Imej dalam kanta, pengendalian instrumen seperti mikroskop dan teleskop, fenomena pelangi dan persepsi menipu tentang kedalaman badan air adalah semua contoh fenomena pembiasan cahaya. Undang-undang yang menerangkan fenomena ini dibincangkan dalam artikel ini.
Fenomena pembiasan
Sebelum mempertimbangkan hukum biasan cahaya dalam fizik, mari kita berkenalan dengan intipati fenomena itu sendiri.
Seperti yang anda ketahui, jika medium adalah homogen di semua titik di angkasa, maka cahaya akan bergerak di dalamnya sepanjang jalan yang lurus. Pembiasan laluan ini berlaku apabila pancaran cahaya melintasi pada sudut antara muka antara dua bahan lutsinar, seperti kaca dan air atau udara dan kaca. Bergerak ke medium homogen lain, cahaya juga akan bergerak dalam garis lurus, tetapi ia akan diarahkan pada beberapa sudut ke trajektorinya dalam medium pertama. Ini ialah fenomena pembiasan pancaran cahaya.
Video di bawah menunjukkan fenomena pembiasan menggunakan kaca sebagai contoh.
Titik penting di sini ialah sudut kejadian padasatah antara muka. Nilai sudut ini menentukan sama ada fenomena biasan akan diperhatikan atau tidak. Jika rasuk jatuh secara tegak lurus ke permukaan, maka, setelah melewati medium kedua, ia akan terus bergerak di sepanjang garis lurus yang sama. Kes kedua, apabila pembiasan tidak akan berlaku, ialah sudut tuju bagi rasuk dari medium optik yang lebih tumpat kepada yang kurang tumpat, yang lebih besar daripada beberapa nilai kritikal. Dalam kes ini, tenaga cahaya akan dipantulkan sepenuhnya kembali ke dalam medium pertama. Kesan terakhir dibincangkan di bawah.
Hukum pertama pembiasan
Ia juga boleh dipanggil hukum tiga garis dalam satu satah. Katakan terdapat pancaran cahaya A yang jatuh pada antara muka antara dua bahan lutsinar. Pada titik O, rasuk dibiaskan dan mula bergerak di sepanjang garis lurus B, yang bukan kesinambungan A. Jika kita memulihkan N serenjang pada satah pemisah ke titik O, maka hukum 1 untuk fenomena pembiasan boleh dirumuskan seperti berikut: rasuk tuju A, N normal dan rasuk B terbias terletak pada satah yang sama, yang berserenjang dengan satah antara muka.
Undang-undang mudah ini tidak jelas. Rumusannya adalah hasil generalisasi data eksperimen. Secara matematik, ia boleh diperoleh menggunakan prinsip Fermat yang dipanggil atau prinsip masa terkecil.
Hukum biasan kedua
Guru fizik sekolah sering memberikan pelajar tugasan berikut: "Merumuskan undang-undang pembiasan cahaya." Kami telah mempertimbangkan salah satu daripadanya, sekarang mari kita beralih kepada yang kedua.
Nyatakan sudut antara sinar A dan serenjang N sebagai θ1, sudut antara sinar B dan N akan dipanggil θ2. Kami juga mengambil kira bahawa kelajuan rasuk A dalam medium 1 ialah v1, kelajuan rasuk B dalam medium 2 ialah v2. Sekarang kita boleh memberikan rumusan matematik undang-undang ke-2 untuk fenomena yang sedang dipertimbangkan:
dos(θ1)/v1=dosa(θ2)/ v2.
Formula ini diperolehi oleh orang Belanda Snell pada awal abad ke-17 dan kini menggunakan nama belakangnya.
Kesimpulan penting berikut daripada ungkapan: semakin besar kelajuan perambatan cahaya dalam medium, semakin jauh rasuk dari normal (semakin besar sinus sudut).
Konsep indeks biasan medium
Formula Snell di atas kini ditulis dalam bentuk yang sedikit berbeza, yang lebih mudah digunakan semasa menyelesaikan masalah praktikal. Sesungguhnya, kelajuan v cahaya dalam jirim, walaupun kurang daripada itu dalam vakum, masih merupakan nilai besar yang sukar untuk digunakan. Oleh itu, nilai relatif telah diperkenalkan ke dalam fizik, kesamaan yang ditunjukkan di bawah:
n=c/v.
Di sini c ialah kelajuan rasuk dalam vakum. Nilai n menunjukkan berapa kali nilai c lebih besar daripada nilai v dalam bahan. Ia dipanggil indeks biasan bahan ini.
Mengambil kira nilai yang dimasukkan, formula hukum pembiasan cahaya akan ditulis semula dalam bentuk berikut:
dos(θ1)n1=dosa(θ2) n2.
Bahan yang mempunyai nilai n yang besar,dipanggil padat optik. Apabila melaluinya, cahaya memperlahankan kelajuannya sebanyak n kali berbanding nilai yang sama untuk ruang tanpa udara.
Formula ini menunjukkan bahawa rasuk akan terletak lebih hampir kepada normal dalam medium yang lebih tumpat secara optikal.
Sebagai contoh, kami perhatikan bahawa indeks biasan untuk udara hampir sama dengan satu (1, 00029). Untuk air, nilainya ialah 1.33.
Jumlah pantulan dalam medium padat optik
Mari kita jalankan eksperimen berikut: mari kita mulakan pancaran cahaya dari lajur air ke arah permukaannya. Memandangkan air secara optik lebih tumpat daripada udara (1, 33>1, 00029), sudut tuju θ1 akan kurang daripada sudut biasan θ2. Kini, kami akan meningkatkan secara beransur-ansur θ1, masing-masing, θ2 juga akan meningkat, manakala ketaksamaan θ1<θ2sentiasa kekal benar.
Akan tiba masanya apabila θ1<90o dan θ2=90 o. Sudut θ1 ini dipanggil kritikal untuk sepasang media air-udara. Sebarang sudut tuju yang lebih besar daripada ini akan menyebabkan tiada bahagian rasuk melalui antara muka air-udara ke dalam medium yang kurang tumpat. Keseluruhan sinar di sempadan akan mengalami pantulan total.
Pengiraan sudut genting tuju θc dilakukan dengan formula:
θc=arcsin(n2/n1).
Untuk air media danudara ia adalah 48, 77o.
Perhatikan bahawa fenomena ini tidak boleh diterbalikkan, iaitu, apabila cahaya bergerak dari udara ke air, tiada sudut genting.
Fenomena yang diterangkan digunakan dalam operasi gentian optik, dan bersama-sama dengan penyebaran cahaya adalah punca kemunculan pelangi primer dan sekunder semasa hujan.
