Lom svetla je optický jav, ku ktorému dochádza pri prechode svetla z jedného prostredia do druhého, čím sa mení jeho rýchlosť a smer. Pri tomto procese sa trajektória svetla mení v dôsledku rozdielu v hustote medzi médiami. Tento jav sa riadi dobre definovanými fyzikálnymi a matematickými zákonmi, ako je Snellův zákon, ktorý opisuje vzťah medzi uhlami dopadu a lomom svetla. Okrem toho možno lom svetla pozorovať a študovať pomocou rôznych experimentov, ako je tvorba dúhy, lom v hranoloch a lom v šošovkách. Táto téma je základom pre pochopenie rôznych optických javov a ich aplikácie v technológiách, ako sú okuliare, mikroskopy a ďalekohľady.
Princípy lomu svetla: čo sú a ako fungujú ich zákony.
Lom svetla je optický jav, ku ktorému dochádza pri prechode svetla z jedného prostredia do druhého a zmene jeho smeru. Tento proces nastáva v dôsledku zmeny rýchlosti svetla pri prechode z jedného prostredia do druhého, čo má za následok zmenu uhla šírenia svetla.
Zákony lomu svetla sú základom pre pochopenie tohto javu. Prvý zákon lomu, známy ako Snell-Descartov zákon, hovorí, že dopadajúci lúč, lomený lúč a kolmica tvoria rovinu. Druhý zákon lomu navyše hovorí, že sínus uhla dopadu delený sínusom uhla lomu sa rovná konštante nazývanej index lomu.
Tieto zákony sú nevyhnutné pre pochopenie lomu svetla a uplatňujú sa v rôznych optických experimentoch. Klasickým príkladom je experiment so zlomeným perom, pri ktorom sa ceruzka umiestni do nádoby s vodou a zdá sa, že je zlomená v dôsledku lomu svetla.
Stručne povedané, princípy lomu svetla sú základom pre pochopenie toho, ako sa svetlo správa pri prechode z jedného prostredia do druhého, a jeho zákony stanovujú matematické vzťahy medzi uhlami dopadu a lomu. Tieto koncepty sú nevyhnutné pre optiku a majú uplatnenie v rôznych oblastiach vedy a techniky.
Ako pozorovať lom svetla v jednoduchom laboratórnom experimente.
Na pozorovanie lomu svetla v jednoduchom laboratórnom experimente budete potrebovať niekoľko základných materiálov, ako je priehľadná nádoba s vodou, zdroj svetla, biely papier a pravítko. Prvým krokom je naplniť nádobu vodou a umiestniť zdroj svetla tak, aby svietil na vodu.
Potom umiestnite biely papier na opačnú stranu zdroja svetla tak, aby svetlo prechádzalo cez vodu a dopadalo na papier. Všimnete si, že svetlo sa pri prechode z jedného prostredia do druhého láme, čo sa nazýva refrakcia . Na meranie tejto odchýlky môžete použiť pravítko a porovnať polohu dopadajúceho svetla s lomeným svetlom.
Je dôležité si uvedomiť, že lom svetla nastáva v dôsledku zmeny rýchlosti svetla pri jeho prechode z jedného prostredia do druhého, čo spôsobuje zmenu jeho smeru. Tento jav sa riadi zákonmi lomu, medzi ktoré patrí Snellov zákon a Fermatov zákon.
Pomocou tohto jednoduchého experimentu budete môcť prakticky pozorovať, ako sa svetlo správa pri prechode rôznymi médiami a lepšie pochopiť princípy lomu svetla. Experimentujte s variáciami v experimente, ako je zmena sklonu nádoby alebo použitie rôznych typov materiálov, aby ste pozorovali, ako to ovplyvňuje lom svetla.
Základné princípy, ktorými sa riadi jav odrazu svetla.
Jedným z najfascinujúcejších javov vo fyzike je odraz svetla, ku ktorému dochádza, keď svetelný lúč dopadne na povrch a odrazí sa späť pod rovnakým uhlom. Tento proces sa riadi základnými princípmi, ktoré sú nevyhnutné pre pochopenie optiky.
Jedným z najdôležitejších princípov je zákon odrazu, ktorý hovorí, že uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu. To znamená, že svetlo sa vždy odráža symetricky vzhľadom na povrch, na ktorý dopadá. Tento princíp je kľúčový pre určenie toho, ako sa svetlo správa pri interakcii s rôznymi materiálmi.
Ďalším základným princípom je zákon priamočiareho šírenia, ktorý hovorí, že svetlo sa šíri priamočiaro v homogénnom a priehľadnom prostredí. To znamená, že dráha svetla sa pri prechode médiom neohýba, pokiaľ nedôjde k zmene prostredia alebo k javu lomu.
Zákon nezávislosti svetelných lúčov ďalej hovorí, že svetelné lúče dopadajúce na povrch sú od seba nezávislé, to znamená, že každý svetelný lúč sa pri odraze od povrchu správa individuálne.
