การทดลองง่ายๆ ในการสร้างแบบจำลองการหักเหของแสงในบรรยากาศ การหักเหของแสง (ระดับ 7) - ไฮเปอร์มาร์เก็ตแห่งความรู้ การทดลองกับการหักเหของแสง

1. เราทำการทดลองเกี่ยวกับการหักเหของแสง

ลองทำการทดลองกัน ให้เรากำหนดทิศทางลำแสงแคบ ๆ ไปที่ผิวน้ำในภาชนะกว้างที่ทำมุมกับพื้นผิว เราจะสังเกตว่าที่จุดเกิดรังสีไม่เพียงสะท้อนจากผิวน้ำ แต่ยังผ่านเข้าไปในน้ำบางส่วนในขณะที่เปลี่ยนทิศทาง (รูปที่ 3.33)

• การเปลี่ยนแปลงทิศทางการแพร่กระจายของแสงในกรณีที่แสงผ่านส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสองเรียกว่าการหักเหของแสง

การกล่าวถึงการหักเหของแสงครั้งแรกสามารถพบได้ในผลงานของอริสโตเติลปราชญ์ชาวกรีกโบราณที่สงสัยว่า: ทำไมแท่งในน้ำถึงดูเหมือนจะหัก? และในบทความภาษากรีกโบราณเล่มหนึ่ง ได้อธิบายประสบการณ์ดังต่อไปนี้: “คุณต้องยืนเพื่อที่แหวนแบนๆ ที่วางอยู่ด้านล่างของภาชนะจะถูกซ่อนไว้ด้านหลังขอบของมัน จากนั้นโดยไม่ต้องเปลี่ยนตำแหน่งของดวงตาให้เทน้ำลงในภาชนะ

ข้าว. 3.33 แผนผังการทดลองแสดงการหักเหของแสง เมื่อผ่านจากอากาศสู่น้ำ ลำแสงจะเปลี่ยนทิศทาง เคลื่อนที่เป็นแนวตั้งฉากยกขึ้นที่จุดเกิดของลำแสง

2. มีความสัมพันธ์ดังกล่าวระหว่างมุมตกกระทบกับมุมหักเห:

ก) ในกรณีที่มุมตกกระทบเพิ่มขึ้นมุมการหักเหของแสงก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

b) หากลำแสงส่องผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงต่ำกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงสูงกว่า มุมการหักเหของแสงจะน้อยกว่ามุมตกกระทบ

c) หากลำแสงส่องผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงสูงกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงต่ำกว่า มุมการหักเหของแสงจะมากกว่ามุมตกกระทบ

(ควรสังเกตว่าในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย หลังจากเรียนวิชาตรีโกณมิติ คุณจะคุ้นเคยกับการหักเหของแสงมากขึ้นและเรียนรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้ในระดับกฎหมาย)

4. อธิบายปรากฏการณ์ทางแสงบางอย่างด้วยการหักเหของแสง

เมื่อเรายืนอยู่บนฝั่งของอ่างเก็บน้ำ พยายามกำหนดความลึกด้วยตา ดูเหมือนน้อยกว่าที่เป็นจริงเสมอ ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้จากการหักเหของแสง (รูปที่ 3.37)

ข้าว. 3. 39. อุปกรณ์ออปติคัลซึ่งทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์การหักเหของแสง

• คำถามทดสอบ

1. เราสังเกตปรากฏการณ์อะไรเมื่อแสงผ่านส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง

LI Mandelstam ศึกษาการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างแรกเลยคือแสงที่มองเห็นได้ เขาค้นพบเอฟเฟกต์จำนวนหนึ่ง ซึ่งตอนนี้บางเอฟเฟกต์ก็มีชื่อของเขาแล้ว (การกระเจิงของแสง Raman, เอฟเฟกต์ Mandelstam-Brillouin เป็นต้น)

ตัวเลือกที่ 1. อุปกรณ์:อุปกรณ์สำหรับศึกษากฎของทัศนศาสตร์เรขาคณิต, เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า VS-24 หรือ VS 4-12, กระจกแบนที่ทำจากชิ้นส่วนอุปกรณ์

เมื่อเตรียมอุปกรณ์สำหรับออปติกเชิงเรขาคณิต ไฟหน้าจอจะถูกปรับ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ข้อต่อลูกจะคลายออกและไฟจะหมุนหรือเลื่อนออกไปจนกว่าแถบแสงตรงกลางจะผ่านหน้าจอทั้งหมด (ตามเส้นผ่านศูนย์กลาง) ในตำแหน่งนี้ ไฟจะคงที่ หากในกรณีนี้ แถบแสงไม่ชัด ไม่คม ให้คลายสกรูยึดตลับไฟฟ้าในไฟส่อง หมุน ลดระดับ หรือยกตลับไฟฟ้าขึ้นจนได้แถบแสงที่ชัดเจนบนหน้าจอ หากแถบแสงด้านข้างไปไม่ถึงขอบหน้าจอ ก็ควรเปลี่ยนความเอียงของไฟส่องสว่าง หลังจากปรับแล้ว ขันสกรูทั้งหมดให้แน่น

