Fenomena pembiasan. Indeks biasan udara

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 17:53

Optik ialah salah satu cabang fizik tertua. Sejak Yunani purba, ramai ahli falsafah berminat dengan undang-undang gerakan dan perambatan cahaya dalam pelbagai bahan lutsinar seperti air, kaca, berlian dan udara. Artikel ini membincangkan fenomena biasan cahaya, memfokuskan pada indeks biasan udara.

Kesan pembiasan pancaran cahaya

Setiap orang dalam hidupnya menghadapi ratusan kali dengan manifestasi kesan ini apabila dia melihat bahagian bawah takungan atau pada segelas air dengan beberapa objek diletakkan di dalamnya. Pada masa yang sama, takungan itu kelihatan tidak sedalam yang sebenarnya, dan objek dalam segelas air kelihatan cacat atau pecah.

Fenomena pembiasan pancaran cahaya ialah pecahnya trajektori rectilinear apabila ia melintasi antara muka antara dua bahan lutsinar. Merumuskan sejumlah besar data eksperimen, pada awal abad ke-17, orang Belanda Willebrord Snell menerima ungkapan matematik,yang menggambarkan fenomena ini dengan tepat. Ungkapan ini biasanya ditulis dalam bentuk berikut:

₁dosa(θ₁)=n₂dos(θ ₂)=const.

Di sini n₁, n₂ ialah indeks biasan mutlak cahaya dalam bahan yang sepadan, θ_{1and θ}2 _{- sudut antara kejadian dan rasuk terbias dan serenjang dengan satah antara muka, yang dilukis melalui titik persilangan rasuk dan satah ini.}

Formula ini dipanggil undang-undang Snell atau Snell-Descartes (orang Perancis yang menulisnya dalam bentuk yang dibentangkan, manakala orang Belanda tidak menggunakan sinus, tetapi unit panjang).

Selain formula ini, fenomena pembiasan diterangkan oleh hukum lain, yang bersifat geometri. Ia terletak pada fakta bahawa tanda berserenjang dengan satah dan dua sinar (dibiaskan dan kejadian) terletak pada satah yang sama.

Indeks biasan mutlak

Nilai ini disertakan dalam formula Snell, dan nilainya memainkan peranan penting. Secara matematik, indeks biasan n sepadan dengan formula:

n=c/v.

Simbol c ialah kelajuan gelombang elektromagnet dalam vakum. Ia adalah lebih kurang 310⁸m/s. Nilai v ialah kelajuan cahaya dalam medium. Oleh itu, indeks biasan mencerminkan jumlah perlambatan cahaya dalam medium berkenaan dengan ruang tanpa udara.

Terdapat dua implikasi penting daripada formula di atas:

• nilai n sentiasa lebih besar daripada 1 (untuk vakum ia sama dengan satu);
• ini ialah kuantiti tanpa dimensi.

Sebagai contoh, indeks biasan udara ialah 1.00029, manakala untuk air ialah 1.33.

Indeks biasan bukan nilai tetap untuk medium tertentu. Ia bergantung pada suhu. Selain itu, bagi setiap frekuensi gelombang elektromagnet, ia mempunyai makna tersendiri. Jadi, angka di atas sepadan dengan suhu 20 ^oC dan bahagian kuning spektrum yang boleh dilihat (panjang gelombang ialah kira-kira 580-590 nm).

Pergantungan nilai n pada frekuensi cahaya dimanifestasikan dalam penguraian cahaya putih oleh prisma kepada beberapa warna, serta dalam pembentukan pelangi di langit semasa hujan lebat.

Indeks biasan cahaya dalam udara

Nilainya telah pun diberikan di atas (1, 00029). Oleh kerana indeks biasan udara hanya berbeza di tempat perpuluhan keempat dari sifar, maka untuk menyelesaikan masalah praktikal ia boleh dianggap sama dengan satu. Perbezaan kecil n untuk udara daripada kesatuan menunjukkan bahawa cahaya boleh dikatakan tidak diperlahankan oleh molekul udara, yang dikaitkan dengan ketumpatannya yang agak rendah. Jadi, ketumpatan purata udara ialah 1.225 kg/m³, iaitu, ia lebih 800 kali lebih ringan daripada air tawar.

Udara ialah medium optik nipis. Proses memperlahankan kelajuan cahaya dalam bahan adalah bersifat kuantum dan dikaitkan dengan tindakan penyerapan dan pelepasan foton oleh atom jirim.

Perubahan dalam komposisi udara (contohnya, peningkatan kandungan wap air di dalamnya) dan perubahan suhu membawa kepada perubahan ketara dalam penunjukpembiasan. Contoh yang menarik ialah kesan fatamorgana di padang pasir, yang berlaku disebabkan oleh perbezaan indeks biasan lapisan udara dengan suhu yang berbeza.

Antara muka kaca-udara

Kaca adalah medium yang jauh lebih tumpat daripada udara. Indeks biasan mutlaknya berjulat dari 1.5 hingga 1.66, bergantung pada jenis kaca. Jika kita mengambil nilai purata 1.55, maka pembiasan rasuk pada antara muka kaca udara boleh dikira menggunakan formula:

dos(θ₁)/dos(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

Nilai n₂₁ dipanggil indeks biasan relatif udara - kaca. Jika rasuk keluar dari kaca ke udara, maka formula berikut harus digunakan:

dos(θ₁)/dos(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Jika sudut rasuk yang dibiaskan dalam kes kedua akan sama dengan 90^o, maka sudut tuju yang sepadan dengannya dipanggil kritikal. Untuk kaca sempadan - udara ia adalah:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Jika rasuk akan jatuh pada sempadan kaca-udara dengan sudut lebih besar daripada 40, 17^o, maka ia akan dipantulkan sepenuhnya kembali ke dalam kaca. Fenomena ini dipanggil "total pantulan dalaman".

Sudut genting wujud hanya apabila rasuk bergerak dari medium tumpat (dari kaca ke udara, tetapi bukan sebaliknya).