Refracţie

Refracția ( refracția ) este o schimbare a direcției unui fascicul ( undă ) care are loc la limita a două medii prin care trece acest fascicul [1] , sau într-un mediu, dar cu proprietăți schimbătoare, în care viteza de propagare a undei nu este la fel [2] .

Fenomenul de refracție se explică prin legile conservării energiei și conservării impulsului . Când mediul de transmisie se schimbă, viteza undei se schimbă, dar frecvența acesteia rămâne aceeași. Refracția luminii prin sticlă sau apă este cel mai simplu și mai evident exemplu de distorsiune a fasciculului, dar legile refracției sunt valabile pentru orice undă, electromagnetică , acustică și chiar marine. În general, legea refracției este descrisă de Legea lui Snell .

Termenii „ refracție ” și „ refracție ” sunt folosiți interschimbabil [2] ; în mod tradițional, termenul „refracție” este folosit mai des pentru a descrie radiația în medii în care indicele de refracție se modifică fără probleme de la un punct la altul (traiectoria razelor are forma unei linii curbe, în timp ce termenul „refracție” este mai des folosit pentru a descrie o schimbare bruscă a traiectoriei razelor de la granița mediilor din cauza diferenței mari a indicilor lor de refracție [2] . În acest caz, funcționează aceeași lege - dependența vitezei undei de indicele de refracție al unui anumit mediu de transmisie.

Uneori, specificul mediului de transmisie sau al sursei de radiație necesită ca studiile acestei refracții particulare să fie evidențiate într-o secțiune specială. Deci, refracția ochiului uman este studiată de oftalmologie , în timp ce refracția sunetului în apă este studiată prin hidroacustică , refracția corpurilor cerești este studiată de astronomie și așa mai departe.

Studiul legilor refracției este de o importanță fundamentală pentru știință și tehnologie. Aplicarea lor în diverse domenii de cunoaștere vă permite să creați instrumente optice precise ( telescoape , microscoape , camere, camere de filmat, ochelari, lentile de contact etc.), să investigați structura chimică a compușilor și să determinați compoziția amestecurilor chimice [3] , obțineți coordonate geodezice și astronomice precise [4] , creați sisteme de comunicații optime și multe altele.

Fizica fenomenului

Refracția este observată atunci când vitezele de fază ale undelor electromagnetice în mediile de contact diferă (vezi indicele de refracție ). În acest caz, valoarea totală a vitezei undei ar trebui să fie diferită pe diferite părți ale interfeței dintre medii. Cu toate acestea, dacă urmărim mișcarea, de exemplu, a crestei undei de-a lungul interfeței, atunci viteza corespunzătoare ar trebui să fie aceeași pentru ambele „jumătăți” ale undei (deoarece la trecerea graniței, maximul undei rămâne maximul , și invers; adică putem vorbi despre sincronizarea undelor incidente și transmise în toate punctele de limită, vezi figura de sus). Dintr-o construcție geometrică simplă, obținem că viteza punctului de intersecție al crestei cu o linie înclinată pe direcția de propagare a undei la un unghi , va fi egală cu , unde  este viteza de propagare a undei.

Acest lucru este clar din faptul că, în timp ce creasta undei trece în direcția de propagare a acesteia (adică perpendicular pe creasta) o distanță egală cu catetul triunghiului, punctul de intersecție al crestei cu granița va trece o distanța egală cu ipotenuza, iar raportul acestor distanțe, egal cu sinusul unghiului, este raportul vitezei.

Apoi, echivalând vitezele de-a lungul interfeței pentru undele incidente și transmise, obținem , care este echivalent cu legea lui Snell , deoarece indicele de refracție este definit ca raportul dintre viteza radiației electromagnetice în vid și viteza radiației electromagnetice într-un mediu: .

Ca urmare, la interfața dintre două medii se observă refracția razelor, constând calitativ în faptul că unghiurile față de normală la interfața dintre medii pentru fasciculele incidente și refractate diferă între ele, adică traseul fasciculul în loc de linie dreaptă se rupe - fasciculul este refractat.

Rețineți că o modalitate aproape identică de a deriva legea lui Snell este de a construi o undă transmisă folosind principiul Huygens-Fresnel (vezi figura).

Când o undă se mișcă în medii cu indici diferiți de refracție, frecvența ei este păstrată, iar lungimea de undă se modifică proporțional cu viteza.

Într-un mediu izotrop pentru o undă sinusoidală caracterizată printr-o frecvență și un vector de undă perpendicular pe direcția de propagare a undei, considerațiile că componenta vectorului de undă paralelă cu interfața trebuie să fie aceeași înainte și după trecerea prin această interfață, conduc la aceeași formă a legii refracției.

În plus, este de remarcat faptul că vectorul de undă al unui foton este egal cu vectorul său de impuls împărțit la constanta lui Planck , iar acest lucru face posibilă interpretarea naturală a legii lui Snell ca conservare a proiecției impulsului fotonului pe interfața media pe care o are. cruci.

Reflecție internă totală

Strâns legat de refracția este fenomenul de reflexie de la interfața dintre mediile transparente. Într-un fel, acestea sunt două laturi ale aceluiași fenomen.

