Refraction

редактировать
Physics; изменение направления волны

Луч света, преломляемый в пластиковом блоке.

В физике, преломление - это изменение направления волны переход от одной среды к другой или постепенное изменение среды. Преломление света является наиболее часто наблюдаемым явлением, но другие волны, такие как звуковые волны и волны на воде, также испытывают преломление. Степень преломления волны определяется изменением скорости волны и начальным направлением распространения волны относительно направления изменения скорости.

Для света преломление следует закону Снеллиуса, который гласит, что для данной пары сред соотношение синусов угла падения θ1и угол преломления θ2равен отношению фазовых скоростей (v1/ v 2) в двух средах или, что эквивалентно, показателям преломления (n2/ n 1) двух сред.

грех ⁡ θ 1 грех ⁡ θ 2 = v 1 v 2 = n 2 n 1 {\ displaystyle {\ frac {\ sin \ theta _ {1 }} {\ sin \ theta _ {2}}} = {\ frac {v_ {1}} {v_ {2}}} = {\ frac {n_ {2}} {n_ {1}}}}\ frac { \ sin \ theta_1} {\ sin \ theta_2} = \ frac {v_1} {v_2} = \ frac {n_ 2} {n_1}
Преломление света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления, при n 2>n1. Поскольку фазовая скорость ниже во второй среде (v 2< v1), угол преломления θ 2 меньше угла падения θ 1 ; то есть луч в среде с более высоким показателем преломления ближе к нормальному.

Оптические призмы и линзы используют рефракцию для перенаправления света, как и человеческий глаз . Показатель преломления материалов изменяется в зависимости от длины волны света, и, таким образом, угол преломления также изменяется соответственно. Это называется дисперсией и заставляет призмы и радуги разделять белый свет на составляющие его спектральные цвета.

Содержание

  • 1 Свет
    • 1.1 Общее объяснение
      • 1.1.1 Объяснение замедления света в среде
      • 1.1.2 Объяснение искривления света, когда он входит и выходит из среды
    • 1.2 Закон преломления
    • 1.3 Преломление в среде поверхность воды
    • 1,4 Дисперсия
    • 1,5 Атмосферная рефракция
    • 1,6 Клиническое значение
    • 1,7 Галерея
  • 2 Волны на воде
  • 3 Акустика
  • 4 См. также
  • 5 Ссылки
  • 6 Внешние ссылки

Свет

Перо, частично погруженное в чашу с водой, кажется искривленным из-за преломления на поверхности воды.

В нашей повседневной жизни преломление света можно увидеть во многих местах. Это заставляет объекты под водой казаться ближе, чем они есть на самом деле. Это то, на чем основаны оптические линзы, позволяющие использовать такие инструменты, как очки, камеры, бинокли, микроскопы и человеческий глаз. Рефракция также отвечает за некоторые естественные оптические явления, включая радуги и миражи.

Общее объяснение

Когда волна движется в более медленную среду, волновые фронты сжимаются. Чтобы волновые фронты оставались соединенными на границе, волна должна изменить направление.

Правильное объяснение преломления включает две отдельные части, обе являются результатом волновой природы света.

  1. Свет замедляется, поскольку он проходит через среду, отличную от вакуума (например, воздух, стекло или воду). Это не из-за рассеяния или поглощения. Скорее это происходит потому, что в качестве электромагнитных колебаний свет сам заставляет колебаться другие электрически заряженные частицы, такие как электроны. Колеблющиеся электроны испускают собственные электромагнитные волны, которые взаимодействуют с исходным светом. Результирующая "комбинированная" волна имеет волновые пакеты, которые проходят наблюдателя с меньшей скоростью. Свет эффективно замедлился. Когда свет возвращается в вакуум и поблизости нет электронов, этот эффект замедления заканчивается, и его скорость возвращается к c.
  2. Когда свет входит, выходит или изменяет среду, в которой он проходит, под углом, с одной стороны или с другой стороны. другой из волнового фронта замедляется раньше другого. Это асимметричное замедление света заставляет его изменять угол своего движения. Как только свет попадает в новую среду с постоянными свойствами, он снова движется по прямой линии.

Объяснение замедления света в среде

Как описано выше, скорость света медленнее в среде, отличной от вакуума. Это замедление применимо к любой среде, такой как воздух, вода или стекло, и отвечает за такие явления, как рефракция. Когда свет покидает среду и возвращается в вакуум, и игнорируя любые эффекты гравитации, его скорость возвращается к обычной скорости света в вакууме c.

Общие объяснения этого замедления, основанные на идее рассеяния света атомами, его поглощения и повторного испускания, неверны. Подобные объяснения могут вызвать эффект «размытия» в результирующем свете, поскольку он больше не будет двигаться только в одном направлении. Но в природе такого эффекта не наблюдается.

