I dag vil vi afsløre, hvad brydningsvinklen er for en elektromagnetisk bølge (det såkaldte lys), og hvordan dens love er dannet.
Øje, hud, hjerne
Mennesket har fem hovedsanser. Medicinske forskere skelner mellem op til elleve forskellige forskellige fornemmelser (for eksempel en følelse af tryk eller smerte). Men folk får det meste af deres information gennem deres øjne. Op til halvfems procent af de tilgængelige fakta, den menneskelige hjerne er opmærksom på, er elektromagnetiske vibrationer. Så folk forstår for det meste skønhed og æstetik visuelt. Lysets brydningsvinkel spiller en vigtig rolle i dette.
Ørken, sø, regn
Verden omkring er gennemsyret af sollys. Luft og vand danner grundlaget for, hvad folk kan lide. Selvfølgelig er der en barsk skønhed ved tørre ørkenlandskaber, men for det meste foretrækker folk noget fugt.
Mennesket har altid været fascineret af bjergstrømme og glatte lavlandsfloder, rolige søer og havets evigt rullende bølger, stænk af et vandfald og en kold drøm om gletsjere. Mere end én gang har alle bemærket skønheden i lysets spil i duggen på græsset, gnistret af rimfrost på grenene, tågens mælkehvide og lave skyers dystre skønhed. Og alle disse effekter skabestakket være brydningsvinklen for strålen i vandet.
Øje, elektromagnetisk skala, regnbue
Lys er en fluktuation af det elektromagnetiske felt. Bølgelængden og dens frekvens bestemmer typen af foton. Vibrationsfrekvensen afgør, om det vil være en radiobølge, en infrarød stråle, et spektrum af en eller anden farve, der er synlig for en person, ultraviolet, røntgen- eller gammastråling. Mennesker er i stand til med deres øjne at opfatte elektromagnetiske vibrationer med bølgelængder fra 780 (rød) til 380 (violet) nanometer. På skalaen af alle mulige bølger optager denne sektion et meget lille område. Det vil sige, at folk ikke er i stand til at opfatte det meste af det elektromagnetiske spektrum. Og al den skønhed, der er tilgængelig for mennesket, er skabt af forskellen mellem indfaldsvinklen og brydningsvinklen ved grænsen mellem medierne.
Vakuum, Sol, planet
Fotoner udsendes af Solen som et resultat af en termonuklear reaktion. Fusionen af brintatomer og heliums fødsel ledsages af frigivelsen af et stort antal forskellige partikler, herunder lyskvanter. I et vakuum forplanter elektromagnetiske bølger sig i en lige linje og med den højest mulige hastighed. Når det kommer ind i et gennemsigtigt og tættere medium, såsom jordens atmosfære, ændrer lys sin udbredelseshastighed. Som et resultat ændrer det udbredelsesretningen. Hvor meget bestemmer brydningsindekset. Brydningsvinklen beregnes ved hjælp af Snell-formlen.
Snells lov
Den hollandske matematiker Willebrord Snell arbejdede hele sit liv med vinkler og afstande. Han forstod, hvordan man målte afstande mellem byer, hvordan man fandt en givenpunkt på himlen. Ikke underligt, at han fandt et mønster i lysets brydningsvinkler.
Lovformlen ser sådan ud:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
I dette udtryk har tegnene følgende betydning:
- 1 og n2 er brydningsindekserne for medium 1 (hvorfra strålen falder) og medium 2 (den går ind i den));
- θ1 og θ2 er henholdsvis lysets indfaldsvinkel og brydning.
Forklaringer til loven
Det er nødvendigt at give nogle forklaringer til denne formel. Vinkler θ betyder det antal grader, der ligger mellem strålens udbredelsesretning og normalen til overfladen i lysstrålens berøringspunkt. Hvorfor bruges normal i dette tilfælde? For i virkeligheden er der ingen strengt flade overflader. Og at finde normalen til enhver kurve er ret simpel. Desuden, hvis vinklen mellem mediegrænsen og den indfaldende stråle x er kendt i problemet, så er den påkrævede vinkel θ kun (90º-x).
Oftest kommer lys ind fra et mere fortyndet (luft) til et tættere (vand) medium. Jo tættere mediets atomer er på hinanden, jo stærkere brydes strålen. Derfor, jo tættere mediet er, desto større er brydningsvinklen. Men det sker også omvendt: lys falder fra vand til luft eller fra luft til et vakuum. Under sådanne omstændigheder kan der opstå en betingelse, hvorunder n1sin θ1>n2. Det vil sige, at hele strålen vil blive reflekteret tilbage til det første medium. Dette fænomen kaldes total internafspejling. Vinklen, hvorved de ovenfor beskrevne omstændigheder opstår, kaldes den begrænsende brydningsvinkel.
Hvad bestemmer brydningsindekset?
Denne værdi afhænger kun af stoffets egenskaber. For eksempel er der krystaller, som det har betydning for, i hvilken vinkel strålen kommer ind. Egenskabernes anisotropi manifesteres i dobbeltbrydning. Der er medier, for hvilke polariseringen af den indkommende stråling er vigtig. Det skal også huskes, at brydningsvinklen afhænger af bølgelængden af den indfaldende stråling. Det er på denne forskel, at eksperimentet med opdelingen af hvidt lys i en regnbue ved hjælp af et prisme er baseret. Det skal bemærkes, at mediets temperatur også påvirker strålingens brydningsindeks. Jo hurtigere atomerne i en krystal vibrerer, jo mere deformeres dens struktur og evnen til at ændre lysets udbredelsesretning.
Eksempler på værdien af brydningsindekset
Vi giver forskellige værdier for velkendte miljøer:
- S alt (kemisk formel NaCl) som mineral kaldes "halit". Dens brydningsindeks er 1,544.
- Brydningsvinklen for glas beregnes ud fra dets brydningsindeks. Afhængigt af materialetypen varierer denne værdi mellem 1.487 og 2.186.
- Diamond er berømt netop for lysets spil i den. Juvelerer tager højde for alle dens planer, når de skærer. Brydningsindekset for diamant er 2.417.
- Vand renset fra urenheder har et brydningsindeks på 1,333. H2O er et meget godt opløsningsmiddel. Derfor er der ikke noget kemisk rent vand i naturen. Hver brønd, hver flod er karakteriseretmed dens sammensætning. Derfor ændres brydningsindekset også. Men for at løse simple skoleproblemer kan du tage denne værdi.
Jupiter, Saturn, Callisto
Indtil nu har vi t alt om skønheden i den jordiske verden. De såkaldte normale forhold indebærer en meget specifik temperatur og tryk. Men der er andre planeter i solsystemet. Der er ret forskellige landskaber.
På Jupiter er det for eksempel muligt at observere argon-dis i metanskyer og helium-opstrøm. Røntgenlys er også almindelige der.
På Saturn dækker ethantåger brintatmosfæren. På de nederste lag af planeten regner diamanter fra meget varme metanskyer.
Jupiters stenede frosne måne Callisto har imidlertid et indre hav, der er rigt på kulbrinter. Måske lever svovlforbrugende bakterier i dets dybder.
Og i hvert af disse landskaber skaber lysets spil på forskellige overflader, kanter, afsatser og skyer skønhed.