การติดตั้งประกอบตามรูปที่ 278 โดยใช้แคลมป์ กระจกแบนจากชุดชิ้นส่วนออปติคัลถูกติดตั้งเพื่อให้พื้นผิวสะท้อนแสงตรงกับแกนนอน เหลือเพียงคานกลางอันเดียว มุมตกกระทบเปลี่ยนจาก 0 เป็น 90 ° สังเกตมุมสะท้อน เปรียบเทียบมุมเหล่านี้ และสรุปผล

การทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติของการกลับตัวของลำแสง ซึ่งไฟจะถ่ายโอนจากส่วนหนึ่งของดิสก์ไปยังอีกส่วนหนึ่ง (เมื่อสาธิตการทดลองเกี่ยวกับทัศนศาสตร์เรขาคณิต ห้องควรมืดลง)

ข้าว. 278 รูปที่ 280

การทดลองที่ 2 การหักเหของแสง

ตัวเลือกที่ 1. อุปกรณ์:

หน้าจอครึ่งสูบโปร่งใสวางอยู่บนหน้าจอโดยให้ด้านเคลือบหันไปทางหน้าจอและตัดให้แบนขึ้นเพื่อให้ตรงกับแกนนอน กึ่งกลางของครึ่งสูบอยู่ในแนวเดียวกับศูนย์กลางของหน้าจอโดยใช้เครื่องหมายบนพื้นผิวด้านของครึ่งสูบ (รูปที่ 280)

เมื่อแสดงประสบการณ์ ให้ใช้ลำแสงกลาง ลำแสงมุ่งตรงไปยังศูนย์กลางของครึ่งสูบตั้งฉากกับระนาบ (ลำแสงผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนทิศทาง) ลำแสงตกกระทบเบี่ยงเบนจากแนวตั้งฉาก และสังเกตว่าลำแสงหักเหออกมาจากครึ่งสูบในมุมที่ต่างกัน เปรียบเทียบมุมตกกระทบและการหักเหของแสง แล้วสรุปผล

ทำการทดลองซ้ำในมุมตกกระทบที่แตกต่างกัน (ในระหว่างการทดลอง ควรให้ความสนใจกับการหักเหของลำแสงที่ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง)

ประสบการณ์ที่ 3 ปรากฏการณ์แสงสะท้อนที่สมบูรณ์

ตัวเลือกที่ 1. อุปกรณ์:อุปกรณ์สำหรับศึกษากฎของทัศนศาสตร์เรขาคณิต วงจรเรียงกระแส VS-24 หรือ VS 4-12 ครึ่งสูบจากชุดชิ้นส่วนออปติคัล

โดยให้ความสนใจกับอัตราส่วนของมุมตกกระทบและการหักเหของแสงในการทดลองครั้งก่อน (รูปที่ 280) ตำแหน่งของครึ่งสูบจะเปลี่ยนไป ด้านนูนถูกตั้งค่าไว้ที่ไฟส่องสว่าง (การตัดแบบเรียบตรงกับแกนนอน) มุมตกกระทบเปลี่ยนไป เมื่อเทียบกับมุมหักเห และสรุปผล

อัตราส่วนของมุมตกกระทบและการหักเหของแสงจะถูกเปรียบเทียบโดยขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความหนาแน่นเชิงแสงของตัวกลาง (ผลของการทดลองนี้และการทดลองก่อนหน้า) ทำการสรุป

พวกเขาเชื่อว่าเมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น ความสว่างของลำแสงที่สะท้อนกลับจะเพิ่มขึ้น และความสว่างของลำแสงที่สะท้อนกลับจะลดลง มุมตกกระทบจะเพิ่มขึ้นจนกว่าลำแสงหักเหจะหายไป เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้นอีก จะสังเกตได้เฉพาะลำแสงสะท้อนเท่านั้น สังเกตปรากฏการณ์การสะท้อนแสงทั้งหมด

คำถาม.มุมจำกัดของการสะท้อนทั้งหมดคืออะไร? (ให้คำตอบด้วยเลขนัยสำคัญหนึ่งหลัก)

ตัวเลือกที่ 2 อุปกรณ์:เครื่องฉาย, พิพิธภัณฑ์สัตว์น้ำ.

