Wie groß ist der Brechungsindex des Mediums? Merkmale des Phänomens der Lichtbrechung aus physikalischer Sicht
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 der modernen 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 (einer Struktur) in ein anderes bewegt.
Um unser Verständnis dieses Prozesses zu verbessern, 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 ein konstanter Wert, der 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 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 (Brewster-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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Ticket 75.
Gesetz der Lichtreflexion: Der einfallende und der reflektierte Strahl sowie die am Einfallspunkt des Strahls rekonstruierte Senkrechte zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien liegen in derselben Ebene (Einfallsebene). Der Reflexionswinkel γ ist gleich dem Einfallswinkel α.
Gesetz der Lichtbrechung: Der einfallende und der gebrochene Strahl sowie die am Einfallspunkt des Strahls rekonstruierte Senkrechte zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien liegen in derselben Ebene. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels α zum Sinus des Brechungswinkels β ist für zwei gegebene Medien ein konstanter Wert:
Die Gesetze der Reflexion und Brechung werden in der Wellenphysik erklärt. Nach Wellenkonzepten ist die Brechung eine Folge von Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen beim Übergang von einem Medium in ein anderes. Physikalische Bedeutung des Brechungsindex ist das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen im ersten Medium υ 1 zur Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung im zweiten Medium υ 2:
Abbildung 3.1.1 veranschaulicht die Gesetze der Reflexion und Brechung von Licht.
Ein Medium mit einem niedrigeren absoluten Brechungsindex wird als optisch weniger dicht bezeichnet.
Wenn Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes Medium übergeht n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать Phänomen der Totalreflexion, also das Verschwinden des gebrochenen Strahls. Dieses Phänomen wird bei Einfallswinkeln beobachtet, die einen bestimmten kritischen Winkel α pr überschreiten, der als bezeichnet wird Grenzwinkel der Totalreflexion(siehe Abb. 3.1.2).
Für den Einfallswinkel α = α pr sin β = 1; Wert sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Wenn das zweite Medium Luft ist (n 2 ≈ 1), dann ist es zweckmäßig, die Formel in das Formular umzuschreiben
Das Phänomen der Totalreflexion wird in vielen optischen Geräten genutzt. Die interessanteste und praktisch wichtigste Anwendung ist die Herstellung optischer Fasern, bei denen es sich um dünne (von mehreren Mikrometern bis Millimetern) willkürlich gekrümmte Fäden aus optisch transparentem Material (Glas, Quarz) handelt. Licht, das auf das Ende des Lichtleiters fällt, kann sich aufgrund der Totalreflexion an den Seitenflächen über weite Strecken entlang des Lichtleiters ausbreiten (Abbildung 3.1.3). Die wissenschaftliche und technische Richtung bei der Entwicklung und Anwendung optischer Lichtleiter wird als Faseroptik bezeichnet.
Lichtstreuung (Lichtzerlegung)- Dies ist ein Phänomen, das durch die Abhängigkeit des absoluten Brechungsindex einer Substanz von der Frequenz (oder Wellenlänge) des Lichts (Frequenzdispersion) oder, dasselbe, durch die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit des Lichts in einer Substanz von der verursacht wird Wellenlänge (oder Frequenz). Es wurde um 1672 von Newton experimentell entdeckt, obwohl es viel später theoretisch recht gut erklärt wurde.
Räumliche Streuung nennt man die Abhängigkeit des Dielektrizitätskonstantentensors des Mediums vom Wellenvektor. Diese Abhängigkeit verursacht eine Reihe von Phänomenen, die als räumliche Polarisationseffekte bezeichnet werden.
Eines der deutlichsten Beispiele für Streuung - Weißlichtzersetzung beim Durchgang durch ein Prisma (Newtons Experiment). Das Wesen des Dispersionsphänomens ist der Unterschied in der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge in einer transparenten Substanz – einem optischen Medium (während im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Wellenlänge und damit der Farbe immer gleich ist). Typischerweise gilt: Je höher die Frequenz einer Lichtwelle, desto höher ist der Brechungsindex des Mediums dafür und desto geringer ist die Geschwindigkeit der Welle im Medium:
Newtons Experimente Experiment zur Zerlegung von weißem Licht in ein Spektrum: Newton richtete einen Sonnenstrahl durch ein kleines Loch auf ein Glasprisma. Beim Auftreffen auf das Prisma wurde der Strahl gebrochen und ergab an der gegenüberliegenden Wand ein längliches Bild mit einem regenbogenfarbenen Farbwechsel – ein Spektrum. Experiment zum Durchgang von monochromatischem Licht durch ein Prisma: Newton stellte rotes Glas in den Weg eines Sonnenstrahls, hinter dem er monochromatisches Licht (rot) empfing, dann ein Prisma und beobachtete auf dem Bildschirm nur einen roten Fleck des Lichtstrahls. Erfahrung in der Synthese (Erzeugung) von weißem Licht: Zunächst richtete Newton einen Sonnenstrahl auf ein Prisma. Nachdem Newton die aus dem Prisma austretenden farbigen Strahlen mit einer Sammellinse gesammelt hatte, erhielt er anstelle eines farbigen Streifens ein weißes Bild eines Lochs auf einer weißen Wand. Newtons Schlussfolgerungen:- ein Prisma verändert das Licht nicht, sondern zerlegt es nur in seine Bestandteile - Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe unterscheiden sich im Brechungsgrad; Violette Strahlen werden am stärksten gebrochen, rote weniger stark – rotes Licht, das weniger gebrochen wird, hat die höchste Geschwindigkeit, violettes Licht die geringste, weshalb das Prisma das Licht zerlegt. Die Abhängigkeit des Brechungsindex des Lichts von seiner Farbe wird als Dispersion bezeichnet.
