Was ist die Definition der Lichtbrechung in der Physik? Das Phänomen der Lichtbrechung. Optische Dichte des Mediums

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Was ist Lichtbrechung? Die Änderung der Ausbreitungsrichtung von Licht beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien wird als Lichtbrechung bezeichnet. Die Änderung der Ausbreitungsrichtung von Licht beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien wird als Lichtbrechung bezeichnet.

Erklärung der Lichtbrechung. Die Lichtbrechung wird durch die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts beim Übergang von einem Medium in ein anderes erklärt. Die Lichtbrechung wird durch die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts beim Übergang von einem Medium in ein anderes erklärt. Erstmals wurde eine solche Erklärung für dieses Phänomen Mitte des 17. Jahrhunderts gegeben. Pater Maignan. Erstmals wurde eine solche Erklärung für dieses Phänomen Mitte des 17. Jahrhunderts gegeben. Pater Maignan.

Licht Licht sind elektromagnetische Wellen. Licht sind elektromagnetische Wellen. Die maximale Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt: C= km/s ~ km/s. Die maximale Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt: C= km/s ~ km/s. Lichtgeschwindigkeit in Materie U

Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Mittel V, km/s Mittel Luft Zedernöl Eis Quarz Wasser Rubin Glas Diamant

Optische Dichte. Von den beiden Medien wird dasjenige, in dem die Lichtgeschwindigkeit geringer ist, als optisch dichter bezeichnet, und dasjenige, in dem die Lichtgeschwindigkeit größer ist, wird als optisch weniger dicht bezeichnet. Beispielsweise ist Wasser ein optisch dichteres Medium als Luft und Glas ist ein optisch dichteres Medium als Wasser. Von den beiden Medien wird dasjenige, in dem die Lichtgeschwindigkeit geringer ist, als optisch dichter bezeichnet, und dasjenige, in dem die Lichtgeschwindigkeit größer ist, wird als optisch weniger dicht bezeichnet. Beispielsweise ist Wasser ein optisch dichteres Medium als Luft und Glas ist ein optisch dichteres Medium als Wasser. Die Erfahrung zeigt, dass ein Lichtstrahl beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium von seiner ursprünglichen Richtung in Richtung der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen zwei Medien abweicht und beim Eintritt in ein optisch weniger dichtes Medium umgekehrt abweicht Richtung. Die Erfahrung zeigt, dass ein Lichtstrahl beim Eintritt in ein optisch dichteres Medium von seiner ursprünglichen Richtung in Richtung der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen zwei Medien abweicht und beim Eintritt in ein optisch weniger dichtes Medium umgekehrt abweicht Richtung.

Einfallswinkel und Brechungswinkel. Der Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien am Einfallspunkt des Strahls wird Brechungswinkel genannt. Der Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen den beiden Medien am Einfallspunkt des Strahls wird Brechungswinkel genannt. ein Einfallswinkel (a-1 Brechungswinkel) ein Einfallswinkel (a-1 Brechungswinkel)

Die Fähigkeit, Strahlen zu brechen, variiert je nach Medium. Je stärker sich die Lichtgeschwindigkeit in zwei Medien unterscheidet, desto stärker werden die Strahlen an der Grenze zwischen ihnen gebrochen. Die Fähigkeit, Strahlen zu brechen, variiert je nach Medium. Je stärker sich die Lichtgeschwindigkeit in zwei Medien unterscheidet, desto stärker werden die Strahlen an der Grenze zwischen ihnen gebrochen. Einer der Hauptbestandteile vieler optischer Instrumente ist ein dreieckiges Glasprisma. Dargestellt ist der Strahlengang in einem solchen Prisma: Durch Doppelbrechung lenkt das dreieckige Prisma den auf es einfallenden Strahl in Richtung seiner Basis ab. Einer der Hauptbestandteile vieler optischer Instrumente ist ein dreieckiges Glasprisma. Dargestellt ist der Strahlengang in einem solchen Prisma: Durch Doppelbrechung lenkt das dreieckige Prisma den auf es einfallenden Strahl in Richtung seiner Basis ab.

