Slike v lečah, delovanje instrumentov, kot so mikroskopi in teleskopi, fenomen mavrice in zavajajoče zaznavanje globine vodnega telesa so primeri pojava loma svetlobe. Zakoni, ki opisujejo ta pojav, so obravnavani v tem članku.
Fenomen loma
Preden razmislimo o zakonih loma svetlobe v fiziki, se seznanimo z bistvom samega pojava.
Kot veste, če je medij homogen na vseh točkah prostora, se bo svetloba v njem premikala po ravni poti. Lom te poti se pojavi, ko svetlobni žarek pod kotom prečka vmesnik med dvema prozornima materialoma, kot sta steklo in voda ali zrak in steklo. Ko se premakne v drug homogeni medij, se bo svetloba prav tako premikala v ravni črti, vendar bo že v prvem mediju usmerjena pod določenim kotom na svojo trajektorijo. To je fenomen loma svetlobnega snopa.
Spodnji video prikazuje pojav loma na primeru stekla.
Pomembna točka tukaj je vpadni kotvmesniška ravnina. Vrednost tega kota določa, ali bo pojav loma opazen ali ne. Če žarek pade pravokotno na površino, se bo po prehodu v drugi medij še naprej gibal po isti ravni črti. Drugi primer, ko do loma ne bo prišlo, so vpadni koti žarka, ki gre iz optično gostejšega medija v manj gostega, ki so večji od neke kritične vrednosti. V tem primeru se bo svetlobna energija popolnoma odbila nazaj v prvi medij. Zadnji učinek je obravnavan spodaj.
Prvi lomni zakon
Lahko ga imenujemo tudi zakon treh premic v eni ravnini. Recimo, da obstaja žarek svetlobe A, ki pade na vmesnik med dvema prozornima materialoma. V točki O se žarek lomi in se začne premikati vzdolž premice B, ki ni nadaljevanje A. Če na točko O povrnemo pravokotno N na ločevalno ravnino, potem velja 1. zakon za pojav lom lahko formuliramo na naslednji način: vpadni žarek A, normalni N in lomljeni žarek B ležijo v isti ravnini, ki je pravokotna na vmesno ravnino.
Ta preprost zakon ni očiten. Njegova formulacija je rezultat posploševanja eksperimentalnih podatkov. Matematično ga je mogoče izpeljati po tako imenovanem Fermatovem principu ali principu najmanjšega časa.
Drugi lomni zakon
Šolski učitelji fizike pogosto dajo učencem naslednjo nalogo: "Formulirajte zakone loma svetlobe." Enega od njih smo upoštevali, zdaj pa preidimo na drugega.
Označite kot med žarkom A in pravokotnico N kot θ1, kot med žarkom B in N se bo imenoval θ2. Upoštevamo tudi, da je hitrost žarka A v mediju 1 v1, hitrost žarka B v mediju 2 je v2. Zdaj lahko podamo matematično formulacijo 2. zakona za obravnavani pojav:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
To formulo je pridobil Nizozemec Snell na začetku 17. stoletja in zdaj nosi njegov priimek.
Iz izraza izhaja pomemben zaključek: večja kot je hitrost širjenja svetlobe v mediju, dlje bo žarek od normale (večji je sinus kota).
Koncept lomnega količnika medija
Zgornja Snellova formula je trenutno napisana v nekoliko drugačni obliki, ki je bolj priročna za uporabo pri reševanju praktičnih problemov. Dejansko je hitrost v svetlobe v snovi, čeprav manjša od hitrosti v vakuumu, še vedno velika vrednost, s katero je težko delati. Zato je bila v fiziko uvedena relativna vrednost, za katero je enakost predstavljena spodaj:
n=c/v.
Tukaj je c hitrost žarka v vakuumu. Vrednost n kaže, kolikokrat je vrednost c večja od vrednosti v v materialu. Imenuje se lomni količnik tega materiala.
Ob upoštevanju vnesene vrednosti se formula zakona loma svetlobe prepiše v naslednji obliki:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Material z veliko vrednostjo n,imenujemo optično gosto. Ko gre skozi njo, svetloba upočasni svojo hitrost za n-krat v primerjavi z enako vrednostjo za brezzračni prostor.
Ta formula kaže, da bo žarek ležal bližje normali v mediju, ki je bolj optično gost.
Na primer, opazimo, da je lomni količnik zraka skoraj enak eni (1, 00029). Za vodo je njena vrednost 1,33.
Popoln odsev v optično gostem mediju
Naredimo naslednji poskus: zaženimo snop svetlobe iz vodnega stolpca proti njegovi površini. Ker je voda optično gostejša od zraka (1, 33>1, 00029), bo vpadni kot θ1 manjši od lomnega kota θ2. Zdaj bomo postopoma povečevali θ1 oziroma θ2, medtem ko bo neenakost θ1<θ2vedno ostane res.
Prišel bo trenutek, ko bo θ1<90o in θ2=90 o. Ta kot θ1 se imenuje kritičen za par medijev voda-zrak. Vsi vpadni koti, večji od tega, ne bodo povzročili, da noben del žarka ne bo prešel skozi vmesnik voda-zrak v manj gosto medij. Celoten žarek na meji bo doživel popoln odsev.
Izračun kritičnega vpadnega kota θc se izvede po formuli:
θc=arcsin(n2/n1).
).
Za medijsko vodo inzrak je 48, 77o.
Upoštevajte, da ta pojav ni reverzibilen, to pomeni, da ko se svetloba premika iz zraka v vodo, ni kritičnega kota.
Opisani pojav se uporablja pri delovanju optičnih vlaken in je skupaj z razpršitvijo svetlobe vzrok za pojav primarnih in sekundarnih mavric med dežjem.