Schlussfolgerungen:- Ein Prisma zerlegt Licht. - Weißes Licht ist komplex (zusammengesetzt). - Violette Strahlen werden stärker gebrochen als rote. Die Farbe eines Lichtstrahls wird durch seine Schwingungsfrequenz bestimmt. Beim Übergang von einem Medium zum anderen ändern sich Lichtgeschwindigkeit und Wellenlänge, die Frequenz, die die Farbe bestimmt, bleibt jedoch konstant. Die Grenzen der Bereiche des weißen Lichts und seiner Komponenten werden üblicherweise durch ihre Wellenlängen im Vakuum charakterisiert. Weißes Licht ist eine Ansammlung von Wellen mit Längen von 380 bis 760 nm.
Ticket 77.
Absorption von Licht. Bouguers Gesetz
Die Absorption von Licht in einem Stoff ist mit der Umwandlung der Energie des elektromagnetischen Feldes der Welle in die thermische Energie des Stoffes (bzw. in die Energie der sekundären Photolumineszenzstrahlung) verbunden. Das Gesetz der Lichtabsorption (Bouguer-Gesetz) hat die Form:
Ich=ich 0 exp(- X),(1)
Wo ICH 0 , ICH-Lichtintensität am Eingang (x=0) und die Schicht mittlerer Dicke belassen X, - Absorptionskoeffizient, es kommt darauf an .
Für Dielektrika =10 -1 10 -5 M -1 , für Metalle =10 5 10 7 M -1 , Daher sind Metalle lichtundurchlässig.
Abhängigkeit ( ) erklärt die Farbe absorbierender Körper. Glas, das beispielsweise rotes Licht schlecht absorbiert, erscheint rot, wenn es mit weißem Licht beleuchtet wird.
Streuung von Licht. Rayleighs Gesetz
Lichtbeugung kann in einem optisch inhomogenen Medium auftreten, beispielsweise in einer trüben Umgebung (Rauch, Nebel, staubige Luft usw.). Durch die Beugung an Inhomogenitäten des Mediums erzeugen Lichtwellen ein Beugungsmuster, das durch eine ziemlich gleichmäßige Intensitätsverteilung in alle Richtungen gekennzeichnet ist.
Diese Beugung an kleinen Inhomogenitäten nennt man Streuung von Licht.
Dieses Phänomen wird beobachtet, wenn ein schmaler Sonnenstrahl durch staubige Luft dringt, an Staubpartikeln gestreut wird und sichtbar wird.
Wenn die Größen der Inhomogenitäten im Vergleich zur Wellenlänge klein sind (nicht mehr als 0,1 ), dann ist die Intensität des Streulichts umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge, d.h.
ICH diss ~ 1/ 4 , (2)
Diese Abhängigkeit wird Rayleigh-Gesetz genannt.
Lichtstreuung wird auch in sauberen Medien beobachtet, die keine Fremdpartikel enthalten. Beispielsweise kann es zu Schwankungen (zufälligen Abweichungen) der Dichte, Anisotropie oder Konzentration kommen. Diese Art der Streuung wird molekulare Streuung genannt. Es erklärt zum Beispiel die blaue Farbe des Himmels. Tatsächlich werden nach (2) blaue und blaue Strahlen stärker gestreut als rote und gelbe, weil haben eine kürzere Wellenlänge und verursachen dadurch die blaue Farbe des Himmels.
Ticket 78.
Polarisation von Licht- eine Reihe wellenoptischer Phänomene, in denen sich die transversale Natur elektromagnetischer Lichtwellen manifestiert. Transversalwelle- Teilchen des Mediums schwingen in Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle ( Abb.1).
Abb.1 Transversalwelle
Elektromagnetische Lichtwelle Ebene polarisiert(lineare Polarisation), wenn die Schwingungsrichtungen der Vektoren E und B streng festgelegt sind und in bestimmten Ebenen liegen ( Abb.1). Man spricht von einer eben polarisierten Lichtwelle Ebene polarisiert(linear polarisiertes) Licht. Unpolarisiert(natürliche) Welle – eine elektromagnetische Lichtwelle, bei der die Schwingungsrichtungen der Vektoren E und B in dieser Welle in beliebigen Ebenen senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor v liegen können. Unpolarisiertes Licht- Lichtwellen, bei denen sich die Schwingungsrichtungen der Vektoren E und B chaotisch ändern, sodass alle Schwingungsrichtungen in Ebenen senkrecht zum Wellenausbreitungsstrahl gleich wahrscheinlich sind ( Abb.2).
Abb.2 Unpolarisiertes Licht
Polarisierte Wellen- bei dem die Richtungen der Vektoren E und B im Raum unverändert bleiben oder sich nach einem bestimmten Gesetz ändern. Strahlung, bei der sich die Richtung des Vektors E chaotisch ändert - unpolarisiert. Ein Beispiel für eine solche Strahlung ist Wärmestrahlung (chaotisch verteilte Atome und Elektronen). Polarisationsebene- Dies ist eine Ebene senkrecht zur Schwingungsrichtung des Vektors E. Der Hauptmechanismus für das Auftreten polarisierter Strahlung ist die Streuung der Strahlung an Elektronen, Atomen, Molekülen und Staubpartikeln.