Euklid und das von ihm entdeckte Phänomen. Die Lichtbrechung ist der Grund dafür, dass uns die Tiefe eines Gewässers (Fluss, Teich, Badewanne mit Wasser) geringer vorkommt, als sie tatsächlich ist. Denn um jeden Punkt 5 am Boden eines Reservoirs sehen zu können, ist es notwendig, dass die von ihm ausgehenden Lichtstrahlen in das Auge des Betrachters gelangen. Die Lichtbrechung ist der Grund dafür, dass uns die Tiefe eines Gewässers (Fluss, Teich, Badewanne mit Wasser) geringer vorkommt, als sie tatsächlich ist. Denn um jeden Punkt 5 am Boden eines Reservoirs sehen zu können, ist es notwendig, dass die von ihm ausgehenden Lichtstrahlen in das Auge des Betrachters gelangen.

Aber nach der Brechung an der Grenze von Wasser und Luft wird der Lichtstrahl vom Auge als Licht wahrgenommen, das von einem virtuellen Bild S kommt, das höher liegt als der entsprechende Punkt S am Boden des Reservoirs. Es lässt sich beweisen, dass die scheinbare Tiefe h eines Reservoirs etwa drei Viertel seiner wahren Tiefe H beträgt. Doch nach der Brechung an der Grenze von Wasser und Luft wird ein Lichtstrahl vom Auge als Licht wahrgenommen, das von einem imaginären Ort kommt Bild S liegt höher als der entsprechende Punkt S am Boden des Reservoirs. Es kann nachgewiesen werden, dass die scheinbare Tiefe h eines Reservoirs etwa 3/4 seiner wahren Tiefe H beträgt.

Dieses Phänomen wurde erstmals von Euklid beschrieben. In einem seiner Bücher geht es um ein Experiment mit einem Ring: Ein Beobachter blickt auf einen Kelch, auf dessen Boden ein Ring liegt, so dass die Ränder des Kelchs ihn nicht sehen lassen; Dann beginnen sie, ohne die Position der Augen zu ändern, Wasser in die Tasse zu gießen, und nach einer Weile wird der Ring sichtbar. Dieses Phänomen wurde erstmals von Euklid beschrieben. In einem seiner Bücher geht es um ein Experiment mit einem Ring: Ein Beobachter blickt auf einen Kelch, auf dessen Boden ein Ring liegt, so dass die Ränder des Kelchs ihn nicht sehen lassen; Dann beginnen sie, ohne die Position der Augen zu ändern, Wasser in die Tasse zu gießen, und nach einer Weile wird der Ring sichtbar.

Abschluss. Auch viele andere Phänomene lassen sich durch die Lichtbrechung erklären, zum Beispiel die scheinbare Biegung eines Löffels, der in ein Glas Wasser fällt; eine höhere als die tatsächliche Position der Sterne und der Sonne über dem Horizont usw. Viele andere Phänomene werden ebenfalls durch die Lichtbrechung erklärt, zum Beispiel die scheinbare Biegung eines Löffels, der in ein Glas Wasser getaucht wird; eine höhere als die tatsächliche Position der Sterne und der Sonne über dem Horizont usw.

Ist Ihnen aufgefallen, dass Gegenstände, die aus dem Wasser ragen, an der Grenze zwischen Wasser und Luft leicht zerbrochen zu sein scheinen? Ein Unterwasser-Grashalm, der am Boden eines Stausees wächst, scheint ein wenig abzuweichen und landet im Freien.

Etwa das Gleiche passiert mit einem Löffel in einem Glas Wasser. Tatsächlich bleiben Objekte so glatt wie sie waren, die Brechung erfolgt einfach bei der Lichtausbreitung, weshalb diese visuellen Effekte entstehen.

Unter Lichtbrechung versteht man das Phänomen der Änderung der Bewegungsrichtung eines Lichtstrahls beim Übergang von einem Medium in ein anderes. Verschiedene lichtdurchlässige Medien haben unterschiedliche optische Dichten. Die Lichtgeschwindigkeit ist in ihnen unterschiedlich. Je größer die optische Dichte des Mediums ist, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit darin und desto stärker wird das von außen kommende Licht gebrochen. Wie genau kommt es zur Lichtbrechung?

Wie kommt es zur Lichtbrechung?