การติดตั้งประกอบตามรูปที่ 281 ชั้นของน้ำที่มีความหนา 7-8 ซม. ถูกเทลงในอ่างแก้ว (พิพิธภัณฑ์สัตว์น้ำ) และย้อมสีด้วยไม้สนเข้มข้น มีการติดตั้งร่องแนวนอนที่ด้านหน้าคอนเดนเซอร์ของอุปกรณ์ฉายภาพ และติดกระจกแบนบนกระบอกเลนส์ ส่องลำแสงไปที่ผนังด้านข้างของอ่างแก้ว สังเกตการหักเหของลำแสงในน้ำ การสะท้อนทั้งหมดจากผิวน้ำ และการหักเหของแสงที่ทางออกของลำแสงจากอ่าง ด้วยการเปลี่ยนมุมตกกระทบ ทำให้สามารถสังเกตการสะท้อนรวมของลำแสงจากพื้นผิวของน้ำและด้านล่างของอ่างได้หลายเท่า

ในบทเรียนที่แล้ว เราพูดถึงกระจกแบนและพูดถึงกฎของการสะท้อนแสง ในบทเรียนนี้ หัวข้อคือ "การหักเหของแสง" เราจะพิจารณาผลกระทบอื่นที่สังเกตได้เมื่อแสงกระทบส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง

มักพบการหักเหของแสงใน ชีวิตประจำวันและเรามองว่าเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นทุกวัน เช่น ช้อนที่อยู่ในแก้วชาและดูแตกที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับน้ำ (ดูรูปที่ 8) การหักเหและการสะท้อนของแสงในหยดน้ำทำให้เกิดสีรุ้ง และการหักเหหลายครั้งในองค์ประกอบโปร่งใสขนาดเล็กของโครงสร้าง (เกล็ดหิมะ เส้นใยกระดาษ ฟองอากาศ) อธิบายคุณสมบัติของพื้นผิวด้าน ไม่มีกระจกสะท้อนแสง (หิมะสีขาว กระดาษ สีขาว โฟม).

ลำแสงสามารถโค้งงอได้เนื่องจากการหักเหของแสง หากคุณใส่น้ำตาลจำนวนมากลงในภาชนะขนาดใหญ่ด้วยน้ำโดยไม่ต้องคน และหลังจากนั้นไม่กี่นาทีก็ส่องเลเซอร์พอยเตอร์จากด้านข้าง คุณจะเห็นการโค้งงอของลำแสงได้ (ดูรูปที่ 9) นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการละลายของน้ำตาลในน้ำไม่สม่ำเสมอและหลายชั้นถูกสร้างขึ้นด้วยดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน ดังนั้นที่ขอบของแต่ละชั้นรังสีจะหักเหเล็กน้อย

ข้าว. 8. ความโค้งของช้อนเนื่องจากการหักเหของแสง ()

ข้าว. 9. การดัดคานในภาชนะด้วยน้ำและน้ำตาล

มาทำการทดลองที่ต้องใช้เลเซอร์พอยเตอร์ ภาชนะที่มีของเหลว และตะแกรงในรูปแบบของกระดาษกัน เรานำลำแสงของตัวชี้เลเซอร์ไปที่พื้นผิวของเรือด้วยน้ำ (ดูรูปที่ 1) ที่เราเห็น:

1. ลำแสงสะท้อนจากผิวน้ำ (ชี้บนหน้าจอ)

ข้าว. 1. ประสบการณ์สาธิตการหักเหของแสง

การหักเหของแสง- เปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจายของแสงในกรณีที่แสงผ่านส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง

การกล่าวถึงการหักเหของแสงครั้งแรกสามารถพบได้ในผลงานของอริสโตเติลนักปรัชญาชาวกรีกโบราณ ผู้ซึ่งสงสัยว่าทำไมไม้ในน้ำถึงดูเหมือนจะหัก

มีผลสะท้อนภายในทั้งหมด ให้เราพิจารณาตัวอย่างที่จะเกิดการหักเหของแสงที่อินเทอร์เฟซ "แก้ว (ดัชนีการหักเหของแสง) - อากาศ ()" ในกรณีนี้และมุมตกกระทบ α จะน้อยกว่ามุมหักเห γ () เนื่องจากแก้วเป็นสื่อที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่า (ดูรูปที่ 4)

ข้าว. 4. รูปแบบการหักเหและการสะท้อนของรังสีของแสงระหว่างการเปลี่ยนจากแก้วเป็นอากาศ

ถ้า NSคือ ดัชนีการหักเหของแสงแก้วเทียบกับอากาศ จากนั้นดัชนีการหักเหของอากาศเทียบกับแก้วคือ - กฎการหักเหของแสงสามารถเขียนได้ดังนี้

เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้น มุมหักเหก็เพิ่มขึ้นด้วย กล่าวคือ ที่มุมตกกระทบใกล้ 90 ลำแสงหักเหจะหายไปในทางปฏิบัติ และพลังงานทั้งหมดของลำแสงตกกระทบจะถูกแปลงเป็นพลังงานของการสะท้อน หนึ่ง.