Tieto základné princípy sú nevyhnutné pre pochopenie toho, ako sa svetlo správa pri interakcii s rôznymi povrchmi a materiálmi. Pochopením týchto zákonov môžeme presne predpovedať, ako sa svetlo bude odrážať v danej situácii, a preskúmať rôzne aplikácie optiky v našom každodennom živote.
Druhý zákon lomu: čo hovorí o zmene smeru svetla.
Druhý zákon lomu, známy aj ako Snellov zákon, hovorí, že keď svetlo prechádza z jedného prostredia do druhého, smer jeho šírenia sa mení. Táto zmena smeru nastáva v dôsledku rozdielu v rýchlosti svetla v rôznych prostrediach. Druhý zákon lomu je znázornený vzorcom n1 x sinθ1 = n2 x sinθ2, kde n1 a n2 sú indexy lomu prostredí a θ1 a θ2 sú uhly dopadu a lomu.
Tento zákon je základom pre pochopenie správania svetla pri prechode z jedného prostredia do druhého, napríklad zo vzduchu do vody. Umožňuje nám predpovedať smer, ktorým sa svetlo bude šíriť po prechode rozhraním medzi médiami, čo je nevyhnutné pre niekoľko praktických aplikácií, ako je výroba šošoviek a hranolov.
Je však dôležité zdôrazniť, že druhý zákon lomu sa nevzťahuje len na viditeľné svetlo, ale na všetky formy elektromagnetického žiarenia. Preto je to mocný nástroj nielen pre optiku, ale aj pre iné oblasti fyziky a inžinierstva, ktoré sa zaoberajú šírením svetla a iných elektromagnetických vĺn.
Lom svetla: prvky, zákony a experimenty
Lom svetla je optický jav, ku ktorému dochádza, keď svetlo dopadá šikmo na povrch oddeľujúci dve prostredia s rôznymi indexmi lomu. Pri tomto stave svetlo zmení smer a rýchlosť.
K lomu svetla dochádza napríklad pri prechode svetla zo vzduchu do vody, pretože tá má nižší index lomu. Je to jav, ktorý možno jasne vidieť v bazéne, keď sa pozoruje, ako sa teleso vytvorené pod vodou odchyľuje od zamýšľaného smeru.
Je to jav, ktorý ovplyvňuje rôzne typy vĺn, hoci svetlo je najreprezentatívnejšie a najprítomnejšie v každodennom živote.
Vysvetlenie lomu svetla ponúkol holandský fyzik Willebrord Snell van Royen, ktorý stanovil zákon vysvetľujúci to, čo sa neskôr stalo známym ako Snellův zákon.
Ďalším vedcom, ktorý venoval osobitnú pozornosť lomu svetla, bol Isaac Newton. Aby ho mohol študovať, vytvoril slávny sklenený hranol. V hranole svetlo preniká cez jednu z jeho plôch, láme sa a rozkladá sa na rôzne farby. Prostredníctvom javu lomu svetla tak dokázal, že biele svetlo sa skladá zo všetkých farieb dúhy.
Prvky lomu
Hlavné prvky, ktoré treba zvážiť pri štúdiu lomu svetla, sú nasledovné: - Dopadajúci lúč, čo je lúč, ktorý šikmo ovplyvňuje povrch oddelenia dvoch fyzikálnych médií. - Lomený lúč, čo je lúč, ktorý prechádza médiom a mení jeho smer a rýchlosť. - Normála, čo je imaginárna čiara kolmá na povrch oddelenia dvoch médií. - Uhol dopadu (i), ktorý je definovaný ako uhol, ktorý zviera dopadajúci lúč s kolmicou. - Uhol lomu (r), ktorý je definovaný ako uhol, ktorý zviera kolmica s lomeným lúčom.
-Okrem toho je potrebné zvážiť aj index lomu (n) média, čo je pomer rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v médiu.
n=c/v
V tejto súvislosti treba mať na pamäti, že rýchlosť svetla vo vákuu nadobúda hodnotu 300.000.000 XNUMX XNUMX m/s.
Index lomu svetla v rôznych médiách
Indexy lomu svetla v niektorých najbežnejších prostrediach sú:
Zákony lomu
Snellov zákon sa často nazýva zákon lomu, ale pravdou je, že možno povedať, že existujú dva zákony lomu.
Prvý zákon lomu
Dopadajúci lúč, lomený lúč a normálový lúč ležia v tej istej priestorovej rovine. Tento zákon, ktorý tiež odvodil Snell, platí aj pre odraz.
Druhý zákon lomu
Druhý zákon lomu alebo Snellov zákon je určený nasledujúcim výrazom:
n1 sin i = n2 sin r
Kde n1 je index lomu prostredia, z ktorého svetlo vychádza; θ je uhol dopadu; n2 je index lomu prostredia, v ktorom sa svetlo láme; a r je uhol lomu.
