Typiske lyseffekter, som enhver person ofte møder i hverdagen, er refleksion og brydning. I denne artikel vil vi overveje det tilfælde, hvor begge effekter manifesterer sig i den samme proces, vi vil tale om fænomenet intern total refleksion.
Lysrefleksion
Før du overvejer fænomenet intern total refleksion af lys, bør du gøre dig bekendt med virkningerne af almindelig refleksion og brydning. Lad os starte med den første. For nemheds skyld vil vi kun overveje lys, selvom disse fænomener er karakteristiske for en bølge af enhver art.
Refleksion forstås som en ændring af en retlinet bane, langs hvilken en lysstråle bevæger sig, til en anden retlinet bane, når den støder på en forhindring på sin vej. Denne effekt kan observeres, når du peger en laserpeger mod et spejl. Fremkomsten af billeder af himlen og træerne, når man ser på vandoverfladen, er også resultatet af refleksionen af sollys.
Følgende lov er gyldig til refleksion: vinklerindfald og refleksion ligger i samme plan sammen med vinkelret på den reflekterende overflade og er lig med hinanden.
Lysets brydning
Effekten af brydning svarer til refleksion, kun den opstår, hvis forhindringen i lysstrålens vej er et andet gennemsigtigt medium. I dette tilfælde reflekteres en del af den indledende stråle fra overfladen, og en del passerer ind i det andet medium. Denne sidste del kaldes den brydte stråle, og den vinkel, den laver med vinkelret på grænsefladen, kaldes brydningsvinklen. Den brudte stråle ligger i samme plan som den reflekterede og indfaldende stråle.
Stærke eksempler på brydning er knækket af en blyant i et glas vand eller den vildledende dybde af en sø, når en person ser ned på dens bund.
Matematisk er dette fænomen beskrevet ved hjælp af Snells lov. Den tilsvarende formel ser sådan ud:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Her er indfalds- og brydningsvinklerne angivet som henholdsvis θ1 og θ2. Mængderne n1, n2 afspejler lysets hastighed i hvert medie. De kaldes mediernes brydningsindeks. Jo større n, jo langsommere bevæger lyset sig i et givet materiale. For eksempel i vand er lysets hastighed 25 % mindre end i luft, så for det er brydningsindekset 1,33 (for luft er det 1).
Fænomenet total intern refleksion
Lysets brydningslov fører til enet interessant resultat, når strålen udbreder sig fra et medium med stort n. Lad os overveje mere detaljeret, hvad der vil ske med strålen i dette tilfælde. Lad os skrive Snells formel:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ) 2).
Vi antager, at n1>n2. I dette tilfælde, for at ligheden forbliver sand, skal θ1 være mindre end θ2. Denne konklusion er altid gyldig, da kun vinkler fra 0o til 90o tages i betragtning, inden for hvilke sinusfunktionen er konstant stigende. Når man forlader et tættere optisk medium til et mindre tæt medium (n1>n2), afviger strålen mere fra det normale.
Lad os nu øge vinklen θ1. Som et resultat vil det øjeblik komme, hvor θ2 vil være lig med 90o. Et forbløffende fænomen opstår: en stråle, der udsendes fra et tættere medium, vil forblive i det, det vil sige, at grænsefladen mellem to transparente materialer bliver uigennemsigtig.
Kritisk vinkel
Vinklen θ1, for hvilken θ2=90o, kaldes kritisk for det velovervejede mediepar. Enhver stråle, der rammer grænsefladen i en vinkel, der er større end den kritiske vinkel, reflekteres fuldstændigt ind i det første medium. For den kritiske vinkel θc kan man skrive et udtryk, der følger direkte af Snells formel:
sin (θc)=n2 / n1.
Hvisdet andet medium er luft, så er denne lighed forenklet til formen:
sin (θc)=1 / n1.
For eksempel er den kritiske vinkel for vand:
θc=arcsin (1/1, 33)=48, 75o.
Hvis du dykker til bunden af poolen og kigger op, kan du kun se himlen og skyerne løbe hen over det over dit eget hoved, på resten af vandoverfladen vil kun bassinets vægge være synlige.
Ud fra ovenstående ræsonnement er det klart, at i modsætning til brydning er total refleksion ikke et reversibelt fænomen, det opstår kun, når man bevæger sig fra et tættere til et mindre tæt medium, men ikke omvendt.
Total refleksion i natur og teknologi
Måske den mest almindelige effekt i naturen, som er umulig uden total refleksion, er regnbuen. Regnbuens farver er resultatet af spredningen af hvidt lys i regndråber. Men når strålerne passerer inde i disse dråber, oplever de enten enkelt eller dobbelt intern refleksion. Det er derfor, regnbuen altid fremstår dobbelt.
Fænomenet intern total refleksion bruges i fiberoptisk teknologi. Takket være optiske fibre er det muligt at transmittere elektromagnetiske bølger uden tab over lange afstande.