ที่ค่าจำกัดมุมตกกระทบ ( α ) รังสีหักเหจะแพร่กระจายไปตามส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางทั้งสอง นั่นคือ มุมของการหักเหของแสง ( γ ) เท่ากับ 90 (ดูรูปที่ 5) อย่างไรก็ตาม แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสังเกตเห็นการแพร่กระจายของลำแสงหักเหไปตามรอยต่อระหว่างสื่อทั้งสอง เนื่องจากความเข้มของลำแสงจะเข้าใกล้ 0

ข้าว. 5. รูปแบบการหักเหและการสะท้อนของลำแสงระหว่างการเปลี่ยนจากกระจกเป็นอากาศที่มุมตกกระทบ

สมการการหามุมจำกัดของอุบัติการณ์ () สามารถเขียนได้ดังนี้

เนื่องจากมุมหักเหและ

ตัวอย่างเช่น สำหรับน้ำ ค่า NSเท่ากับ 1.33 ดังนั้น ค่าของมุมจำกัดคือ:

สำหรับแก้ว:

สำหรับเพชร:

หากรังสีแสงตกกระทบที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางทั้งสองในมุมที่มากกว่ามุมจำกัดของอุบัติการณ์ ในกรณีนี้รังสีจะไม่ทะลุเข้าไปในตัวกลางที่สองและถูกสะท้อนโดยสมบูรณ์ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ของการสะท้อนภายในทั้งหมด เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการสะท้อนภายในทั้งหมดคือการเคลื่อนที่ของลำแสงจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า

ปรากฏการณ์ของการสะท้อนภายในทั้งหมดถูกนำมาใช้ในใยแก้วนำแสงเพื่อส่งสัญญาณในระยะทางไกล เมื่อเข้าสู่เส้นใย ลำแสงตกกระทบจะพุ่งไปที่มุมที่ทราบว่ามีค่ามากกว่าเส้นจำกัด ซึ่งช่วยให้เกิดการสะท้อนของลำแสงโดยไม่สูญเสียพลังงาน (ดูรูปที่ 6)

มะเดื่อ 6. ใยแก้วนำแสง ()

ใยแก้วนำแสงยังใช้ในทางการแพทย์ ตัวอย่างเช่น มีการใส่ตัวนำแสงเข้าไปในท้องหรือหัวใจเพื่อให้แสงสว่างหรือสังเกตส่วนต่างๆ ของอวัยวะเหล่านี้

ในกล้องส่องทางไกลทางทะเล ใช้การสะท้อนภายในเพื่อให้แสงสามารถผ่านเลนส์หลายตัวที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก (ดูรูปที่ 7)

ในเครื่องประดับ การเลือกเจียระไนของหินจะถูกเลือกเพื่อให้เห็นการสะท้อนเต็มที่ในแต่ละใบหน้า

ข้าว. 7. การส่องผ่านของแสงในกล้องส่องทางไกลทางทะเล ()

ตารางที่ 1 แสดงความเร็วแสงในสื่อต่างๆ ตัวอย่างเช่น เราเห็นความเร็วของแสงในน้ำน้อยกว่าในสุญญากาศ 1.33 เท่า เมื่อแสงผ่านจากน้ำไปยังเพชร ความเร็วจะลดลง 1.8 เท่า มันคือการเปลี่ยนแปลงความเร็วของแสงในกรณีที่มีการเปลี่ยนจากตัวกลางโปร่งใสหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งซึ่งเป็นสาเหตุของการหักเหของแสง

ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของสาร(NS) เป็นค่าเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วของแสงในสุญญากาศต่อความเร็วของแสงในตัวกลางที่กำหนด

ที่ไหน ค- ความเร็วของแสงในสุญญากาศ วี- ความเร็วแสงในสภาพแวดล้อมที่กำหนด

แท็บ 1. ความเร็วแสงในสภาพแวดล้อมต่างๆ

ตารางที่ 2 แสดงดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์สำหรับสารต่างๆ

แท็บ 2. ดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์สำหรับสารต่างๆ

ความหนาแน่นของแสง- การวัดการลดทอนของแสงด้วยวัตถุโปร่งใส (คริสตัล, แก้ว, ฟิล์มถ่ายภาพ) หรือการสะท้อนแสงจากวัตถุทึบแสง (ภาพถ่าย, โลหะ)