Angenommen, ein Lichtstrahl fällt aus der Luft auf die Wasseroberfläche. Wenn Sie eine Senkrechte zur Wasseroberfläche zeichnen und den Einfallswinkel messen, werden Sie feststellen, dass sich der Winkel des Strahls nach dem Auftreffen auf das Wasser verändert hat, er ist kleiner geworden. Das Gleiche passiert, wenn ein Strahl aus der Luft auf Glas trifft.

Der Winkel, den ein einfallender Strahl zu einer Senkrechten bildet, die auf die Grenze zweier Medien gezogen wird, nachdem er auf das zweite Medium trifft, wird Brechungswinkel genannt. Es wurde experimentell festgestellt, dass der Einfallswinkel größer als der Brechungswinkel ist, wenn Licht von einem optisch weniger dichten Medium in ein dichteres Medium fällt.

Ist dagegen die optische Dichte des ersten Mediums größer als die optische Dichte der Substanz des zweiten Mediums, dann ist der Einfallswinkel kleiner als der Brechungswinkel. Wenn sich der Einfallswinkel ändert, ändert sich auch der Brechungswinkel. Das Verhältnis dieser Winkel bleibt jedoch nicht konstant. Aber das Verhältnis der Sinuswerte dieser Winkel ist ein konstanter Wert. Somit können wir schreiben:

sinα / sinγ = n,

Dabei ist α der Einfallswinkel, γ der Brechungswinkel und n ein konstanter Wert für zwei bestimmte Medien, unabhängig vom Einfallswinkel.

Gesetz der Lichtbrechung

Das Gesetz der Lichtbrechung lautet wie folgt: Der einfallende und der gebrochene Strahl liegen in derselben Ebene und das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für die beiden Medien ein konstanter Wert.

Aufgrund der Lichtbrechung erscheinen Objekte am Grund eines Stausees näher als sie tatsächlich sind und Sterne am Himmel erscheinen höher als sie tatsächlich sind.

Die Gesetze der Reflexion und Brechung des Lichts bestimmen viele Phänomene in unserem Leben. Ihnen ist es zu verdanken, dass wir die Welt so sehen, wie sie ist. Sie können sich mit Materialien zum Thema „Lichtreflexion“ vertraut machen und

Änderung der Ausbreitungsrichtung optischer Strahlung (Licht) beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien. An einer ausgedehnten flachen Grenzfläche zwischen homogenen isotropen transparenten (nicht absorbierenden) Medien wird der Brechungsindex n1 und der Brechungsindex n2 durch bestimmt. zwei Gesetze: Das gebrochene Gesetz liegt in der Ebene, die durch den einfallenden Strahl und die Normale (senkrecht) zur Grenzfläche verläuft; Die Einfallswinkel j und Brechungswinkel c (Abb.) hängen durch das Snelliussche Brechungsgesetz zusammen: n1sinj=n2sinc.

Der Weg von Lichtstrahlen bei der Brechung an einer ebenen Fläche, die zwei transparente Medien trennt. Die gestrichelte Linie zeigt den reflektierten Strahl. Der Brechungswinkel % ist größer als der Einfallswinkel j; Dies weist darauf hin, dass in diesem Fall eine Brechung vom optisch dichteren ersten Medium in das optisch weniger dichte zweite Medium erfolgt (n1>n2). n ist die Normale zur Schnittstelle.

