Lom světla

Refrakce ( lom ) je změna směru paprsku ( vlny ), ke které dochází na rozhraní dvou prostředí , kterými tento paprsek prochází [1] , nebo v jednom prostředí, avšak s měnícími se vlastnostmi, ve kterém je rychlost šíření vlnění. není totéž [2] .

Jev lomu je vysvětlen zákony zachování energie a zachování hybnosti . Při změně přenosového média se mění rychlost vlny, ale její frekvence zůstává stejná. Lom světla sklem nebo vodou je nejjednodušším a nejzřejmějším příkladem zkreslení paprsku, ale zákony lomu platí pro jakékoli vlnění, elektromagnetické , akustické a dokonce i námořní. Obecně platí, že zákon lomu je popsán Snellovým zákonem .

Termíny " lom " a " lom " se používají zaměnitelně [2] ; tradičně se termín "lom" častěji používá k popisu záření v prostředí , ve kterém se index lomu plynule mění z bodu do bodu (trajektorie paprsku má tvar plynule zakřivené čáry), zatímco pojem "lom" je častěji používá se k popisu prudké změny trajektorie paprsku hranicí prostředí v důsledku velkého rozdílu v jejich indexech lomu [2] . V tomto případě funguje stejný zákon - závislost rychlosti vlnění na indexu lomu konkrétního přenosového média.

Specifika vysílacího média nebo zdroje záření někdy vyžadují, aby studie tohoto konkrétního lomu byly vyčleněny ve zvláštní sekci. Takže lom lidského oka je studován oftalmologií , zatímco lom zvuku ve vodě je studován hydroakustikou , lom nebeských těles je studován astronomií a tak dále.

Studium zákonů lomu má pro vědu a techniku ​​zásadní význam. Jejich aplikace v různých oblastech poznání umožňuje vytvářet přesné optické přístroje ( dalekohledy , mikroskopy , fotoaparáty, videokamery, brýle, kontaktní čočky atd.), zkoumat chemickou strukturu sloučenin a určovat složení chemických směsí [3] , získat přesné geodetické a astronomické souřadnice [4] , vytvořit optimální komunikační systémy a mnoho dalšího.

Fyzika jevu

Lom je pozorován, když se fázové rychlosti elektromagnetických vln v kontaktujících médiích liší (viz index lomu ). V tomto případě by celková hodnota rychlosti vlny měla být na různých stranách rozhraní mezi médii různá. Pokud však sledujeme pohyb například hřebene vlny po rozhraní, pak by měla být odpovídající rychlost stejná pro obě „poloviny“ vlny (protože při překročení hranice zůstává maximum vlny maximální , a naopak, tj. můžeme hovořit o synchronizaci dopadajících a přenášených vln ve všech hraničních bodech, viz horní obrázek). Z jednoduché geometrické konstrukce získáme, že rychlost průsečíku hřebene s přímkou ​​nakloněnou ke směru šíření vlny pod úhlem , bude rovna , kde  je rychlost šíření vlny.

To je zřejmé ze skutečnosti, že zatímco hřeben vlny prochází ve směru svého šíření (tj. kolmo na hřeben) vzdálenost rovnající se rameni trojúhelníku, průsečík hřebene s hranicí projde vzdálenost rovná přeponě a poměr těchto vzdáleností, rovný sinusu úhlu, je poměr rychlostí.

Poté, když vyrovnáme rychlosti podél rozhraní pro dopadající a procházející vlny, dostaneme , což je ekvivalent Snellova zákona , protože index lomu je definován jako poměr rychlosti elektromagnetického záření ve vakuu k rychlosti elektromagnetického záření ve vakuu. střední: .

V důsledku toho je na rozhraní mezi dvěma prostředími pozorován lom paprsků, kvalitativně spočívající v tom, že úhly k normále k rozhraní mezi prostředím pro dopadající a lomené paprsky se navzájem liší, to znamená dráha paprsku. paprsek se místo přímky přeruší - paprsek se láme.

Všimněte si, že téměř identický způsob, jak odvodit Snellův zákon , je sestrojit přenášenou vlnu pomocí Huygens-Fresnelova principu (viz obrázek).

Když se vlna pohybuje v prostředí s různými indexy lomu, její frekvence je zachována a vlnová délka se mění úměrně rychlosti.

V izotropním prostředí pro sinusovou vlnu charakterizovanou frekvencí a vlnovým vektorem kolmým ke směru šíření vlny vedou úvahy, že složka vlnového vektoru rovnoběžně s rozhraním musí být stejná před a po průchodu tímto rozhraním, stejná forma zákona lomu.

Kromě toho stojí za zmínku, že vlnový vektor fotonu se rovná jeho vektoru hybnosti dělenému Planckovou konstantou , a to umožňuje přirozeně interpretovat Snellův zákon jako zachování projekce hybnosti fotonu na rozhraní média. kříže.

Totální vnitřní odraz

S lomem úzce souvisí fenomén odrazu od rozhraní mezi transparentními médii. V jistém smyslu se jedná o dvě stránky téhož fenoménu.

