel den kritischen Winkel, wird das Licht zurückreflektiert. Dieses Phänomen wird Totalreflexion genannt. Beispiele für seine Verwendung sind Diamanten und der Diamantschliff fördert die Totalreflexion. Die meisten Strahlen, die durch die Oberseite des Diamanten eintreten, werden reflektiert, bis sie die Oberfläche erreichen. Dies verleiht Diamanten ihren brillanten Glanz. Glasfasern bestehen aus Glashärchen, die so dünn sind, dass Licht, das an einem Ende eindringt, nicht entweichen kann. Und erst wenn der Strahl das andere Ende erreicht, kann er die Faser verlassen.

Verstehen und managen

Optische Instrumente, von Mikroskopen und Teleskopen über Kameras und Videoprojektoren bis hin zum menschlichen Auge, sind darauf angewiesen, dass Licht fokussiert, gebrochen und reflektiert werden kann.

Brechung erzeugt eine Vielzahl von Phänomenen, darunter Fata Morgana, Regenbögen und optische Täuschungen. Durch die Lichtbrechung erscheint ein dicker Krug Bier voller, und die Sonne geht ein paar Minuten später unter, als sie es tatsächlich tut. Millionen Menschen nutzen die Kraft der Brechung, um Sehfehler mit Brillen und Kontaktlinsen zu korrigieren. Indem wir diese Eigenschaften des Lichts verstehen und manipulieren, können wir Details sehen, die für das bloße Auge unsichtbar sind, egal ob sie sich auf einem Objektträger oder in einer entfernten Galaxie befinden.

Das Phänomen der Lichtbrechung.

Trifft ein Lichtstrahl auf eine Fläche, die zwei transparente Medien unterschiedlicher optischer Dichte, beispielsweise Luft und Wasser, trennt, so wird ein Teil des Lichts von dieser Fläche reflektiert und der andere Teil dringt in das zweite Medium ein. Beim Übergang von einem Medium in ein anderes ändert ein Lichtstrahl an der Grenze dieser Medien seine Richtung. Dieses Phänomen wird Lichtbrechung genannt.

Schauen wir uns die Lichtbrechung genauer an. Abbildung n zeigt: einfallender Strahl JSC, gebrochener Strahl OB und senkrecht CD, vom Aufprallpunkt erholt UM zur Oberfläche, die zwei verschiedene Umgebungen trennt. Ecke AOC- Einfallswinkel, Winkel Geburtsdatum- Brechungswinkel. Brechungswinkel Geburtsdatum kleiner als der Einfallswinkel AOC.

Ein Lichtstrahl bei Der Übergang von Luft zu Wasser ändert seine Richtung und nähert sich der Senkrechten CD. Wasser ist ein Medium, das optisch dichter ist als Luft. Wenn Wasser durch ein anderes transparentes Medium ersetzt wird, das optisch dichter als Luft ist, nähert sich der gebrochene Strahl ebenfalls der Senkrechten. Daher können wir sagen: Kommt Licht von einem optisch weniger dichten Medium zu einem dichteren Medium, dann ist der Brechungswinkel immer kleiner als der Einfallswinkel.

Experimente zeigen, dass bei gleichem Einfallswinkel der Brechungswinkel umso kleiner ist, je optisch dichter das Medium ist, in das der Strahl eindringt.
Wenn ein Spiegel auf dem Weg des gebrochenen Strahls senkrecht zum Strahl platziert wird, wird das Licht vom Spiegel reflektiert und gelangt in Richtung des einfallenden Strahls aus dem Wasser in die Luft. Folglich sind einfallende und gebrochene Strahlen ebenso reversibel wie einfallende und reflektierte Strahlen.
Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein weniger dichtes Medium gelangt, ist der Brechungswinkel des Strahls größer als der Einfallswinkel.

Machen wir zu Hause ein kleines Experiment. Ich bin zu Hause ein kleines Experiment. Bin Wenn Sie einen Bleistift in ein Glas Wasser stecken, scheint er kaputt zu sein. E Dies kann nur dadurch erklärt werden, dass die vom Bleistift ausgehenden Lichtstrahlen im Wasser eine andere Richtung haben als in der Luft, d. h. die Lichtbrechung erfolgt an der Grenze zwischen Luft und Wasser. Beim Übergang von Licht von einem Medium zum anderen wird ein Teil des auf das Medium einfallenden Lichts an der Grenzfläche reflektiert. Der Rest des Lichts dringt in die neue Umgebung ein. Fällt Licht in einem anderen als geraden Winkel auf die Grenzfläche, ändert der Lichtstrahl seine Richtung von der Grenzfläche aus.
Dies wird als Phänomen der Lichtbrechung bezeichnet. Das Phänomen der Lichtbrechung wird an der Grenze zweier transparenter Medien beobachtet und erklärt sich aus der unterschiedlichen Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in verschiedenen Medien. Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit etwa 300.000 km/s, in allen anderen

Mit edah, es ist kleiner.