P.S. begleitet von Lichtreflexion; In diesem Fall ist die Summe der Energien der gebrochenen und reflektierten Strahlenbündel (quantitative Ausdrücke für sie ergeben sich aus den Fresnel-Formeln) gleich der Energie des einfallenden Strahls. Verbindet sie. Intensitäten hängen vom Einfallswinkel, den Werten von n1 und n2 und der Polarisation des Lichts im einfallenden Strahl ab. Bei normalem Abfall und Verhältnisdurchschnitt. Die Energie der gebrochenen und einfallenden Lichtwellen beträgt 4n1n2/(n1+n2)2; in einem wesentlichen Sonderfall, bei dem Licht von Luft (n1 mit hoher Genauigkeit = 1) in Glas mit n2 = 1,5 gelangt, beträgt es 96 %. Bei n2 wird die von der einfallenden Lichtwelle an die Grenzfläche gebrachte Energie von der reflektierten Welle abtransportiert (das Phänomen der Totalreflexion). Für jedes j außer j=0 gilt P. s. geht mit einer Änderung der Polarisation des Lichts einher (am stärksten beim sogenannten Brewster-Winkel j=arctg(n2/n1) (siehe BREWSTER-GESETZ), der zur Gewinnung linear polarisierten Lichts (siehe IN OPTIK) verwendet wird. Abhängigkeit von P. s. aus der Polarisation einfallender Strahlen zeigt sich deutlich bei der Doppelbrechung in optisch anisotropen Medien. In absorbierenden Medien kann das Polarisationssystem streng beschrieben werden, wobei formal dieselben Ausdrücke wie für nicht absorbierende Medien verwendet werden, jedoch n als a betrachtet wird komplexe Größe (der Imaginärteil charakterisiert Medium; (siehe METALLOPTIK). c wird in diesem Fall auch komplex und verliert die einfache Bedeutung des Brechungswinkels, die es für nicht absorbierende Medien hat. Im Allgemeinen hängt n vom Medium ab auf der Länge l des Lichts (Lichtstreuung); daher gehen bei der Brechung von nicht monochromatischem Licht die Komponenten seiner Strahlen mit unterschiedlichem l in unterschiedliche Richtungen. Das Design von Linsen und vielen optischen Geräten, die dazu dienen, die Richtung von Lichtstrahlen zu ändern und Die Gewinnung optischer Bilder basiert auf den Gesetzen der Polarisation.

Physikalisches enzyklopädisches Wörterbuch. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. . 1983 .

Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle (Lichtstrahl) beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen transparenten Medien. An einer ebenen Grenzfläche zwischen zwei homogenen isotropen Medien mit abs. Brechungsindex Und P.S. Folgendes wird bestimmt. Gesetze: Die einfallenden, reflektierten und gebrochenen Strahlen und die Grenzflächennormale am Einfallspunkt liegen in derselben Ebene (der Einfallsebene); Die Einfalls- und Brechungswinkel (Abb. 1), die die entsprechenden Strahlen mit der Normalen bilden, und die Brechungsindizes der Medien hängen für monochromatisch zusammen. Sweta Snells Gesetz Brechung

Reis. 1. Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit n 1 und Pfeile zeigen die Lage der Komponenten des elektrischen Vektors in der Einfallsebene, Kreise mit einem Punkt - senkrecht zur Einfallsebene.

Normalerweise P. s. begleitet von einer Lichtreflexion an derselben Grenze. Bei nicht absorbierenden (transparenten) Medien ist die Gesamtenergie des Lichtflusses einer gebrochenen Welle gleich der Differenz der Energieflüsse der einfallenden und reflektierten Wellen (Energieerhaltungssatz). Das Verhältnis der Intensitäten des Lichtflusses der gebrochenen Welle zum einfallenden ist der Koeffizient. Die Übertragung der Grenzfläche zwischen Medien hängt von der Polarisation des Lichts der einfallenden Welle, dem Einfallswinkel und den Brechungsindizes ab. Eine genaue Bestimmung der Intensität der gebrochenen (und reflektierten) Welle kann aus der Lösung der Maxwell-Gleichungen erhalten werden mit den entsprechenden Randbedingungen für die Elektrik. und Mag. Lichtwellenvektoren und wird ausgedrückt Fresnel-Formeln. Wenn elektrisch Der Vektor der einfallenden und gebrochenen Wellen wird in zwei (in der Einfallsebene liegende) und (senkrecht dazu) Fresnel-Formeln für den Koeffizienten zerlegt. die Transmissionen der entsprechenden Komponenten haben die Form

Die Abhängigkeit der Mengen und von ist in Abb. dargestellt. 2. Aus den Ausdrücken (*) und Abb. 2 folgt daraus für alle Einfallswinkel mit Ausnahme des Sonderfalls des Normaleinfalls , Wann

Dies bedeutet, dass für alle (außer = 0) gebrochenes Licht auftritt. Wenn natürliches (nicht polarisiertes) Licht auf die Grenzfläche fällt, wird das Licht in einer gebrochenen Welle, also teilweise polarisiert. Naib. Bedeutet. gebrochene Welle tritt auf, wenn sie im Brewster-Winkel = einfällt wann (Abb. 2). Dabei< 1, а = 1, т. е. преломление поляризов. света с не сопровождается отражением.

Reis. 2. Abhängigkeit der Transmissionskoeffizienten und für Wellen unterschiedlicher Polarisation vom Einfallswinkel bei der Brechung an der Grenze ( = 1) - Glas (mit Brechungsindex = 1,52); - für einfallendes unpolarisiertes Licht.

Fällt Licht von einem optisch weniger dichten Medium in ein dichteres (), dann existiert für alle Werte des Winkels von 0 bis ein gebrochener Strahl. Fällt Licht von einem optisch dichteren Medium in ein weniger dichtes, dann eine gebrochene Welle existiert nur innerhalb des Einfallswinkels von = 0 bis = arcsin. Bei Einfallswinkeln > arcsinП. Mit. tritt nicht auf, es existiert nur eine reflektierte Welle - ein Phänomen totale innere Reflexion.

In optisch anisotropen Medien entstehen im Allgemeinen zwei gebrochene Lichtwellen mit zueinander senkrechter Polarisation (vgl. Kristalloptik).

Formal sind die Gesetze von P. s. für transparente Medien kann auf absorbierende Medien erweitert werden, wenn wir für solche Medien eine komplexe Größe betrachten, wobei k der Absorptionsindex ist. Bei Metallen mit starker Absorption (und großem Reflexionskoeffizienten) wird eine in das Metall eindringende Welle in einer dünnen Oberflächenschicht absorbiert und der Begriff der gebrochenen Welle verliert seine Bedeutung (siehe Abb. Metalloptik).

Da der Brechungsindex von Medien von der Wellenlänge des Lichts l abhängt (vgl Lichtstreuung), dann im Falle eines nicht-monochromatischen Falles an der Grenzfläche transparenter Medien. Licht gebrochene Strahlen zerlegt. Wellenlängen gehen in verschiedene Richtungen. Richtungen, die in Dispersionsprismen verwendet werden.

Auf P. s. Linsen basieren auf konvexen, konkaven und flachen Oberflächen transparenter Medien, die dazu dienen, zu erhalten optische Bilder, Dispersionsprismen und andere optische Elemente.

Ändert sich der Brechungsindex kontinuierlich (z. B. in der Atmosphäre mit der Höhe), so kommt es bei der Ausbreitung eines Lichtstrahls in einem solchen Medium auch zu einer kontinuierlichen Änderung der Ausbreitungsrichtung – der Strahl wird zu einem höheren Brechwert hin gebogen Index (vgl. Lichtbrechung in der Atmosphäre), aber es findet keine Lichtreflexion statt.

Unter dem Einfluss hochintensiver Strahlung, die von leistungsstarken Lasern erzeugt wird, wird das Medium nichtlinear. Wird unter dem Einfluss starker Elektrizität in den Molekülen der Umgebung induziert. Lichtwellenfelder, Dipole emittieren aufgrund der Anharmonizität der Schwingungen der Elektronen der Moleküle Sekundärwellen im Medium nicht nur mit der Frequenz der einfallenden Strahlung, sondern auch Wellen mit der doppelten Frequenz – Harmonische – 2 (und höhere Harmonische 3). , ...). Aus molekularer Sicht führt die Interferenz dieser Sekundärwellen zur Bildung resultierender gebrochener Wellen mit einer Frequenz im Medium (wie in der linearen Optik) (siehe Abb. Huygens- Fresnel-Prinzip), und auch mit der Häufigkeit , bis-Krim entsprechen makroskopisch. Brechungsindizes und aufgrund der mittleren Dispersion und folglich bilden sich im Medium zwei gebrochene Wellen mit Frequenzen, die sich entlang unterschiedlicher Linien ausbreiten. Richtungen. In diesem Fall ist die Intensität der gebrochenen Welle bei der Frequenz deutlich geringer als die Intensität bei der Frequenz (nähere Einzelheiten siehe Art. Nichtlineare Optik).