1.2. Arten der Polarisation Es gibt drei Arten der Polarisation. Geben wir ihnen Definitionen. 1. Linear Tritt auf, wenn der elektrische Vektor E seine Position im Raum beibehält. Es scheint die Ebene hervorzuheben, in der der Vektor E schwingt. 2. Rundschreiben Dabei handelt es sich um eine Polarisation, die auftritt, wenn sich der elektrische Vektor E mit einer Winkelgeschwindigkeit, die der Kreisfrequenz der Welle entspricht, um die Richtung der Wellenausbreitung dreht und dabei seinen Absolutwert beibehält. Diese Polarisation charakterisiert die Drehrichtung des Vektors E in einer Ebene senkrecht zur Sichtlinie. Ein Beispiel ist die Zyklotronstrahlung (ein System von Elektronen, die in einem Magnetfeld rotieren). 3. Elliptisch Sie entsteht, wenn sich der Betrag des elektrischen Vektors E so ändert, dass dieser eine Ellipse beschreibt (Rotation des Vektors E). Elliptische und zirkulare Polarisation können rechtshändig (Vektor E dreht sich im Uhrzeigersinn, wenn man in Richtung der sich ausbreitenden Welle blickt) und linkshändig (Vektor E dreht sich gegen den Uhrzeigersinn, wenn man in Richtung der sich ausbreitenden Welle blickt) sein.
In Wirklichkeit kommt es am häufigsten vor teilweise Polarisation (teilweise polarisierte elektromagnetische Wellen). Quantitativ wird es durch einen bestimmten Wert charakterisiert Grad der Polarisierung R, was definiert ist als: P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Wo Imax,Immin- die höchste und niedrigste Dichte des elektromagnetischen Energieflusses durch den Analysator (Polaroid, Nicolas-Prisma...). In der Praxis wird die Strahlungspolarisation häufig durch Stokes-Parameter beschrieben (sie bestimmen Strahlungsflüsse mit einer bestimmten Polarisationsrichtung).
Ticket 79.
Trifft natürliches Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika (z. B. Luft und Glas), wird ein Teil davon reflektiert, ein Teil gebrochen und breitet sich im zweiten Medium aus. Durch die Installation eines Analysators (z. B. Turmalin) im Weg der reflektierten und gebrochenen Strahlen stellen wir sicher, dass die reflektierten und gebrochenen Strahlen teilweise polarisiert sind: Wenn der Analysator um die Strahlen gedreht wird, nimmt die Lichtintensität periodisch zu und schwächt sich ab ( ein vollständiges Abschrecken wird nicht beobachtet!). Weitere Untersuchungen zeigten, dass im reflektierten Strahl Schwingungen senkrecht zur Einfallsebene vorherrschen (sie sind in Abb. 275 durch Punkte gekennzeichnet), während im gebrochenen Strahl Schwingungen parallel zur Einfallsebene (dargestellt durch Pfeile) vorherrschen.
Der Polarisationsgrad (der Grad der Trennung von Lichtwellen bei einer bestimmten Ausrichtung des elektrischen (und magnetischen) Vektors) hängt vom Einfallswinkel der Strahlen und dem Brechungsindex ab. Schottischer Physiker D. Brewster(1781-1868) installiert Gesetz, wonach im Einfallswinkel ich B (Brewster-Winkel), bestimmt durch die Beziehung
(N 21 - Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten), Der reflektierte Strahl ist planpolarisiert(enthält nur Schwingungen senkrecht zur Einfallsebene) (Abb. 276). Der gebrochene Strahl im Einfallswinkelich B maximal polarisiert, aber nicht vollständig.
Trifft Licht im Brewster-Winkel auf eine Grenzfläche, so entstehen die reflektierten und gebrochenen Strahlen zueinander senkrecht(tg ich B = Sünde ich B/cos ich B, N 21 = Sünde ich B / Sünde ich 2 (ich 2 - Brechungswinkel), daher cos ich B=Sünde ich 2). Somit, ich B + ich 2 = /2, aber ich’ B= ich B (Gesetz der Reflexion) also ich’ B+ ich 2 = /2.
Der Grad der Polarisation von reflektiertem und gebrochenem Licht bei verschiedenen Einfallswinkeln lässt sich aus den Maxwellschen Gleichungen berechnen, wenn man die Randbedingungen für das elektromagnetische Feld an der Grenzfläche zwischen zwei isotropen Dielektrika (den sogenannten) berücksichtigt Fresnel-Formeln).
Der Polarisationsgrad des gebrochenen Lichts kann deutlich erhöht werden (durch Mehrfachbrechung, sofern das Licht jeweils im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche trifft). Wenn zum Beispiel für Glas ( n= 1.53) beträgt der Polarisationsgrad des gebrochenen Strahls 15 %, dann ist das aus einem solchen System austretende Licht nach der Brechung in 8–10 übereinander liegende Glasplatten fast vollständig polarisiert. Eine solche Plattensammlung nennt man Fuß. Mit dem Fuß lässt sich polarisiertes Licht sowohl bei seiner Reflexion als auch bei seiner Brechung analysieren.
Ticket 79 (für Spur)
Wie die Erfahrung zeigt, erweist sich bei der Brechung und Reflexion von Licht das gebrochene und reflektierte Licht als polarisiert und die Reflexion. Licht kann bei einem bestimmten Einfallswinkel vollständig polarisiert sein, aber nebenbei. Anhand der Formeln von Frinell lässt sich zeigen, dass Licht immer teilweise polarisiert ist. Licht wird in einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene polarisiert und gebrochen. Das Licht ist in einer Ebene parallel zur Einfallsebene polarisiert.
Der Einfallswinkel, bei dem die Reflexion erfolgt Das Licht ist vollständig polarisiert und wird als Brewster-Winkel bezeichnet. Der Brewster-Winkel wird aus dem Brewster-Gesetz bestimmt: - In diesem Fall der Winkel zwischen den Reflexionen. und Brechung. Bei einem Luft-Glas-System ist der Brewster-Winkel gleich, um eine gute Polarisation zu erzielen. Bei der Lichtbrechung werden viele essbare Oberflächen verwendet, die als Stoletov-Stopp bezeichnet werden.