Более правильное объяснение основывается на природе света как электромагнитной волны. Поскольку свет представляет собой колеблющуюся электрическую / магнитную волну, свет, перемещающийся в среде, заставляет электрически заряженные электроны материала также колебаться. (Протоны материала также колеблются, но поскольку они примерно в 2000 раз массивнее, их движение и, следовательно, их влияние намного меньше). Движущийся электрический заряд излучает собственные электромагнитные волны. Электромагнитные волны, излучаемые колеблющимися электронами, взаимодействуют с электромагнитными волнами, из которых состоит исходный свет, подобно волнам воды в пруду. Этот процесс известен как конструктивная интерференция. Когда две волны интерферируют таким образом, результирующая "комбинированная" волна может иметь волновые пакеты, которые проходят через наблюдателя с меньшей скоростью. Свет эффективно замедлился. Когда свет покидает материал, этого взаимодействия с электронами больше не происходит, и поэтому скорость волнового пакета (и, следовательно, его скорость) возвращается к норме.

Объяснение искривления света, когда он входит и выходит из среды

Рассмотрим волну, идущую от одного материала к другому, где ее скорость ниже, как на рисунке. Если волна достигает границы раздела между материалами под углом, одна сторона волны сначала достигает второго материала и, следовательно, замедляется раньше. Если одна сторона волны движется медленнее, вся волна развернется в эту сторону. Вот почему волна будет отклоняться от поверхности или к нормали при входе в более медленный материал. В противоположном случае, когда волна достигает материала с более высокой скоростью, одна сторона волны ускоряется, и волна поворачивается в сторону от этой стороны.

Другой способ понять то же самое - рассмотреть изменение длины волны на границе раздела. Когда волна переходит из одного материала в другой, где волна имеет другую скорость v, частота f волны останется прежней, но расстояние между фронтами или длина волны λ = v / f изменится. Если скорость уменьшается, как показано на рисунке справа, длина волны также уменьшится. С углом между волновыми фронтами и границей раздела и изменением расстояния между волновыми фронтами угол должен изменяться по границе раздела, чтобы волновые фронты оставались нетронутыми. Исходя из этих соображений, соотношение между углом падения θ1, углом пропускания θ 2 и скоростями волн v 1 и v 2 в эти два материала могут быть получены. Это закон преломления или закон Снеллиуса, и его можно записать как

грех ⁡ θ 1 грех ⁡ θ 2 = v 1 v 2 {\ displaystyle {\ frac {\ sin \ theta _ {1 }} {\ sin \ theta _ {2}}} = {\ frac {v_ {1}} {v_ {2}}}}{\ displaystyle {\ frac { \ sin \ theta _ {1}} {\ sin \ theta _ {2}}} = {\ frac {v_ {1}} {v_ {2}}}} .

Феномен рефракции может быть более фундаментальным образом выведен из 2 или Трехмерное волновое уравнение. Граничное условие на границе раздела потребует, чтобы касательная составляющая волнового вектора была идентична на двух сторонах границы раздела. Поскольку величина волнового вектора зависит от скорости волны, это требует изменения направления волнового вектора.

Соответствующая скорость волны в обсуждении выше - это фазовая скорость волны. Обычно это близко к групповой скорости, которую можно рассматривать как более точную скорость волны, но когда они различаются, важно использовать фазовую скорость во всех расчетах, касающихся рефракции.

Волна, распространяющаяся перпендикулярно границе, т.е. имеющая свои волновые фронты, параллельные границе, не изменит направление, даже если скорость волны изменится.

Закон преломления

Для света показатель преломления n материала чаще используется, чем фазовая скорость v волны в материале. Однако они напрямую связаны через скорость света в вакууме c как

n = cv {\ displaystyle n = {\ frac {c} {v}}}{\ displaystyle n = {\ frac {c} {v}}} .

In оптика, поэтому закон преломления обычно записывается как

n 1 sin ⁡ θ 1 = n 2 sin ⁡ θ 2 {\ displaystyle n_ {1} \ sin \ theta _ {1} = n_ { 2} \ sin \ theta _ {2}}{\ displaystyle n_ {1} \ sin \ theta _ {1} = n_ {2} \ sin \ theta _ {2}} .

Преломление на водной поверхности

Деталь карандаша, погруженная в воду, выглядит искривленной из-за преломления: световые волны от X меняют направление и, кажется, возникают в Y.

Преломление возникает, когда свет проходит через поверхность воды, поскольку вода имеет показатель преломления 1,33, а воздух - около 1. Глядя на прямой объект, например карандаш на рисунке, который расположен под наклоном частично в воде объект кажется изгибающимся у поверхности воды. Это происходит из-за искривления световых лучей при переходе от воды к воздуху. Как только лучи достигают глаза, глаз прослеживает их обратно в виде прямых линий (линий взгляда). Линии обзора (показаны пунктирными линиями) пересекаются в более высоком месте, чем то место, где исходят настоящие лучи. Это заставляет карандаш казаться выше, а вода - более мелкой, чем она есть на самом деле.

Глубина, на которой вода выглядит, если смотреть сверху, называется кажущейся глубиной. Это важное соображение при подводной охоте с поверхности, потому что при этом будет казаться, что целевая рыба находится в другом месте, и рыбак должен целиться ниже, чтобы поймать рыбу. И наоборот, объект над водой имеет большую видимую высоту, если смотреть снизу. Противоположная поправка должна быть сделана рыбой-лучником .