Zündete.: Landsberg G.S., Optics, 5. Auflage, M., 1976; Sivukhin D.V., Allgemeiner Kurs der Physik, 2. Aufl., [Bd. 4] - Optics, M., 1985. V. I. Malyshev.

Physische Enzyklopädie. In 5 Bänden. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prokhorov. 1988 .

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Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien. Der Einfallswinkel und der Brechungswinkel hängen durch die Beziehung zusammen: wobei n1 und n2 die Brechungsindizes der Medien sind, v1 und v2 die Lichtgeschwindigkeit im 1. und 2. Medium... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Lichtbrechung- Brechung Eine Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien oder in einem Medium mit variablem Brechungsindex von Punkt zu Punkt. [Sammlung empfohlener Begriffe. Ausgabe 79. Physikalische Optik. Akademie... ... Leitfaden für technische Übersetzer

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Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien. Der Einfallswinkel (und Reflexionswinkel) φ und der Brechungswinkel x hängen durch die Beziehung zusammen: wobei n1 und n2 die Brechungsindizes der Medien sind, v1 und v2 die Lichtgeschwindigkeit im 1.... ... Naturwissenschaft. Enzyklopädisches Wörterbuch

Lichtbrechung- Der Status von T-Shirts ist Standard für die Messtechnik. atitikmenys: engl. Lichtbrechung vok. Lichtbrechung, f rus. Lichtbrechung, n pranc. Brechung… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

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.

Themen des Einheitlichen Staatsexamens-Kodifizierers: das Gesetz der Lichtbrechung, Totalreflexion.

An der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien wird es zusammen mit der Lichtreflexion beobachtet Brechung- Licht, das sich in ein anderes Medium bewegt, ändert die Richtung seiner Ausbreitung.

Die Brechung eines Lichtstrahls erfolgt, wenn er geneigt auf die Grenzfläche fallen (wenn auch nicht immer – lesen Sie weiter über die Totalreflexion). Fällt der Strahl senkrecht auf die Oberfläche, findet keine Brechung statt – im zweiten Medium behält der Strahl seine Richtung und verläuft ebenfalls senkrecht zur Oberfläche.

Brechungsgesetz (Sonderfall).

Wir beginnen mit dem Sonderfall, wenn eines der Medien Luft ist. Genau diese Situation tritt bei den allermeisten Problemen auf. Wir werden den entsprechenden Spezialfall des Brechungsgesetzes diskutieren und erst dann seine allgemeinste Formulierung geben.

Angenommen, ein Lichtstrahl, der sich in der Luft bewegt, fällt schräg auf die Oberfläche von Glas, Wasser oder einem anderen transparenten Medium. Beim Eintritt in das Medium wird der Strahl gebrochen und sein weiterer Weg ist in Abb. dargestellt. 1 .

Am Auftreffpunkt wird eine Senkrechte gezeichnet (oder, wie man auch sagt: normal) zur Oberfläche des Mediums. Der Balken wird nach wie vor aufgerufen einfallender Strahl und der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und der Normalen ist Einfallswinkel. Ray ist gebrochener Strahl; Der Winkel zwischen dem gebrochenen Strahl und der Flächennormalen wird aufgerufen Brechungswinkel.

Jedes transparente Medium wird durch eine Menge namens charakterisiert Brechungsindex dieser Umgebung. Die Brechungsindizes verschiedener Medien finden Sie in Tabellen. Zum Beispiel für Glas und für Wasser. Im Allgemeinen in jeder Umgebung; Der Brechungsindex ist nur im Vakuum gleich eins. In Luft können wir daher mit hinreichender Genauigkeit von Problemen ausgehen (in der Optik unterscheidet sich Luft nicht sehr von Vakuum).

Brechungsgesetz (Luft-Medium-Übergang) .

1) Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die am Einfallspunkt gezeichnete Flächennormale liegen in derselben Ebene.
2) Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist gleich dem Brechungsindex des Mediums:

. (1)

Denn aus Beziehung (1) folgt, dass d. h. der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel. Erinnern: Beim Übergang von der Luft in das Medium kommt der Strahl nach der Brechung näher an die Normale heran.