Ticket 80.
Die Erfahrung zeigt, dass bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie der Haupteffekt (physiologisch, photochemisch, photoelektrisch usw.) durch Schwingungen des Vektors verursacht wird, der in diesem Zusammenhang manchmal als Lichtvektor bezeichnet wird. Um die Muster der Lichtpolarisation zu beschreiben, wird daher das Verhalten des Vektors überwacht.
Die durch die Vektoren gebildete Ebene wird Polarisationsebene genannt.
Wenn Vektorschwingungen in einer festen Ebene auftreten, wird dieses Licht (Strahl) als linear polarisiert bezeichnet. Es wird üblicherweise wie folgt bezeichnet. Wenn der Strahl in einer senkrechten Ebene (in der Ebene) polarisiert ist xoz, siehe Abb. 2 in der zweiten Vorlesung), dann wird es bezeichnet.
Natürliches Licht (von gewöhnlichen Quellen, der Sonne) besteht aus Wellen mit unterschiedlichen, chaotisch verteilten Polarisationsebenen (siehe Abb. 3).
Natürliches Licht wird herkömmlicherweise manchmal als solches bezeichnet. Es wird auch als nicht polarisiert bezeichnet.
Wenn sich der Vektor bei der Ausbreitung der Welle dreht und das Ende des Vektors einen Kreis beschreibt, wird dieses Licht als zirkular polarisiert bezeichnet, und die Polarisation wird als kreisförmig oder zirkulär (rechts oder links) bezeichnet. Es gibt auch elliptische Polarisation.
Es gibt optische Geräte (Filme, Platten usw.) - Polarisatoren, die linear polarisiertes Licht oder teilweise polarisiertes Licht aus natürlichem Licht extrahieren.
Polarisatoren werden zur Analyse der Polarisation von Licht verwendet Analysatoren.
Die Ebene des Polarisators (oder Analysators) ist die Polarisationsebene des vom Polarisator (oder Analysator) durchgelassenen Lichts.
Lassen Sie linear polarisiertes Licht mit Amplitude auf einen Polarisator (oder Analysator) fallen. E 0 . Die Amplitude des durchgelassenen Lichts ist gleich E=E 0 weil J und Intensität Ich=ich 0 weil 2 J.
Diese Formel drückt aus Malus-Gesetz:
Die Intensität des linear polarisierten Lichts, das den Analysator passiert, ist proportional zum Quadrat des Kosinus des Winkels J zwischen der Schwingungsebene des einfallenden Lichts und der Ebene des Analysators.
Ticket 80 (für Stich)
Polarisatoren sind Geräte, die es ermöglichen, polarisiertes Licht zu erhalten. Strukturell sind ein Polarisator und ein Analysator ein und dasselbe Wenn das Licht natürlich ist, sind alle Richtungen des Vektors E gleich wahrscheinlich. Jeder Vektor kann in zwei zueinander senkrechte Komponenten zerlegt werden: eine davon ist parallel zur Polarisationsebene des Polarisators und die andere ist senkrecht dazu Es.
Offensichtlich ist die Intensität des aus dem Polarisator austretenden Lichts gleich (). Wenn ein Analysator auf dem Weg des polarisierten Lichts platziert wird, bildet dessen Hauptebene einen Winkel mit der Hauptebene des Polarisators bildet, dann wird die Intensität des aus dem Analysator austretenden Lichts durch das Gesetz bestimmt.
Ticket 81.
Bei der Untersuchung des Leuchtens einer Lösung von Uransalzen unter dem Einfluss von Radiumstrahlen machte der sowjetische Physiker P. A. Cherenkov darauf aufmerksam, dass auch das Wasser selbst leuchtet, in dem sich keine Uransalze befinden. Es stellte sich heraus, dass, wenn Strahlen (siehe Gammastrahlung) durch reine Flüssigkeiten geleitet werden, diese alle zu leuchten beginnen. S. I. Vavilov, unter dessen Leitung P. A. Cherenkov arbeitete, stellte die Hypothese auf, dass das Leuchten mit der Bewegung von Elektronen zusammenhängt, die durch Radiumquanten aus Atomen herausgeschlagen werden. Tatsächlich hing das Leuchten stark von der Richtung des Magnetfelds in der Flüssigkeit ab (was darauf hindeutet, dass es durch die Bewegung von Elektronen verursacht wurde).
Aber warum emittieren Elektronen, die sich in einer Flüssigkeit bewegen, Licht? Die richtige Antwort auf diese Frage gaben 1937 die sowjetischen Physiker I.E. Tamm und I.M. Frank.
Ein Elektron, das sich in einer Substanz bewegt, interagiert mit den es umgebenden Atomen. Unter dem Einfluss seines elektrischen Feldes werden Atomelektronen und Atomkerne in entgegengesetzte Richtungen verschoben – das Medium wird polarisiert. Die entlang der Elektronenbahn befindlichen Atome des Mediums werden polarisiert und kehren dann in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Sie senden elektromagnetische Lichtwellen aus. Wenn die Geschwindigkeit des Elektrons v kleiner ist als die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Medium (der Brechungsindex), überholt das elektromagnetische Feld das Elektron und die Substanz hat Zeit, sich vor dem Elektron im Raum zu polarisieren. Die Polarisation des Mediums vor und hinter dem Elektron ist entgegengesetzt gerichtet, und die Strahlungen entgegengesetzt polarisierter Atome „addieren“ sich gegenseitig „löschen“. Wenn Atome, die noch nicht von einem Elektron erreicht wurden, keine Zeit zur Polarisation haben und die Strahlung entlang einer schmalen konischen Schicht gerichtet erscheint, deren Spitze mit dem sich bewegenden Elektron zusammenfällt und an der Spitze ein Winkel c entsteht. Das Aussehen des Lichtkegels und der Strahlungszustand können aus den allgemeinen Prinzipien der Wellenausbreitung abgeleitet werden.