ยิ่งความเร็วการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางต่ำ ความหนาแน่นของแสงของตัวกลางก็จะยิ่งสูงขึ้น

ยิ่งความหนาแน่นเชิงแสงของสื่อทั้งสองต่างกันมากเท่าใด แสงก็จะยิ่งหักเหที่ส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสองมากขึ้น

ให้เราพิจารณาการหักเหของแสงโดยใช้วงแหวนออปติคัล (วงแหวนออปติคัลเป็นแผ่นดิสก์สีขาวที่มีเครื่องหมายเป็นวงกลมและติดตั้งไฟส่องสว่างที่ขอบ) ซึ่งเราจะติดตั้งกระจกครึ่งกระบอก (ดูรูป) . 2). ให้เรานำลำแสงแคบมาที่ครึ่งสูบนี้: ส่วนหนึ่งของลำแสงจะสะท้อนและส่วนหนึ่งจะผ่านไปโดยเปลี่ยนทิศทางของมัน

ข้าว. 2. การสังเกตการหักเหของแสงโดยใช้วงแหวนออปติคัล

ในแผนภาพ (ดูรูปที่ 3) เราจะเห็นว่ารังสี ดังนั้นกำหนดทิศทางของลำแสงตกกระทบ ray ตกลง- ทิศทางของลำแสงสะท้อน, ลำแสง OB- ทิศทางของลำแสงหักเห MN- ตั้งฉากคืนที่จุดตกกระทบของลำแสง ดังนั้น... รังสีทั้งหมดเหล่านี้อยู่ในระนาบเดียว - ระนาบของพื้นผิวดิสก์

มุมที่เกิดจากรังสีหักเหและตั้งฉากกับส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางทั้งสองซึ่งสร้างขึ้นใหม่ที่จุดตกกระทบของรังสีเรียกว่า มุมหักเห(γ ).

มุมระหว่างรังสีตกกระทบกับแนวตั้งฉากที่จุดตกกระทบเรียกว่า มุมตกกระทบ.

ข้าว. 3. รูปแบบการหักเหและการสะท้อนของลำแสงระหว่างการเปลี่ยนจากอากาศเป็นแก้ว

หากคุณเพิ่มมุมตกกระทบ ( α ) แล้วมุมหักเห ( γ ).

อัตราส่วนของมุมตกกระทบและการหักเหของแสงระหว่างการเปลี่ยนจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางนั้นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของแสงของตัวกลางเสมอ:

หากแสงเปลี่ยนจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่า มุมของการหักเหของแสงจะน้อยกว่ามุมตกกระทบ ();

หากแสงมาจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่า มุมการหักเหของแสงจะมากกว่ามุมตกกระทบ ()

กฎของสเนลล์ (กฎการหักเหของแสง) ระบุว่าอัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมหักเหเป็นค่าคงที่

โดยที่และเป็นดัชนีการหักเหของแสงสัมบูรณ์ของตัวกลางที่ลำแสงเคลื่อนที่ตามลำดับก่อนข้ามส่วนต่อประสานและหลัง

NS- ดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์ของตัวกลางที่สองที่สัมพันธ์กับอันแรก

และ - ความเร็วของการเคลื่อนที่ของลำแสงในสื่อตามลำดับก่อนข้ามส่วนต่อประสานและหลัง

แก้ไขปัญหา

ปัญหา 1

ในทะเลทรายที่ร้อนระอุ บางครั้งก็มีภาพลวงตา: พื้นผิวของอ่างเก็บน้ำปรากฏขึ้นในระยะไกล ปรากฏการณ์ทางกายภาพใดที่รับผิดชอบต่อภาพลวงตาเช่นนี้?

สารละลาย

อากาศในทะเลทรายจะร้อนขึ้นในตอนกลางวัน โดยได้รับความร้อนจากทรายที่ร้อน ดังนั้นชั้นล่างของอากาศจึงอบอุ่นที่สุด จากนั้นชั้นล่างเหล่านี้จะมีความหนาแน่นต่ำกว่า ดังนั้นจึงมีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าชั้นบน แสงแดดที่สะท้อนจากวัตถุใดๆ สามารถสัมผัสกับความโค้งขนาดใหญ่ในตัวกลางที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันทางแสง ซึ่งจะนำไปสู่การสะท้อนที่สมบูรณ์จากชั้นของอากาศอุ่นที่อยู่ใกล้พื้นผิวโลก จะมีภาพลวงตาว่าแสงสะท้อนจากพื้นผิวกระจกซึ่งถูกถ่ายสำหรับพื้นผิวของอ่างเก็บน้ำ (ดูรูปที่ 10)