Fermatov princíp
Z počiatku minimálneho času alebo Fermatovho princípu možno odvodiť zákony odrazu a zákony lomu, ktoré sme si práve prečítali.
Táto zásada hovorí, že skutočná dráha, ktorú sleduje svetelný lúč cestujúci medzi dvoma bodmi v priestore, je tá, ktorej prejdenie vyžaduje najkratší čas.
Dôsledky Snellového zákona
Niektoré z priamych dôsledkov odvodených z predchádzajúceho výrazu sú:
a) Ak n² > n₁ ; sin r < sin 10, nech r < i
Preto, keď svetelný lúč prechádza z prostredia s nižším indexom lomu do prostredia s vyšším indexom lomu, lomený lúč sa blíži k kolmici.
b) Ak n² <n₁ ; sin r> sin 0, sea r> i
Preto, keď svetelný lúč prechádza z prostredia s vyšším indexom lomu do prostredia s nižším indexom, lomený lúč sa pohybuje od kolmice.
c) Ak je uhol dopadu nulový, je nulový aj uhol lomu lúča.
Medzný uhol a úplný vnútorný odraz
Ďalším dôležitým dôsledkom Snellového zákona je takzvaný hraničný uhol. Nazýva sa to uhol dopadu, ktorý zodpovedá 90° uhlu lomu.
Keď sa to stane, lomený lúč sa pohybuje blízko povrchu oddeľujúceho tieto dve médiá. Tento uhol sa nazýva aj kritický uhol.
Pre uhly väčšie ako limit dochádza k javu nazývanému úplný vnútorný odraz. Keď k tomu dôjde, nedochádza k lomu, pretože celý svetelný lúč sa odráža dovnútra. K úplnému vnútornému odrazu dochádza iba pri prechode z prostredia s vyšším indexom lomu do prostredia s nižším indexom lomu.
Jednou z aplikácií úplného vnútorného odrazu je vedenie svetla cez optické vlákno bez straty energie. Vďaka tomu si môžeme užívať vysoké rýchlosti prenosu dát, ktoré ponúkajú siete s optickými vláknami.
Skúsenosti
Veľmi základný experiment na pozorovanie javu lomu svetla je umiestniť ceruzku alebo pero do pohára naplneného vodou. V dôsledku lomu svetla sa ponorená časť ceruzky alebo pera javí ako mierne ohnutá alebo odchýlená od svojej očakávanej dráhy.
Podobný experiment môžete vyskúšať aj s laserovým ukazovátkom. Samozrejme, do pohára s vodou budete musieť pridať niekoľko kvapiek mlieka, aby ste zlepšili viditeľnosť laserového svetla. V tomto prípade sa odporúča vykonať experiment pri slabom osvetlení, aby ste lepšie pochopili dráhu svetelného lúča.
V oboch prípadoch je zaujímavé testovať s rôznymi uhlami dopadu a pozorovať, ako sa uhol lomu mení s ich zmenou.
Príčiny
Príčiny tohto optického efektu treba hľadať v lome svetla, ktorý spôsobuje, že obraz ceruzky (alebo laserového lúča) sa pod vodou vychyľuje v porovnaní s obrazom, ktorý vidíme vo vzduchu.
Lom svetla v každodennom živote
Lom svetla možno pozorovať v mnohých každodenných situáciách. Niektoré z nich sme už spomenuli a o ďalších sa budeme baviť nižšie.
Jedným z dôsledkov lomu svetla je, že jazierka sa zdajú byť plytšie, než v skutočnosti sú.
Ďalším efektom lomu je dúha, ktorá vzniká, keď sa svetlo láme pri prechode cez kvapôčky vody v atmosfére. Je to rovnaký jav, aký nastáva, keď svetelný lúč prechádza cez hranol.
Ďalším dôsledkom lomu svetla je, že západ slnka pozorujeme až po niekoľkých minútach od jeho skutočného západu.
Referencie
- Luz (n.d.). Na Wikipédii. Zdroj: 14. marca 2019, en.wikipedia.org.
- Burke, John Robert (1999).Fyzika: podstata vecí Mexico City: International Thomson Editores.
- Úplný vnútorný odraz (n.d.). Na Wikipédii. Zdroj: en.wikipedia.org, 12. marca 2019.
- Luz (n.d.) Na Wikipédii. Zdroj: 13. marca 2019, en.wikipedia.org.
- Lekner, Ján (1987).Teória odrazu, elektromagnetické vlny a častice Springer
- Refrakcia. Na Wikipédii. Zdroj: en.wikipedia.org. Zdroj: 14. marca 2019.
- Crawford ml., Frank S. (1968).Vlny (Berkeleyho kurz fyziky, zv. 3) ), McGraw-Hill.