Reis. 1. Mechanismus der Wellenfrontbildung
Lassen Sie das Elektron sich entlang der Achse OE (siehe Abb. 1) eines sehr schmalen leeren Kanals in einer homogenen transparenten Substanz mit einem Brechungsindex bewegen (der leere Kanal wird benötigt, damit Kollisionen des Elektrons mit Atomen in der nicht berücksichtigt werden theoretische Betrachtung). Jeder Punkt auf der OE-Linie, der nacheinander von einem Elektron besetzt wird, ist das Zentrum der Lichtemission. Wellen, die von aufeinanderfolgenden Punkten O, D, E ausgehen, interferieren miteinander und werden verstärkt, wenn die Phasendifferenz zwischen ihnen Null ist (siehe Interferenz). Diese Bedingung ist für eine Richtung erfüllt, die mit der Flugbahn des Elektrons einen Winkel von 0 bildet. Winkel 0 wird durch die Beziehung bestimmt:.
Betrachten wir tatsächlich zwei Wellen, die in einer Richtung in einem Winkel von 0 zur Elektronengeschwindigkeit von zwei Punkten der Flugbahn ausgesandt werden – Punkt O und Punkt D, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind. Am Punkt B, der auf der Linie BE liegt, senkrecht zu OB, kommt die erste Welle nach der Zeit an. Zum Punkt F, der auf der Linie BE liegt, wird eine vom Punkt ausgesendete Welle zu dem Zeitpunkt ankommen, nachdem die Welle vom Punkt O ausgesendet wurde . Diese beiden Wellen sind in Phase, d. h. die Gerade ist eine Wellenfront, wenn diese Zeiten gleich sind:. Damit ist die Bedingung der Gleichheit der Zeiten gegeben. In allen Richtungen wird das Licht aufgrund der Interferenz von Wellen ausgelöscht, die von Abschnitten der Flugbahn ausgehen, die durch einen Abstand D voneinander getrennt sind. Der Wert von D wird durch die offensichtliche Gleichung bestimmt, wobei T die Periode der Lichtschwingungen ist. Diese Gleichung hat immer eine Lösung, wenn.
Wenn , dann existiert die Richtung, in der die ausgesendeten Wellen bei Interferenz verstärkt werden, nicht und kann nicht größer als 1 sein.
Reis. 2. Verteilung von Schallwellen und Entstehung einer Stoßwelle bei Körperbewegungen
Strahlung wird nur beobachtet, wenn .
Experimentell fliegen Elektronen in einem endlichen Raumwinkel mit einer gewissen Geschwindigkeitsstreuung, und als Ergebnis breitet sich die Strahlung in einer konischen Schicht nahe der durch den Winkel bestimmten Hauptrichtung aus.
Bei unserer Betrachtung haben wir die Elektronenverlangsamung vernachlässigt. Dies ist durchaus akzeptabel, da die Verluste durch Vavilov-Cerenkov-Strahlung gering sind und wir in erster Näherung davon ausgehen können, dass der Energieverlust des Elektrons seine Geschwindigkeit nicht beeinflusst und es sich gleichmäßig bewegt. Dies ist der grundlegende Unterschied und die Ungewöhnlichkeit der Vavilov-Cherenkov-Strahlung. Typischerweise werden Ladungen emittiert, während sie eine erhebliche Beschleunigung erfahren.
Ein Elektron, das sein Licht überholt, ähnelt einem Flugzeug, das mit einer Geschwindigkeit fliegt, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist. Auch in diesem Fall breitet sich eine kegelförmige Stoßschallwelle vor dem Flugzeug aus (siehe Abb. 2).
Die Optik ist einer der alten Zweige der Physik. Seit der Zeit des antiken Griechenlands interessieren sich viele Philosophen für die Gesetze der Bewegung und Ausbreitung von Licht in verschiedenen transparenten Materialien wie Wasser, Glas, Diamant und Luft. In diesem Artikel wird das Phänomen der Lichtbrechung erörtert, wobei der Schwerpunkt auf dem Brechungsindex von Luft liegt.
Lichtstrahlbrechungseffekt
Jeder hat in seinem Leben hunderte Male die Manifestation dieses Effekts erlebt, als er auf den Boden eines Reservoirs oder auf ein Glas Wasser mit einem darin platzierten Gegenstand blickte. Gleichzeitig schien der Teich nicht so tief zu sein, wie er tatsächlich war, und die Gegenstände im Wasserglas sahen deformiert oder zerbrochen aus.
Das Phänomen der Brechung besteht in einem Bruch ihrer geradlinigen Flugbahn, wenn sie die Grenzfläche zweier transparenter Materialien schneidet. Der Niederländer Willebrord Snell fasste zu Beginn des 17. Jahrhunderts eine große Menge experimenteller Daten zusammen und erhielt einen mathematischen Ausdruck, der dieses Phänomen genau beschrieb. Dieser Ausdruck wird normalerweise in der folgenden Form geschrieben:
n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.
Dabei sind n 1, n 2 die absoluten Brechungsindizes des Lichts im entsprechenden Material, θ 1 und θ 2 sind die Winkel zwischen einfallendem und gebrochenem Strahl und der Senkrechten zur Grenzflächenebene, die durch den Schnittpunkt des Strahls gezogen wird und dieses Flugzeug.
Diese Formel wird Snellius- oder Snell-Descartes-Gesetz genannt (es war der Franzose, der sie in der dargestellten Form niederschrieb, während der Niederländer Längeneinheiten anstelle von Sinuseinheiten verwendete).