Das Bild unten zeigt einen Strahl, der sich von Luft zu Wasser bewegt. Der Winkel heißt Einfallswinkel des Strahls, A - Brechungswinkel. Beachten Sie, dass sich der Strahl im Wasser der Normalen annähert. Dies geschieht immer dann, wenn der Strahl auf ein Medium trifft, in dem die Lichtgeschwindigkeit geringer ist. Wenn sich Licht von einem Medium in ein anderes ausbreitet, wo die Lichtgeschwindigkeit größer ist, dann weicht es von der Normalen ab.

Die Brechung ist für eine Reihe bekannter optischer Täuschungen verantwortlich. Für einen Beobachter am Ufer scheint es beispielsweise, dass eine Person, die hüfttiefes Wasser betreten hat, kürzere Beine hat.

Gesetze der Lichtbrechung.

Aus allem Gesagten kommen wir zu dem Schluss:
1 . An der Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher optischer Dichte ändert ein Lichtstrahl beim Übergang von einem Medium in ein anderes seine Richtung.
2. Wenn ein Lichtstrahl in ein Medium mit größerer Größe eindringtBrechungswinkel der optischen Dichtegeringerer Einfallswinkel; wenn ein Lichtstrahl durchgehtvon einem optisch dichteren Medium zu einem weniger dichten Mediumdichter Brechungswinkel größer als der Einfallswinkelnia.
Die Lichtbrechung geht mit einer Reflexion einher, und mit zunehmendem Einfallswinkel nimmt die Helligkeit des reflektierten Strahls zu und der gebrochene Strahl wird schwächer. Dies kann man durch Experimentieren erkennen in der Abbildung dargestellt. MIT Daher nimmt der reflektierte Strahl umso mehr Lichtenergie mit, je größer der Einfallswinkel ist.

Lassen MN- die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien, zum Beispiel Luft und Wasser, JSC- einfallender Strahl, OB- gebrochener Strahl, - Einfallswinkel, - Brechungswinkel, - Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium, - Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im zweiten Medium.

Das erste Brechungsgesetz lautet wie folgt: Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für diese beiden Medien ein konstanter Wert:

, wobei der relative Brechungsindex (der Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten) ist.

Der zweite Hauptsatz der Lichtbrechung ist dem zweiten Hauptsatz der Lichtreflexion sehr ähnlich:

der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die Senkrechte zum Einfallspunkt des Strahls liegen in derselben Ebene.

Absoluter Brechungsindex.

Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist fast gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: mit m/s.

Wenn Licht aus einem Vakuum in ein Medium eindringt, dann

wobei n der absolute Brechungsindex ist dieser Umgebung. Der relative Brechungsindex zweier Medien hängt mit den absoluten Brechungsindizes dieser Medien zusammen, wobei und jeweils die absoluten Brechungsindizes des ersten und zweiten Mediums sind.

Absolute Brechungsindizes des Lichts:

Substanz

Diamant 2,42. Quarz 1,54. Luft (unter normalen Bedingungen) 1,00029. Ethylalkohol 1,36. Wasser 1.33. Eis 1.31. Terpentin 1,47. Quarzglas 1,46. 1,52 CZK. Leichter Feuerstein 1,58. Natriumchlorid (Salz) 1,53.

(Wie wir später sehen werden, ist der Brechungsindex N variiert je nach Wellenlänge des Lichts etwas – nur im Vakuum behält es einen konstanten Wert. Daher entsprechen die in der Tabelle angegebenen Daten gelbem Licht mit einer Wellenlänge von .)

Da sich zum Beispiel bei einem Diamanten Licht mit einer Geschwindigkeit ausbreitet

Optische Dichte des Mediums.