Fenomén úplného vnitřního odrazu (TIR) ​​je způsoben tím, že pro některé úhly dopadu neexistuje lomená vlna, která by vyhovovala Snellově zákonu. To znamená, že se objeví pouze odražená vlna, a proto se vlna zcela odráží. TIR je možné, když vlna padá z prostředí, kde se vlna šíří s nižší fázovou rychlostí (vyšší index lomu) na hranici s prostředím s vyšší fázovou rychlostí šíření takové vlny (nižší index lomu).

S postupným zvyšováním úhlu dopadu vzhledem k normále se v určitém okamžiku lomený paprsek shoduje s rozhraním mezi médii a poté zmizí - zůstane pouze odražený paprsek.

Plná refrakce

Pokud vertikálně polarizovaná vlna dopadá na rozhraní pod Brewsterovým úhlem , pak bude pozorován účinek úplného lomu  - nebude zde žádná odražená vlna.

Refrakce v běžném životě

Refrakce se vyskytuje na každém kroku a je vnímána jako zcela běžný jev: je vidět, jak se lžička v šálku čaje „rozbije“ na hranici vody a vzduchu. Zde je vhodné poznamenat, že toto pozorování s nekritickým vnímáním dává nesprávnou představu o znamení účinku: zdánlivý lom lžičky se vyskytuje v opačném směru než skutečný lom světelných paprsků.

Lom světla na rozhraní dvou médií dává paradoxní vizuální efekt: objekty procházející rozhraním v hustším médiu vypadají „lomené nahoru“; zatímco paprsek vstupující do hustšího prostředí se v něm šíří pod menším úhlem, „láme se dolů“. Tento optický efekt vede k chybám ve vizuálním určení hloubky nádrže, která se vždy zdá být menší, než ve skutečnosti je.

Lom, disperze a vnitřní odraz světla v kapičkách vody spolu dávají vzniknout duze . V důsledku rozptylu světla kapky lámou a odklánějí světlo různých barev různými způsoby : paprsky s nejkratší vlnovou délkou ( fialová ) se nejvíce lámou a vychylují a paprsky s nejdelší ( červená ) jsou nejslabší. Výsledkem je oblouk malovaný v různých barvách.

Mnohonásobný lom (a částečně odraz) v malých průhledných prvcích struktury (sněhové vločky, papírová vlákna, bublinky) vysvětluje vlastnosti matných (ne zrcadlových) reflexních povrchů, jako je bílý sníh, papír, bílá pěna.

Lom v zemské atmosféře vysvětluje mnoho vizuálních efektů. Například za určitých meteorologických podmínek se Země (z malé výšky) pozorovateli jeví jako konkávní mísa (a nikoli část konvexní koule). V důsledku lomu hvězdy jakoby „blikají“ [4] . Také lom světla v atmosféře vede k tomu, že východ Slunce (a obecně jakékoli nebeské těleso) pozorujeme o něco dříve a západ o něco později, než by tomu bylo při absenci atmosféry [4] . Ze stejného důvodu na obzoru vypadá sluneční kotouč mírně zploštělý podél horizontály.

Aplikace

V technických a vědeckých přístrojích

Fenomén lomu je základem provozu refrakčních dalekohledů (pro vědecké a praktické účely, včetně naprosté většiny zaměřovacích dalekohledů, dalekohledů a dalších pozorovacích zařízení), čoček pro fotografické, filmové a televizní kamery, mikroskopů , lup, brýlí, promítacích zařízení , přijímače a vysílače optických signálů, koncentrátory výkonných světelných paprsků, hranolové spektroskopy a spektrometry , hranolové monochromátory a mnoho dalších optických přístrojů obsahujících čočky a/nebo hranoly . Je nutné jej zohlednit při výpočtu provozu téměř všech optických zařízení. To vše platí pro různé rozsahy elektromagnetického spektra.

V akustice je lom zvuku zvláště důležité vzít v úvahu při studiu šíření zvuku v nehomogenním prostředí a samozřejmě na rozhraní mezi různými prostředími.

V technologii může být důležité vzít v úvahu lom vln různé povahy, například vlny na vodě, různé vlny v aktivních médiích atd.

V lékařství

Fenomén lomu se používá v takových oblastech medicíny, jako je optometrie a oftalmologie . Pomocí phoropteru je možné odhalit refrakční vady oka pacienta a provedením několika testů s čočkami různé refrakční síly a různé ohniskové vzdálenosti je možné vybrat vhodné brýle nebo kontaktní čočky pro pacienta .

Viz také

Literatura

Poznámky

  1. ↑ Lom světla Archivováno 8. května 2012 na Wayback Machine  – článek Encyklopedie fyziky
  2. ↑ 1 2 3 Refrakce (lom světla) // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
  3. ↑ Molekulární refrakce // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
  4. ↑ 1 2 3 Refrakce (světla v atmosféře) // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.

Odkazy