Zusätzlich zu dieser Formel wird das Phänomen der Brechung durch ein weiteres Gesetz beschrieben, das geometrischer Natur ist. Es besteht darin, dass die markierte Senkrechte zur Ebene und zwei Strahlen (gebrochen und einfallend) in derselben Ebene liegen.
Absoluter Brechungsindex
Diese Größe geht in die Snellius-Formel ein und ihr Wert spielt eine wichtige Rolle. Mathematisch entspricht der Brechungsindex n der Formel:
Das Symbol c ist die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum. Sie beträgt etwa 3*10 8 m/s. Der Wert v ist die Geschwindigkeit des Lichts, das sich durch das Medium bewegt. Somit spiegelt der Brechungsindex den Grad der Lichtverzögerung in einem Medium im Vergleich zu einem luftleeren Raum wider.
Aus der obigen Formel ergeben sich zwei wichtige Schlussfolgerungen:
- der Wert von n ist immer größer als 1 (für Vakuum ist er gleich Eins);
- es ist eine dimensionslose Größe.
Beispielsweise beträgt der Brechungsindex von Luft 1,00029, während er für Wasser 1,33 beträgt.
Der Brechungsindex ist für ein bestimmtes Medium kein konstanter Wert. Es kommt auf die Temperatur an. Darüber hinaus hat jede Frequenz einer elektromagnetischen Welle ihre eigene Bedeutung. Somit entsprechen die obigen Zahlen einer Temperatur von 20 °C und dem gelben Teil des sichtbaren Spektrums (Wellenlänge – etwa 580–590 nm).
Die Abhängigkeit von n von der Lichtfrequenz zeigt sich in der Zerlegung von weißem Licht durch ein Prisma in mehrere Farben sowie in der Bildung eines Regenbogens am Himmel bei starkem Regen.
Brechungsindex von Licht in Luft
Sein Wert wurde oben bereits angegeben (1,00029). Da sich der Brechungsindex von Luft nur um die vierte Dezimalstelle von Null unterscheidet, kann er zur Lösung praktischer Probleme als gleich eins angesehen werden. Ein geringer Unterschied zwischen n für Luft und Eins weist darauf hin, dass Licht durch Luftmoleküle praktisch nicht gebremst wird, was auf seine relativ geringe Dichte zurückzuführen ist. Somit beträgt die durchschnittliche Luftdichte 1,225 kg/m 3 und ist damit mehr als 800-mal leichter als Süßwasser.
Luft ist ein optisch schwaches Medium. Der Prozess der Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit in einem Material ist quantenhafter Natur und hängt mit der Absorption und Emission von Photonen durch Atome der Substanz zusammen.
Änderungen in der Zusammensetzung der Luft (z. B. eine Erhöhung des Wasserdampfgehalts) und Temperaturänderungen führen zu erheblichen Änderungen des Brechungsindex. Ein markantes Beispiel ist der Fata Morgana-Effekt in der Wüste, der durch unterschiedliche Brechungsindizes von Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen entsteht.
Glas-Luft-Schnittstelle
Glas ist ein viel dichteres Medium als Luft. Sein absoluter Brechungsindex liegt je nach Glasart zwischen 1,5 und 1,66. Wenn wir den Durchschnittswert von 1,55 annehmen, kann die Brechung des Strahls an der Luft-Glas-Grenzfläche mit der Formel berechnet werden:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.
Der Wert n 21 wird als relativer Brechungsindex von Luft - Glas bezeichnet. Wenn der Strahl aus dem Glas in die Luft gelangt, sollte die folgende Formel verwendet werden:
sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 \u003d 0,645.
Wenn der Winkel des gebrochenen Strahls im letzteren Fall 90 ° beträgt, wird der entsprechende Winkel als kritisch bezeichnet. Für die Glas-Luft-Grenze ist es gleich:
θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o.
Trifft der Strahl mit größeren Winkeln als 40,17° auf die Glas-Luft-Grenze, wird er vollständig in das Glas zurückreflektiert. Dieses Phänomen wird als „totale interne Reflexion“ bezeichnet.
Der kritische Winkel existiert nur, wenn sich der Strahl von einem dichten Medium bewegt (von Glas zu Luft, aber nicht umgekehrt).
Die Gesetze der Physik spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Durchführung von Berechnungen zur Planung einer spezifischen Strategie für die Herstellung eines beliebigen Produkts oder bei der Ausarbeitung eines Projekts für den Bau von Bauwerken für verschiedene Zwecke. Viele Mengen werden berechnet, daher werden vor Beginn der Planungsarbeiten Messungen und Berechnungen durchgeführt. Beispielsweise ist der Brechungsindex von Glas gleich dem Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels.
Zuerst werden also die Winkel gemessen, dann wird deren Sinus berechnet und erst dann kann der gewünschte Wert ermittelt werden. Trotz der Verfügbarkeit tabellarischer Daten lohnt es sich, jedes Mal zusätzliche Berechnungen durchzuführen, da in Nachschlagewerken häufig ideale Bedingungen verwendet werden, die im wirklichen Leben kaum zu erreichen sind. Daher weicht der Indikator in der Realität zwangsläufig von der Tabelle ab, was in manchen Situationen von grundlegender Bedeutung ist.
Absoluter Indikator
Der absolute Brechungsindex hängt von der Glasmarke ab, da es in der Praxis eine Vielzahl von Optionen gibt, die sich in Zusammensetzung und Transparenzgrad unterscheiden. Im Durchschnitt liegt er bei 1,5 und schwankt um 0,2 in die eine oder andere Richtung um diesen Wert. In seltenen Fällen kann es zu Abweichungen von dieser Zahl kommen.