ในวิดีโอบทเรียนฟิสิกส์จาก Academy วิทยาศาสตร์เพื่อความบันเทิงศาสตราจารย์ Daniil Edisonovich ยังคงสนทนาเกี่ยวกับแสงที่เริ่มขึ้นในชุดก่อนหน้าของโปรแกรม ผู้ดูทีวีรู้อยู่แล้วว่าแสงสะท้อนคืออะไร แต่การหักเหของแสงคืออะไร? เป็นการหักเหของแสงที่อธิบายปรากฏการณ์ทางแสงประหลาดๆ บางอย่างที่เราสามารถสังเกตได้ในชีวิตประจำวัน

การหักเหของแสง

ทำไมขาคนที่ยืนอยู่ในน้ำดูสั้นกว่าจริงๆ และถ้ามองลงไปที่ก้นแม่น้ำก็ดูเหมือนใกล้กว่า? มันเป็นเรื่องของปรากฏการณ์การหักเหของแสง แสงพยายามเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเสมอ ซึ่งเป็นเส้นทางที่สั้นที่สุด แต่การจากสภาพแวดล้อมทางกายภาพหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่งของรังสีดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนทิศทาง ในกรณีนี้ เรากำลังเผชิญกับปรากฏการณ์การหักเหของแสง นั่นคือเหตุผลที่ช้อนในแก้วชาดูเหมือนจะหัก - แสงจากส่วนของช้อนที่อยู่ในชามาถึงดวงตาของเราในมุมที่แตกต่างจากแสงจากส่วนของช้อนที่อยู่เหนือพื้นผิวของ ของเหลว การหักเหของแสงในกรณีนี้เกิดขึ้นที่ขอบของอากาศกับน้ำ เมื่อสะท้อนแสง ลำแสงจะเคลื่อนที่ในเส้นทางที่สั้นที่สุด และเมื่อหักเห แสงจะเคลื่อนที่เร็วที่สุด การใช้กฎการสะท้อนและการหักเหของแสง ผู้คนได้สร้างสิ่งต่างๆ ขึ้นมากมาย โดยที่ชีวิตของเราในทุกวันนี้คิดไม่ถึง กล้องโทรทรรศน์ กล้องปริทรรศน์ กล้องจุลทรรศน์ แว่นขยาย สิ่งเหล่านี้จะเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างโดยปราศจากความรู้เกี่ยวกับกฎการหักเหของแสงและการสะท้อนของแสง แว่นขยายจะขยายใหญ่ขึ้นเพราะเมื่อผ่านเข้าไป รังสีของแสงจะเข้าตาในมุมที่มากกว่ารังสีที่สะท้อนจากตัววัตถุเอง เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ต้องวางวัตถุไว้ระหว่างแว่นขยายกับการโฟกัสด้วยแสง ออปติคอลโฟกัส; มันคือจุดที่รังสีคู่ขนานในขั้นต้นตัดกัน (โฟกัส) หลังจากผ่านระบบการรวบรวม (หรือที่ส่วนขยายของพวกมันตัดกันหากระบบกระเจิง) เลนส์ (เช่น เลนส์ของแว่นสายตา) มีสองด้าน ดังนั้นลำแสงจะหักเหสองครั้ง - เข้าและออกจากเลนส์ พื้นผิวของเลนส์สามารถโค้ง เว้า หรือแบนได้ ซึ่งกำหนดว่าปรากฏการณ์การหักเหของแสงจะเกิดขึ้นได้อย่างไร ถ้าเลนส์มีนูนทั้งสองด้าน แสดงว่าเป็นเลนส์สะสม หักเหในเลนส์ดังกล่าว รังสีของแสงจะถูกรวบรวมไว้ที่จุดหนึ่ง นี่เรียกว่าจุดโฟกัสหลักของเลนส์ เลนส์ที่มีด้านเว้าเรียกว่าเลนส์กระเจิง เมื่อมองแวบแรก มันขาดโฟกัสเพราะรังสีที่ผ่านมันกระจายออกไปทางด้านข้าง แต่ถ้าเราเปลี่ยนทิศทางของรังสีเหล่านี้กลับมา เมื่อผ่านเลนส์อีกครั้ง พวกมันก็จะรวมตัวกันที่จุดนั้น ซึ่งจะเป็นจุดโฟกัสของเลนส์นี้ มีเลนส์ในตามนุษย์เรียกว่าเลนส์ เปรียบได้กับเครื่องฉายภาพยนตร์ที่ฉายภาพลงบนหน้าจอ - ผนังด้านหลังของดวงตา (เรตินา) ปรากฎว่าทะเลสาบเป็นเลนส์ขนาดยักษ์ที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์การหักเหของแสง ดังนั้นขาของชาวประมงที่ยืนอยู่จึงดูสั้น รุ้งยังปรากฏบนท้องฟ้าเนื่องจากเลนส์ บทบาทของพวกมันเล่นโดยหยดน้ำหรืออนุภาคหิมะที่เล็กที่สุด รุ้งเกิดขึ้นเมื่อแสงแดดหักเหและสะท้อนจากละอองน้ำ (ฝนหรือหมอก) ที่ลอยอยู่ในบรรยากาศ ละอองเหล่านี้เบี่ยงเบนแสงของสีต่างๆ ด้วยวิธีต่างๆ ส่งผลให้แสงสีขาวสลายตัวเป็นสเปกตรัม (เกิดการกระจายแสง) ผู้สังเกตการณ์ซึ่งยืนหันหลังให้แหล่งกำเนิดแสงเห็นแสงหลากสีที่เปล่งออกมาจากอวกาศเป็นวงกลม (ส่วนโค้ง)

