Fenomen loma. Lomni količnik zraka

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 17:55

Optika je ena najstarejših vej fizike. Od antične Grčije so se številni filozofi zanimali za zakoni gibanja in širjenja svetlobe v različnih prozornih materialih, kot so voda, steklo, diamant in zrak. Ta članek obravnava pojav loma svetlobe s poudarkom na lomnem količniku zraka.

Učinek loma svetlobnega žarka

Vsak v svojem življenju se je na stotinekrat soočil s pojavom tega učinka, ko je pogledal na dno rezervoarja ali kozarec vode, v katerem je bil postavljen kakšen predmet. Hkrati se rezervoar ni zdel tako globok, kot je bil v resnici, in predmeti v kozarcu vode so bili videti deformirani ali zlomljeni.

Fenomen loma svetlobnega žarka je prelom v njegovi pravocrtni poti, ko ta prečka vmesnik med dvema prozornima materialoma. Če povzema veliko eksperimentalnih podatkov, je na začetku 17. stoletja Nizozemec Willebrord Snell dobil matematični izraz:ki je natančno opisal ta pojav. Ta izraz je običajno zapisan v naslednji obliki:

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ ₂)=konst.

Tukaj n₁, n₂ so absolutni indeksi loma svetlobe v ustreznem materialu, θ_{1in θ}2 _{- koti med vpadnimi in lomljenimi žarki ter pravokotnica na vmesno ravnino, ki je narisana skozi točko presečišča žarka in te ravnine.}

Ta formula se imenuje Snellov ali Snell-Descartesov zakon (v predstavljeni obliki jo je zapisal Francoz, medtem ko je Nizozemec uporabljal ne sinuse, ampak dolžinske enote).

Pojav loma je poleg te formule opisan še z drugim zakonom, ki je geometrijske narave. Leži v tem, da označena pravokotnica na ravnino in dva žarka (odlomljen in vpadni) ležita v isti ravnini.

Absolutni lomni indeks

Ta vrednost je vključena v Snellovo formulo in njena vrednost ima pomembno vlogo. Matematično lomni količnik n ustreza formuli:

n=c/v.

Simbol c je hitrost elektromagnetnih valov v vakuumu. To je približno 310⁸m/s. Vrednost v je hitrost svetlobe v mediju. Tako lomni količnik odraža količino upočasnitve svetlobe v mediju glede na brezzračni prostor.

Iz zgornje formule sta dve pomembni posledici:

• vrednost n je vedno večja od 1 (za vakuum je enaka ena);
• to je brezdimenzionalna količina.

Na primer, lomni količnik zraka je 1,00029, medtem ko je za vodo 1,33.

Lomni količnik ni konstantna vrednost za določen medij. Odvisno je od temperature. Poleg tega ima za vsako frekvenco elektromagnetnega valovanja svoj pomen. Torej, zgornje številke ustrezajo temperaturi 20 ^oC in rumenemu delu vidnega spektra (valovna dolžina je približno 580-590 nm).

Odvisnost vrednosti n od frekvence svetlobe se kaže v razgradnji bele svetlobe s prizmo na številne barve, pa tudi v tvorbi mavrice na nebu med močnim dežjem.

Lomni indeks svetlobe v zraku

Njegova vrednost je bila že navedena zgoraj (1, 00029). Ker se lomni količnik zraka razlikuje le na četrti decimalki od nič, ga lahko za reševanje praktičnih problemov štejemo za enakega ena. Majhna razlika n za zrak od enote kaže, da molekule zraka svetlobe praktično ne upočasnjujejo, kar je povezano z njeno relativno nizko gostoto. Torej je povprečna gostota zraka 1,225 kg/m³, kar pomeni, da je več kot 800-krat lažji od sladke vode.

Zrak je optično tanek medij. Sam proces upočasnjevanja svetlobne hitrosti v materialu je kvantne narave in je povezan z dejanji absorpcije in oddajanja fotonov s strani atomov snovi.

Spremembe v sestavi zraka (na primer povečanje vsebnosti vodne pare v njem) in spremembe temperature vodijo do pomembnih sprememb indikatorjalom. Osupljiv primer je učinek privida v puščavi, ki nastane zaradi razlike v lomnih indeksih zračnih plasti z različnimi temperaturami.

vmesnik steklo-zračni

Steklo je veliko gostejši medij od zraka. Njegov absolutni lomni količnik se giblje od 1,5 do 1,66, odvisno od vrste stekla. Če vzamemo povprečno vrednost 1,55, potem lahko lom žarka na vmesniku zrak-steklo izračunamo s formulo:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

Vrednost n₂₁ se imenuje relativni lomni količnik zrak - steklo. Če gre žarek iz stekla v zrak, je treba uporabiti naslednjo formulo:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Če bo kot lomljenega žarka v zadnjem primeru enak 90^o, se vpadni kot, ki mu ustreza, imenuje kritičen. Za obrobno steklo - zrak je:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Če bo žarek padel na mejo steklo-zrak z večjimi koti od 40, 17^o, se bo popolnoma odbil nazaj v steklo. Ta pojav se imenuje "popolna notranja refleksija".

Kritični kot obstaja samo, ko se žarek premika iz gostega medija (iz stekla v zrak, ne pa obratno).