Auch hier gilt: Wenn ein genauer Indikator wichtig ist, können zusätzliche Messungen nicht vermieden werden. Sie liefern aber auch kein 100 % zuverlässiges Ergebnis, da der Endwert vom Sonnenstand am Himmel und der Bewölkung am Messtag beeinflusst wird. Glücklicherweise reicht es in 99,99 % der Fälle aus, einfach zu wissen, dass der Brechungsindex eines Materials wie Glas größer als eins und kleiner als zwei ist und alle anderen Zehntel und Hundertstel keine Rolle spielen.
In Foren, die bei der Lösung physikalischer Probleme helfen, taucht oft die Frage auf: Wie hoch ist der Brechungsindex von Glas und Diamant? Viele Menschen denken, dass ihre Eigenschaften ungefähr gleich sein sollten, da diese beiden Substanzen ein ähnliches Aussehen haben. Aber das ist ein Missverständnis.
Die maximale Brechung von Glas liegt bei etwa 1,7, während dieser Indikator bei Diamant 2,42 erreicht. Dieser Edelstein ist eines der wenigen Materialien auf der Erde, dessen Brechungsindex 2 übersteigt. Dies ist auf seine kristalline Struktur und die hohe Streuung der Lichtstrahlen zurückzuführen. Bei Veränderungen des Tabellenwertes spielt der Schnitt nur eine minimale Rolle.
Relativer Indikator
Der relative Indikator für einige Umgebungen kann wie folgt charakterisiert werden:
- - der Brechungsindex von Glas im Verhältnis zu Wasser beträgt etwa 1,18;
- - der Brechungsindex desselben Materials im Vergleich zu Luft beträgt 1,5;
- - Brechungsindex relativ zu Alkohol - 1,1.
Messungen des Indikators und Berechnungen des relativen Wertes erfolgen nach einem bekannten Algorithmus. Um einen relativen Parameter zu finden, müssen Sie einen Tabellenwert durch einen anderen dividieren. Oder führen Sie experimentelle Berechnungen für zwei Umgebungen durch und teilen Sie dann die erhaltenen Daten auf. Solche Operationen werden häufig im Laborphysikunterricht durchgeführt.
Bestimmung des Brechungsindex
Die Bestimmung des Brechungsindex von Glas ist in der Praxis recht schwierig, da zur Messung der Ausgangsdaten hochpräzise Instrumente erforderlich sind. Jeder Fehler erhöht sich, da die Berechnung komplexe Formeln verwendet, die Fehlerfreiheit erfordern.
Im Allgemeinen gibt dieser Koeffizient an, wie oft sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtstrahlen beim Durchgang durch ein bestimmtes Hindernis verlangsamt. Daher ist es nur für transparente Materialien typisch. Als Referenzwert, also als Einheit, wird der Brechungsindex von Gasen genommen. Dies geschah, um bei der Berechnung von einem bestimmten Wert ausgehen zu können.
Fällt ein Sonnenstrahl auf die Oberfläche von Glas mit einem Brechungsindex, der dem Tabellenwert entspricht, kann dieser auf verschiedene Arten verändert werden:
- 1. Kleben Sie eine Folie darauf, deren Brechungsindex höher ist als der von Glas. Dieses Prinzip wird bei der Tönung von Autoscheiben eingesetzt, um den Fahrgastkomfort zu verbessern und dem Fahrer eine klarere Sicht auf die Verkehrssituation zu ermöglichen. Der Film hemmt auch ultraviolette Strahlung.
- 2. Bemalen Sie das Glas mit Farbe. Hersteller billiger Sonnenbrillen tun dies, es ist jedoch zu bedenken, dass dies die Sehkraft beeinträchtigen kann. Bei guten Modellen wird das Glas durch eine spezielle Technologie sofort eingefärbt.
- 3. Tauchen Sie das Glas in etwas Flüssigkeit. Dies ist nur für Experimente sinnvoll.
Wenn ein Lichtstrahl durch Glas hindurchgeht, wird der Brechungsindex des nächsten Materials anhand eines relativen Koeffizienten berechnet, der durch Vergleich von Tabellenwerten ermittelt werden kann. Diese Berechnungen sind sehr wichtig beim Entwurf optischer Systeme, die praktische oder experimentelle Lasten tragen. Fehler sind hier nicht akzeptabel, da sie zu Fehlfunktionen des gesamten Geräts führen und alle damit gewonnenen Daten unbrauchbar werden.
Um die Lichtgeschwindigkeit in Glas anhand eines Brechungsindex zu bestimmen, müssen Sie den Absolutwert der Geschwindigkeit im Vakuum durch den Brechungsindex dividieren. Als Referenzmedium wird Vakuum verwendet, da dort keine Brechung stattfindet, da keine Substanzen vorhanden sind, die die reibungslose Bewegung der Lichtstrahlen entlang eines bestimmten Pfades stören könnten.
Bei allen berechneten Indikatoren ist die Geschwindigkeit geringer als im Referenzmedium, da der Brechungsindex immer größer als eins ist.
In Ihrem Physikkurs der 8. Klasse haben Sie etwas über das Phänomen der Lichtbrechung gelernt. Jetzt wissen Sie, dass es sich bei Licht um elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzbereichs handelt. Basierend auf dem Wissen über die Natur des Lichts können Sie die physikalische Ursache der Brechung verstehen und viele andere damit verbundene Lichtphänomene erklären.
Reis. 141. Beim Übergang von einem Medium zum anderen wird der Strahl gebrochen, d.h. ändert die Ausbreitungsrichtung
Nach dem Gesetz der Lichtbrechung (Abb. 141):
- die einfallenden, gebrochenen und senkrechten Strahlen, die am Einfallspunkt des Strahls zur Grenzfläche zwischen zwei Medien gezogen werden, liegen in derselben Ebene; Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für diese beiden Medien ein konstanter Wert
wobei n 21 der relative Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten ist.