Fenomenul de reflexie internă totală (TIR) ​​se datorează faptului că o undă refractată care ar satisface legea lui Snell nu există pentru unele unghiuri de incidență. Aceasta înseamnă că apare doar unda reflectată și, prin urmare, unda este reflectată complet. TIR este posibil atunci când o undă cade dintr-un mediu în care unda se propagă cu o viteză de fază mai mică (indice de refracție mai mare) până la limita cu un mediu cu o viteză de propagare mai mare a unei astfel de undă (indice de refracție mai scăzut).

Cu o creștere treptată a unghiului de incidență față de normal, la un moment dat fasciculul refractat coincide cu interfața dintre medii și apoi dispare - rămâne doar fasciculul reflectat.

Refracție completă

Dacă o undă polarizată vertical cade pe interfață la unghiul Brewster , atunci se va observa efectul refracției complete  - nu va exista nicio undă reflectată.

Refracția în viața obișnuită

Refracția are loc la fiecare pas și este percepută ca un fenomen complet obișnuit: se poate vedea cum o lingură care se află într-o ceașcă de ceai va fi „spartă” la limita apei și a aerului. Aici este oportun să rețineți că această observație, cu percepție non-critică, oferă o idee incorectă a semnului efectului: refracția aparentă a lingurii are loc în direcția opusă refracției reale a razelor de lumină.

Refracția luminii la limita a două medii dă un efect vizual paradoxal: obiectele care traversează interfața într-un mediu mai dens arată „refractate în sus”; în timp ce o rază care intră într-un mediu mai dens se propagă în ea la un unghi mai mic, „refractează în jos”. Acest efect optic duce la erori în determinarea vizuală a adâncimii rezervorului, care pare întotdeauna să fie mai mică decât este în realitate.

Refracția, dispersia și reflectarea internă a luminii în picăturile de apă, împreună dau naștere unui curcubeu . Datorită dispersiei luminii, picăturile refractează și deviază lumina de diferite culori în moduri diferite : razele cu cea mai scurtă lungime de undă ( violet ) sunt cel mai puternic refractate și deviate, iar razele cu cea mai lungă ( roșie ) sunt cele mai slabe. Rezultatul este un arc vopsit în diferite culori.

Refracția multiplă (și parțial reflexia) în elementele mici transparente ale structurii (fulgi de zăpadă, fibre de hârtie, bule) explică proprietățile suprafețelor reflectorizante mate (nu oglindă), cum ar fi zăpada albă, hârtie, spumă albă.

Refracția în atmosfera Pământului explică multe efecte vizuale. De exemplu, în anumite condiții meteorologice, Pământul (de la o înălțime mică) apare observatorului ca un bol concav (și nu parte a unei bile convexe). Din cauza refracției, stelele par să „pâlpâie” [4] . De asemenea, refracția luminii în atmosferă duce la faptul că observăm răsăritul (și în general orice corp ceresc) puțin mai devreme, iar apusul puțin mai târziu decât ar fi în absența unei atmosfere [4] . Din același motiv, la orizont , discul Soarelui pare ușor aplatizat de-a lungul orizontalei.

Aplicație

În inginerie și instrumente științifice

Fenomenul de refracție stă la baza funcționării telescoapelor cu refracție (în scopuri științifice și practice, inclusiv marea majoritate a lunetelor de observare, binoclurilor și altor dispozitive de observare), lentilelor pentru camere foto, de film și de televiziune, microscoape , lupe, ochelari, dispozitive de proiecție , receptoare și transmițătoare de semnale optice, concentratoare de fascicule de lumină puternice, spectroscoape și spectrometre cu prismă, monocromatoare cu prismă și multe alte instrumente optice care conțin lentile și/sau prisme . Este necesar să se ia în considerare atunci când se calculează funcționarea aproape tuturor dispozitivelor optice. Toate acestea se aplică diferitelor game ale spectrului electromagnetic.

În acustică , refracția sunetului este deosebit de importantă de luat în considerare atunci când se studiază propagarea sunetului într-un mediu neomogen și, desigur, la interfața dintre diferite medii.

În tehnologie, poate fi important să se ia în considerare refracția valurilor de altă natură, de exemplu, valuri pe apă, diverse valuri în medii active etc.

În medicină

Fenomenul refracției este utilizat în domenii precum optometrie și oftalmologie . Cu ajutorul unui foropter este posibilă detectarea erorilor de refracție în ochiul pacientului, iar prin efectuarea mai multor teste cu lentile cu putere de refracție diferită și distanțe focale diferite , este posibil să se selecteze ochelari sau lentile de contact potrivite pentru pacient .

Vezi și

Literatură

Note

  1. ↑ Light refraction Arhivat pe 8 mai 2012 la articolul Wayback Machine  - Encyclopedia of Physics
  2. ↑ 1 2 3 Refracția (refracția luminii) // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  3. ↑ Refracția moleculară // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  4. ↑ 1 2 3 Refracția (a luminii în atmosferă) // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.

Link -uri