Der Brechungsindex steht in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Lichtausbreitung in einem bestimmten Medium. Diese Geschwindigkeit ist immer kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: . Und es stellt sich heraus

. (2)

Wir werden verstehen, warum dies geschieht, wenn wir Wellenoptik studieren. Lassen Sie uns zunächst die Formeln kombinieren. (1) und (2):

. (3)

Da der Brechungsindex von Luft sehr nahe bei eins liegt, können wir davon ausgehen, dass die Lichtgeschwindigkeit in Luft ungefähr der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum entspricht. Berücksichtigen Sie dies und schauen Sie sich die Formel an. (3) Wir kommen zu dem Schluss: Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in Luft zur Lichtgeschwindigkeit im Medium.

Reversibilität von Lichtstrahlen.

Betrachten wir nun den umgekehrten Weg des Strahls: seine Brechung beim Übergang vom Medium zur Luft. Dabei hilft uns folgender nützlicher Grundsatz.

Das Prinzip der Reversibilität von Lichtstrahlen. Der Strahlengang hängt nicht davon ab, ob sich der Strahl in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung ausbreitet. Bei der Bewegung in die entgegengesetzte Richtung folgt der Strahl genau der gleichen Bahn wie in der Vorwärtsrichtung.

Nach dem Reversibilitätsprinzip folgt der Strahl beim Übergang von einem Medium zu Luft derselben Flugbahn wie beim entsprechenden Übergang von Luft zu Medium (Abb. 2). Der einzige Unterschied in Abb. 2 aus Abb. 1 ist, dass sich die Richtung des Strahls in die entgegengesetzte Richtung geändert hat.

Da sich das geometrische Bild nicht geändert hat, bleibt Formel (1) gleich: Das Verhältnis des Sinus des Winkels zum Sinus des Winkels ist immer noch gleich dem Brechungsindex des Mediums. Allerdings haben die Winkel jetzt ihre Rolle geändert: Der Winkel ist zum Einfallswinkel und der Winkel zum Brechungswinkel geworden.

Unabhängig davon, wie sich der Strahl bewegt – von der Luft zum Medium oder vom Medium zur Luft – gilt in jedem Fall die folgende einfache Regel. Wir nehmen zwei Winkel – den Einfallswinkel und den Brechungswinkel; Das Verhältnis des Sinus des größeren Winkels zum Sinus des kleineren Winkels ist gleich dem Brechungsindex des Mediums.

Wir sind nun bestens darauf vorbereitet, das Brechungsgesetz im allgemeinsten Fall zu diskutieren.

Brechungsgesetz (allgemeiner Fall).

Lassen Sie Licht vom Medium 1 mit einem Brechungsindex zum Medium 2 mit einem Brechungsindex passieren. Als Medium wird ein Medium mit hohem Brechungsindex bezeichnet optisch dichter; dementsprechend spricht man von einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex optisch weniger dicht.

Beim Übergang von einem optisch weniger dichten Medium zu einem optisch dichteren Medium nähert sich der Lichtstrahl nach der Brechung der Normalen (Abb. 3). In diesem Fall ist der Einfallswinkel größer als der Brechungswinkel: .

Reis. 3.

Im Gegenteil, beim Übergang von einem optisch dichteren Medium zu einem optisch weniger dichten Medium weicht der Strahl weiter von der Normalen ab (Abb. 4). Hier ist der Einfallswinkel kleiner als der Brechungswinkel:

Reis. 4.

Es stellt sich heraus, dass beide Fälle durch eine Formel abgedeckt werden – das allgemeine Brechungsgesetz, das für zwei beliebige transparente Medien gilt.

Brechungsgesetz.
1) Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die am Einfallspunkt gezeichnete Normale zur Grenzfläche zwischen den Medien liegen in derselben Ebene.
2) Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist gleich dem Verhältnis des Brechungsindex des zweiten Mediums zum Brechungsindex des ersten Mediums:

. (4)

Es ist leicht zu erkennen, dass das zuvor formulierte Brechungsgesetz für den Luft-Medium-Übergang ein Sonderfall dieses Gesetzes ist. Wenn wir Formel (4) einsetzen, gelangen wir tatsächlich zu Formel (1).