Wenn der Strahl aus dem Vakuum in ein beliebiges Medium gelangt, dann
wobei n der absolute Brechungsindex (oder einfach Brechungsindex) des zweiten Mediums ist. In diesem Fall ist das erste „Medium“ das Vakuum, dessen Absolutwert als Einheit angenommen wird.
Das Gesetz der Lichtbrechung wurde 1621 vom niederländischen Wissenschaftler Willebord Snellius experimentell entdeckt. Das Gesetz wurde in einer Abhandlung über Optik formuliert, die nach seinem Tod in den Papieren des Wissenschaftlers gefunden wurde.
Nach Snells Entdeckung stellten mehrere Wissenschaftler die Hypothese auf, dass die Brechung des Lichts auf eine Änderung seiner Geschwindigkeit beim Durchgang durch die Grenze zweier Medien zurückzuführen sei. Die Gültigkeit dieser Hypothese wurde durch theoretische Beweise bestätigt, die unabhängig voneinander vom französischen Mathematiker Pierre Fermat (1662) und dem niederländischen Physiker Christiaan Huygens (1690) durchgeführt wurden. Sie kamen auf unterschiedliche Weise zum gleichen Ergebnis und bewiesen dies
- Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für diese beiden Medien ein konstanter Wert, der dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeiten in diesen Medien entspricht:
Aus Gleichung (3) folgt, dass sich Licht einer bestimmten Frequenz im zweiten Medium langsamer ausbreitet als im ersten, wenn der Brechungswinkel β kleiner als der Einfallswinkel a ist, d.h. V 2 Der Zusammenhang zwischen den in Gleichung (3) enthaltenen Größen diente als zwingender Grund für die Entstehung einer anderen Formulierung zur Definition des relativen Brechungsindex: n 21 = v 1 / v 2 (4) Lassen Sie einen Lichtstrahl aus einem Vakuum in ein Medium gelangen. Wenn wir in Gleichung (4) v1 durch die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c und v 2 durch die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium v ersetzen, erhalten wir Gleichung (5), die die Definition des absoluten Brechungsindex ist: Gemäß den Gleichungen (4) und (5) zeigt n 21, wie oft sich die Lichtgeschwindigkeit ändert, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht, und n – beim Übergang vom Vakuum zum Medium. Dies ist die physikalische Bedeutung von Brechungsindizes. Der Wert des absoluten Brechungsindex n eines Stoffes ist größer als eins (dies wird durch die Daten in den Tabellen der physikalischen Nachschlagewerke bestätigt). Dann ist nach Gleichung (5) c/v > 1 und c > v, d. h. die Lichtgeschwindigkeit in jeder Substanz ist kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Ohne strenge Begründungen anzugeben (sie sind komplex und umständlich), stellen wir fest, dass der Grund für die Abnahme der Lichtgeschwindigkeit beim Übergang vom Vakuum zur Materie in der Wechselwirkung der Lichtwelle mit Atomen und Molekülen der Materie liegt. Je größer die optische Dichte eines Stoffes ist, desto stärker ist diese Wechselwirkung, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit und desto höher ist der Brechungsindex. Somit werden die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium und der absolute Brechungsindex durch die Eigenschaften dieses Mediums bestimmt. Anhand der Zahlenwerte der Brechungsindizes von Stoffen können deren optische Dichten verglichen werden. Beispielsweise liegt der Brechungsindex verschiedener Glasarten zwischen 1,470 und 2,040 und der Brechungsindex von Wasser beträgt 1,333. Das bedeutet, dass Glas ein Medium ist, das optisch dichter ist als Wasser. Wenden wir uns Abbildung 142 zu, mit deren Hilfe wir erklären können, warum sich an der Grenze zweier Medien bei einer Geschwindigkeitsänderung auch die Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle ändert. Reis. 142. Wenn Lichtwellen von der Luft ins Wasser gelangen, nimmt die Lichtgeschwindigkeit ab, die Front der Welle und damit ihre Geschwindigkeit ändert ihre Richtung Die Abbildung zeigt eine Lichtwelle, die von Luft in Wasser übergeht und unter einem Winkel a auf die Grenzfläche zwischen diesen Medien trifft. In der Luft bewegt sich Licht mit der Geschwindigkeit v 1, im Wasser mit der geringeren Geschwindigkeit v 2. Punkt A der Welle erreicht zuerst die Grenze. Über einen Zeitraum Δt erreicht Punkt B, der sich in der Luft mit der gleichen Geschwindigkeit v 1 bewegt, Punkt B.“ Gleichzeitig legt Punkt A, der sich im Wasser mit einer geringeren Geschwindigkeit v 2 bewegt, eine kürzere Strecke zurück und erreicht nur Punkt A.“ In diesem Fall wird die sogenannte Front der AB-Welle im Wasser um einen bestimmten Winkel relativ zur Front der AB-Welle in der Luft gedreht. Und der Geschwindigkeitsvektor (der immer senkrecht zur Vorderseite der Welle steht und mit der Ausbreitungsrichtung übereinstimmt) dreht sich und nähert sich der Geraden OO", senkrecht zur Grenzfläche zwischen den Medien. In diesem Fall ist der Brechungswinkel β kleiner als der Einfallswinkel α ist. Dadurch kommt es zur Lichtbrechung. Aus der Abbildung wird auch deutlich, dass sich beim Übergang in ein anderes Medium und Drehung der Wellenfront auch die Wellenlänge ändert: Beim Übergang in ein optisch dichteres Medium nimmt die Geschwindigkeit ab, auch die Wellenlänge nimmt ab (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны.Fragen
Übung