. Для малых углов падения (измеренных от нормали, когда sin θ примерно такой же, как tan θ), отношение видимой глубины к реальной является отношением коэффициент преломления воздуха по отношению к воде. Но по мере того, как угол падения приближается к 90, видимая глубина приближается к нулю, хотя отражение увеличивается, что ограничивает наблюдение при больших углах падения. И наоборот, кажущаяся высота приближается к бесконечности по мере увеличения угла падения (снизу), но даже раньше, когда приближается угол полного внутреннего отражения, хотя изображение также исчезает из поля зрения по мере приближения к этому пределу.

Изображение Моста Золотые Ворота преломляется и искривляется множеством различных трехмерных капель воды.

Дисперсия

Рефракция также отвечает за радугу и для разделения белого света на радужный спектр при его прохождении через стеклянную призму. Стекло имеет более высокий показатель преломления, чем воздух. Когда луч белого света проходит из воздуха в материал, показатель преломления которого зависит от частоты, возникает явление, известное как дисперсия, при котором разные цветные компоненты белого света преломляются под разными углами, т.е. они изгибаются на границе раздела на разную величину, так что они разделяются. Разные цвета соответствуют разным частотам.

Атмосферное преломление

Солнце кажется немного плоским, когда оно приближается к горизонту из-за преломления в атмосфере.

Показатель преломления воздуха зависит от плотности воздуха и, следовательно, меняется при температуре воздуха и давлении. Поскольку давление ниже на больших высотах, показатель преломления также ниже, в результате чего световые лучи преломляются к поверхности земли при перемещении на большие расстояния через атмосферу. Это немного смещает видимые положения звезд, когда они приближаются к горизонту, и делает солнце видимым до того, как оно геометрически поднимается над горизонтом во время восхода солнца.

Тепловая дымка в выхлопе двигателя над дизельным локомотивом.

Температурные колебания в воздухе также могут вызывать преломление света. Это можно рассматривать как тепловую дымку при смешивании горячего и холодного воздуха, например. над огнем, в выхлопе двигателя или при открытии окна в холодный день. Из-за этого объекты, просматриваемые сквозь смешанный воздух, кажутся мерцающими или беспорядочно перемещающимися по мере движения горячего и холодного воздуха. Этот эффект также виден при обычных колебаниях температуры воздуха в солнечный день при использовании телеобъективов с большим увеличением и часто в таких случаях снижает качество изображения. Аналогичным образом атмосферная турбулентность приводит к быстро меняющимся искажениям в изображениях астрономических телескопов, ограничивая разрешение земных телескопов, не использующих адаптивную оптику или другие методы преодоления этих атмосферных искажений.

Мираж над горячей дорогой.

Изменения температуры воздуха вблизи поверхности могут вызвать другие оптические явления, такие как миражи и Фата Моргана. Чаще всего воздух, нагретый горячей дорогой в солнечный день, отражает свет, приближающийся под небольшим углом к ​​зрителю. Это заставляет дорогу выглядеть отражающей, создавая иллюзию воды, покрывающей дорогу.

Клиническое значение

В медицине, в частности оптометрии, офтальмологии и ортоптике, рефракция ( также известный как рефрактометрия) - это клинический тест, в котором фороптер может использоваться соответствующим офтальмологом для определения аномалии рефракции глаза и наилучшего корректирующие линзы подлежат назначению. Предлагается серия тестовых линз с градуированной оптической силой или фокусным расстоянием, чтобы определить, какая из них обеспечивает наиболее резкое и ясное зрение.

Галерея

Файл: преломление квантовой частицы.webm Воспроизвести медиа 2D-моделирование: преломление квантовой частицы. Черная половина фона - нулевой потенциал, серая половина - более высокий потенциал. Белое размытие представляет собой распределение вероятности нахождения частицы в данном месте при измерении.

Волны на воде

Волны на воде почти параллельны пляжу, когда они ударяются о него, потому что они постепенно преломляются к суше по мере того, как вода становится мельче.

Водные волны движутся медленнее на мелководье. Это может быть использовано для демонстрации преломления в резервуарах с пульсацией, а также объясняет, почему волны на береговой линии имеют тенденцию падать на берег близко к перпендикулярному углу. По мере того, как волны переходят из глубины в более мелкую воду у берега, они преломляются от исходного направления движения до угла, более нормального к береговой линии.

Акустика

В под водой acoustics преломление - это изгиб или искривление звукового луча, которое возникает, когда луч проходит через градиент скорости звука из области с одной скоростью звука в область с другой скоростью. Величина изгиба лучей зависит от величины разницы между скоростями звука, то есть изменения температуры, солености и давления воды. Подобные эффекты акустики также обнаруживаются в атмосфере Земли. Явление преломления звука в атмосфере известно веками; однако, начиная с начала 1970-х, широко распространенный анализ этого эффекта вошел в моду благодаря проектированию городских автомагистралей и шумозащитных барьеров для устранения метеорологических эффектов изгиба. звуковых лучей в нижних слоях атмосферы.

См. также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Refraction.
Последняя правка сделана 2021-06-03 11:30:42
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте