Billeder i linser, betjening af instrumenter som mikroskoper og teleskoper, fænomenet regnbuer og den vildledende opfattelse af dybden af en vandmasse er alle eksempler på fænomenet lysbrydning. De love, der beskriver dette fænomen, er diskuteret i denne artikel.
Fænomenet brydning
Før vi overvejer lovene for lysbrydning i fysik, lad os stifte bekendtskab med essensen af selve fænomenet.
Som du ved, hvis mediet er homogent på alle punkter i rummet, vil lyset bevæge sig i det langs en lige vej. Brydning af denne vej opstår, når en lysstråle krydser grænsefladen mellem to transparente materialer, såsom glas og vand eller luft og glas, i en vinkel. Når man bevæger sig til et andet homogent medium, vil lyset også bevæge sig i en lige linje, men det vil allerede være rettet i en vinkel til sin bane i det første medium. Dette er fænomenet lysstrålens brydning.
Videoen nedenfor demonstrerer fænomenet brydning ved at bruge glas som eksempel.
Det vigtige punkt her er indfaldsvinklen pågrænsefladeplan. Værdien af denne vinkel bestemmer, om brydningsfænomenet vil blive observeret eller ej. Hvis strålen falder vinkelret på overfladen, vil den, efter at have passeret ind i det andet medium, fortsætte med at bevæge sig langs den samme lige linje. Det andet tilfælde, hvor brydning ikke vil forekomme, er indfaldsvinklerne for en stråle, der går fra et optisk tættere medium til et mindre tæt medium, som er større end en kritisk værdi. I dette tilfælde vil lysenergien blive fuldstændig reflekteret tilbage i det første medium. Den sidste effekt diskuteres nedenfor.
Første brydningslov
Det kan også kaldes loven om tre linjer i et plan. Antag, at der er en lysstråle A, der falder på grænsefladen mellem to transparente materialer. I punktet O brydes strålen og begynder at bevæge sig langs den rette linie B, som ikke er en fortsættelse af A. Genskaber vi vinkelret N på adskillelsesplanet til punktet O, så er 1. lov for fænomenet brydning kan formuleres som følger: den indfaldende stråle A, den normale N og den brydte stråle B ligger i samme plan, som er vinkelret på grænsefladeplanet.
Denne simple lov er ikke indlysende. Dens formulering er resultatet af en generalisering af eksperimentelle data. Matematisk kan det udledes ved hjælp af det såkaldte Fermat-princip eller princippet om mindste tid.
Bygningens anden lov
Skolefysiklærere giver ofte eleverne følgende opgave: "Formuler lovene for lysets brydning." Vi har overvejet en af dem, lad os nu gå videre til den anden.
Betegn vinklen mellem stråle A og vinkelret N som θ1, vinklen mellem stråle B og N vil blive kaldt θ2. Vi tager også højde for, at hastigheden af stråle A i medie 1 er v1, hastigheden af stråle B i medie 2 er v2. Nu kan vi give en matematisk formulering af den 2. lov for det undersøgte fænomen:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Denne formel blev opnået af hollænderen Snell i begyndelsen af det 17. århundrede og bærer nu hans efternavn.
En vigtig konklusion følger af udtrykket: jo større lysudbredelseshastigheden i mediet er, jo længere fra normalen vil strålen være (jo større sinus for vinklen).
Begrebet brydningsindeks for mediet
Ovenstående Snell-formel er i øjeblikket skrevet i en lidt anden form, som er mere praktisk at bruge, når man løser praktiske problemer. Faktisk er lysets hastighed v i stof, selvom den er mindre end i vakuum, stadig en stor værdi, som er svær at arbejde med. Derfor blev der indført en relativ værdi i fysikken, hvis lighed er præsenteret nedenfor:
n=c/v.
Her er c strålens hastighed i vakuum. Værdien af n viser, hvor mange gange værdien af c er større end værdien af v i materialet. Det kaldes dette materiales brydningsindeks.
Med hensyn til den indtastede værdi vil formlen for lysets brydningslov blive omskrevet i følgende form:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materiale med en stor værdi på n,kaldes optisk tæt. Når lyset passerer gennem det, sænker lyset dets hastighed med n gange sammenlignet med den samme værdi for luftfri plads.
Denne formel viser, at strålen vil ligge tættere på normalen i mediet, der er mere optisk tæt.
For eksempel bemærker vi, at brydningsindekset for luft er næsten lig med én (1, 00029). For vand er værdien 1,33.
Total refleksion i et optisk tæt medium
Lad os udføre følgende eksperiment: lad os starte en lysstråle fra vandsøjlen mod dens overflade. Da vand er optisk tættere end luft (1, 33>1, 00029), vil indfaldsvinklen θ1 være mindre end brydningsvinklen θ2. Nu vil vi gradvist øge henholdsvis θ1, θ2 vil også øges, mens uligheden θ1<θ2forbliver altid sandt.
Der kommer et øjeblik, hvor θ1<90o og θ2=90 o. Denne vinkel θ1 kaldes kritisk for et par vand-luft medier. Eventuelle indfaldsvinkler større end dette vil resultere i, at ingen del af strålen passerer gennem vand-luft-grænsefladen til et mindre tæt medium. Hele strålen ved grænsen vil opleve total refleksion.
Beregning af den kritiske indfaldsvinkel θc udføres med formlen:
θc=arcsin(n2/n1).
Til medievand ogluft det er 48, 77o.
Bemærk, at dette fænomen ikke er reversibelt, dvs. når lys bevæger sig fra luft til vand, er der ingen kritisk vinkel.
Det beskrevne fænomen bruges i driften af optiske fibre, og er sammen med spredningen af lys årsagen til fremkomsten af primære og sekundære regnbuer under regn.