Wenn der absolute Brechungsindex des ersten Mediums kleiner ist als der absolute Brechungsindex des zweiten Mediums, dann hat das erste Medium eine geringere optische Dichte als das zweite und > . Die optische Dichte eines Mediums darf nicht mit der Dichte eines Stoffes verwechselt werden.

Durchgang von Licht durch eine planparallele Platte und ein Prisma.

Der Lichtdurchgang durch transparente Körper unterschiedlicher Form ist von großer praktischer Bedeutung. Betrachten wir die einfachsten Fälle.
Lassen Sie uns einen Lichtstrahl durch eine dicke planparallele Platte (eine Platte, die durch parallele Kanten begrenzt ist) richten. Beim Durchgang durch die Platte wird ein Lichtstrahl zweimal gebrochen: einmal beim Eintritt in die Platte, das zweite Mal beim Austritt aus der Platte in die Luft.

Ein Lichtstrahl, der die Platte durchdringt, bleibt parallel zu seiner ursprünglichen Richtung und verschiebt sich nur geringfügig. Diese Verschiebung ist umso größer, je dicker die Platte und je größer der Einfallswinkel ist. Das Ausmaß der Verschiebung hängt auch vom Material ab, aus dem die Platte besteht.
Ein Beispiel für eine planparallele Platte ist Fensterglas. Aber wenn wir Objekte durch Glas betrachten, bemerken wir keine Veränderungen in ihrer Lage und Form, weil das Glas dünn ist; Lichtstrahlen passieren Fensterglas bewegt sich leicht.
Wenn Sie ein Objekt durch ein Prisma betrachten, erscheint das Objekt verschoben. Ein von einem Objekt kommender Lichtstrahl fällt an einem Punkt auf ein Prisma A, bricht und geht in das Prisma hinein in die Richtung AB Die zweite Fläche des Prismas erreicht. Der Lichtstrahl wird erneut gebrochen und zur Basis des Prismas hin abgelenkt. Daher scheint der Strahl von einem Punkt zu kommen. gelegen Basierend auf der Fortsetzung des Strahls BC scheint das Objekt zum Scheitelpunkt des Winkels verschoben zu sein, der durch die brechenden Flächen des Prismas gebildet wird.

Vollständige Lichtreflexion.

Ein schöner Anblick ist der Brunnen, dessen austretende Wasserstrahlen von innen beleuchtet werden. (Dies kann dargestellt werden in normale Bedingungen, nachdem ich das folgende Experiment Nr. 1 durchgeführt hatte). Lassen Sie uns dieses Phänomen im Folgenden etwas erklären.

Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes Medium gelangt, wird das Phänomen der Totalreflexion des Lichts beobachtet. Der Brechungswinkel ist in diesem Fall größer im Vergleich zum Einfallswinkel (Abb. 141). Mit zunehmendem Einfallswinkel der Lichtstrahlen von der Quelle S an der Schnittstelle zwischen zwei Medien MN Es wird ein Moment kommen, in dem der Strahl gebrochen wird wird entlang der Schnittstelle zwischen zwei Medien gehen, das heißt = 90°.

Der Einfallswinkel, der dem Brechungswinkel = 90° entspricht, wird Grenzwinkel der Totalreflexion genannt.

Wird dieser Winkel überschritten, verlassen die Strahlen das erste Medium überhaupt nicht, es wird lediglich das Phänomen der Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen zwei Medien beobachtet.

Aus dem ersten Brechungsgesetz:

Seit damals.

Wenn das zweite Medium Luft (Vakuum) ist, wo dann? N - der absolute Brechungsindex des Mediums, aus dem die Strahlen kommen.

Die Erklärung des in Ihrem Experiment beobachteten Phänomens ist recht einfach. Ein Lichtstrahl verläuft entlang eines Wasserstrahls und trifft in einem Winkel, der größer als der Grenzwinkel ist, auf eine gekrümmte Oberfläche, erfährt eine Totalreflexion und trifft dann erneut in einem Winkel, der wiederum größer als der Grenzwinkel ist, auf die gegenüberliegende Seite des Stroms. Der Strahl verläuft also am Strahl entlang und biegt sich mit ihm mit.

Würde das Licht jedoch vollständig im Inneren des Strahls reflektiert, wäre es von außen nicht sichtbar. Ein Teil des Lichts wird durch Wasser, Luftblasen und verschiedene darin vorhandene Verunreinigungen sowie durch die unebene Oberfläche des Strahls gestreut und ist daher von außen sichtbar.