Erinnern wir uns nun daran, dass der Brechungsindex das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium ist: . Wenn wir dies in (4) einsetzen, erhalten wir:

. (5)

Formel (5) verallgemeinert natürlich Formel (3). Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium zur Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium.

Totale innere Reflexion.

Wenn Lichtstrahlen von einem optisch dichteren Medium in ein optisch weniger dichtes Medium gelangen, wird ein interessantes Phänomen beobachtet – vollständig innere Reflexion. Lassen Sie uns herausfinden, was es ist.

Der Sicherheit halber gehen wir davon aus, dass Licht vom Wasser in die Luft gelangt. Nehmen wir an, dass sich in den Tiefen des Reservoirs eine punktförmige Lichtquelle befindet, die Strahlen in alle Richtungen aussendet. Wir werden uns einige dieser Strahlen ansehen (Abb. 5).

Der Strahl trifft im kleinsten Winkel auf die Wasseroberfläche. Dieser Strahl wird teilweise gebrochen (Strahl) und teilweise ins Wasser zurückreflektiert (Strahl). Somit wird ein Teil der Energie des einfallenden Strahls auf den gebrochenen Strahl übertragen und der verbleibende Teil der Energie wird auf den reflektierten Strahl übertragen.

Der Einfallswinkel des Strahls ist größer. Auch dieser Strahl wird in zwei Strahlen aufgeteilt – gebrochen und reflektiert. Die Energie des ursprünglichen Strahls ist jedoch unterschiedlich zwischen ihnen verteilt: Der gebrochene Strahl wird schwächer sein als der Strahl (d. h. er erhält einen geringeren Energieanteil), und der reflektierte Strahl wird entsprechend heller als der Strahl sein (das wird der Fall sein). einen größeren Energieanteil erhalten).

Mit zunehmendem Einfallswinkel ist das gleiche Muster zu beobachten: Ein immer größerer Anteil der Energie des einfallenden Strahls geht an den reflektierten Strahl und ein immer kleinerer Anteil an den gebrochenen Strahl. Der gebrochene Strahl wird immer dunkler und verschwindet irgendwann ganz!

Dieses Verschwinden tritt auf, wenn der Einfallswinkel erreicht wird, der dem Brechungswinkel entspricht. In dieser Situation müsste der gebrochene Strahl parallel zur Wasseroberfläche verlaufen, aber es bleibt nichts übrig – die gesamte Energie des einfallenden Strahls geht vollständig an den reflektierten Strahl.

Bei einer weiteren Vergrößerung des Einfallswinkels wird der gebrochene Strahl sogar fehlen.

Das beschriebene Phänomen ist eine vollständige interne Reflexion. Wasser gibt keine Strahlen ab, deren Einfallswinkel einem bestimmten Wert entspricht oder diesen übersteigt – alle diese Strahlen werden vollständig ins Wasser zurückreflektiert. Der Winkel heißt Grenzwinkel der Totalreflexion.

Der Wert lässt sich leicht aus dem Brechungsgesetz ermitteln. Wir haben:

Aber deshalb

Für Wasser ist der Grenzwinkel der Totalreflexion also gleich:

Das Phänomen der Totalreflexion können Sie ganz einfach zu Hause beobachten. Gießen Sie Wasser in ein Glas, heben Sie es an und schauen Sie durch die Glaswand auf die Wasseroberfläche direkt darunter. Auf der Oberfläche sehen Sie einen silbrigen Schimmer – aufgrund der Totalreflexion verhält sie sich wie ein Spiegel.

Die wichtigste technische Anwendung ist die Totalreflexion Glasfaseroptik. Lichtstrahlen, die in ein Glasfaserkabel eingeleitet werden ( Lichtleiter) nahezu parallel zu seiner Achse, fallen in großen Winkeln auf die Oberfläche und werden ohne Energieverlust vollständig in das Kabel zurückreflektiert. Bei wiederholter Reflexion breiten sich die Strahlen immer weiter aus und übertragen dabei Energie über eine beträchtliche Distanz. Glasfaserkommunikation wird beispielsweise in Kabelfernsehnetzen und Hochgeschwindigkeitsinternetzugängen eingesetzt.