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับแสงเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของฟิสิกส์และล้อมรอบเราในชีวิตประจำวันของเราทุกที่ ที่สำคัญที่สุดในสถานการณ์นี้คือกฎของการสะท้อนและการหักเหของแสงซึ่งเป็นพื้นฐานของทัศนศาสตร์สมัยใหม่ การหักเหของแสงเป็นส่วนสำคัญของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่

เอฟเฟกต์การบิดเบือน

บทความนี้จะบอกคุณว่าปรากฏการณ์การหักเหของแสงคืออะไร รวมถึงกฎการหักเหของแสงและสิ่งที่ตามมา

พื้นฐานของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

เมื่อรังสีกระทบพื้นผิวที่แยกจากกันด้วยสารโปร่งใสสองชนิดที่มีความหนาแน่นของแสงต่างกัน (เช่น แก้วต่างๆ หรือในน้ำ) รังสีบางส่วนจะสะท้อนออกมา และบางส่วนจะทะลุเข้าไปในโครงสร้างที่สอง (เช่น จะ กระจายในน้ำหรือแก้ว) เมื่อส่งผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง รังสีจะมีการเปลี่ยนแปลงทิศทาง นี่คือปรากฏการณ์การหักเหของแสง
การสะท้อนและการหักเหของแสงสามารถมองเห็นได้ชัดเจนในน้ำ

ผลการบิดเบือนในน้ำ

มองดูสิ่งของในน้ำก็ดูบิดเบี้ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เห็นได้ชัดเจนที่พรมแดนระหว่างอากาศกับน้ำ ทางสายตา วัตถุใต้น้ำดูเหมือนจะเบี่ยงเล็กน้อย ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่อธิบายไว้เป็นสาเหตุว่าทำไมวัตถุทั้งหมดในน้ำจึงดูบิดเบี้ยว เมื่อรังสีกระทบกระจก ผลกระทบนี้จะสังเกตเห็นได้น้อยลง
การหักเหของแสงเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่มีลักษณะเฉพาะโดยการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของรังสีดวงอาทิตย์ในขณะที่เคลื่อนที่จากตัวกลาง (โครงสร้าง) ตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง
เพื่อปรับปรุงความเข้าใจในกระบวนการนี้ ให้พิจารณาตัวอย่างลำแสงที่ตกลงมาจากอากาศลงไปในน้ำ (คล้ายกับแก้ว) โดยการวาดเส้นตั้งฉากตามส่วนต่อประสาน มุมของการหักเหของแสงและการย้อนกลับของลำแสงสามารถวัดได้ ดัชนีนี้ (มุมหักเห) จะเปลี่ยนไปเมื่อกระแสน้ำทะลุเข้าไปในน้ำ (ภายในแก้ว)
บันทึก! พารามิเตอร์นี้เข้าใจว่าเป็นมุมที่สร้างแนวตั้งฉากกับการแยกสารสองชนิดเมื่อลำแสงทะลุจากโครงสร้างแรกไปยังโครงสร้างที่สอง

บีมผ่าน

ตัวบ่งชี้เดียวกันนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับสภาพแวดล้อมอื่นๆ พบว่าตัวบ่งชี้นี้ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของสาร หากลำแสงตกจากโครงสร้างที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปยังโครงสร้างที่หนาแน่นกว่า มุมของการบิดเบือนที่สร้างขึ้นก็จะมากขึ้น และถ้าตรงกันข้าม - น้อยกว่านั้น
ในเวลาเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงในความชันของการตกก็จะส่งผลต่อตัวบ่งชี้นี้ด้วย แต่ความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาไม่คงที่ ในเวลาเดียวกันอัตราส่วนของไซน์จะคงที่ซึ่งแสดงโดยสูตรต่อไปนี้: sinα / sinγ = n โดยที่:

• n คือค่าคงที่ที่อธิบายสำหรับสารแต่ละชนิด (อากาศ แก้ว น้ำ ฯลฯ) ดังนั้นค่านี้จะถูกกำหนดโดยตารางพิเศษ
• α คือมุมตกกระทบ
• γ คือมุมหักเห

เพื่อกำหนดปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้ กฎการหักเหของแสงได้ถูกสร้างขึ้น

กฎกายภาพ

กฎการหักเหของฟลักซ์แสงทำให้สามารถกำหนดลักษณะของสารโปร่งใสได้ กฎหมายเองประกอบด้วยบทบัญญัติสองข้อ:

• ส่วนแรก. รังสี (อุบัติการณ์แก้ไข) และแนวตั้งฉากซึ่งได้รับการฟื้นฟู ณ จุดเกิดบนชายแดนเช่นอากาศและน้ำ (แก้ว ฯลฯ ) จะอยู่ในระนาบเดียวกัน
• ส่วนที่สอง. ตัวบ่งชี้อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อไซน์ของมุมเดียวกันซึ่งเกิดขึ้นเมื่อข้ามพรมแดนจะเป็นค่าคงที่

คำอธิบายของกฎหมาย

ในกรณีนี้ ในขณะนี้ลำแสงจะออกจากโครงสร้างที่สองในโครงสร้างแรก (เช่น เมื่อฟลักซ์แสงผ่านจากอากาศ ผ่านกระจกและกลับขึ้นไปในอากาศ) เอฟเฟกต์การบิดเบือนก็จะเกิดขึ้นเช่นกัน

พารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับวัตถุต่างๆ

ตัวบ่งชี้หลักในสถานการณ์นี้คืออัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบต่อพารามิเตอร์ที่คล้ายกัน แต่สำหรับการบิดเบือน จากกฎหมายที่อธิบายข้างต้น ตัวบ่งชี้นี้เป็นค่าคงที่
ในเวลาเดียวกัน เมื่อค่าของความชันของการตกเปลี่ยนแปลง สถานการณ์เดียวกันจะเป็นเรื่องปกติสำหรับตัวบ่งชี้ที่คล้ายกัน พารามิเตอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นลักษณะสำคัญของสารโปร่งใส

ตัวบ่งชี้สำหรับวัตถุต่างๆ

ด้วยพารามิเตอร์นี้ คุณจึงสามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างประเภทของแก้วและอัญมณีต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังเป็นสิ่งสำคัญในการกำหนดความเร็วที่แสงเดินทางในสภาพแวดล้อมต่างๆ

บันทึก! ความเร็วสูงสุดของฟลักซ์แสงอยู่ในสุญญากาศ

เมื่อส่งผ่านจากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง ความเร็วของสารนั้นจะลดลง ตัวอย่างเช่น เพชรซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสงสูงสุด จะมีความเร็วการแพร่กระจายของโฟตอน 2.42 เท่าสูงกว่าของอากาศ ในน้ำจะแพร่กระจายช้าลง 1.33 เท่า สำหรับ ประเภทต่างๆแว่นตา พารามิเตอร์นี้มีตั้งแต่ 1.4 ถึง 2.2

บันทึก! แว่นตาบางตัวมีดัชนีการหักเหของแสงที่ 2.2 ซึ่งใกล้เคียงกับเพชรมาก (2.4) ดังนั้นจึงไม่สามารถแยกแยะแก้วจากเพชรแท้ได้เสมอไป

ความหนาแน่นทางแสงของสาร

แสงสามารถทะลุผ่านสารต่าง ๆ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยตัวบ่งชี้ความหนาแน่นของแสงที่แตกต่างกัน ดังที่เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ โดยใช้กฎนี้ คุณสามารถกำหนดลักษณะของความหนาแน่นของตัวกลาง (โครงสร้าง) ยิ่งมีความหนาแน่นมากเท่าใด แสงความเร็วก็จะยิ่งแผ่น้อยลงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น แก้วหรือน้ำจะมีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าอากาศ
นอกจากข้อเท็จจริงที่ว่าพารามิเตอร์นี้เป็นค่าคงที่แล้ว ยังสะท้อนอัตราส่วนของความเร็วแสงในสารสองชนิดอีกด้วย ความหมายทางกายภาพสามารถแสดงได้ในรูปของสูตรต่อไปนี้:

ตัวบ่งชี้นี้บอกว่าความเร็วของการแพร่กระจายของโฟตอนเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรระหว่างการเปลี่ยนจากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่ง

ตัวบ่งชี้ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่ง

เมื่อฟลักซ์แสงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุโปร่งใส โพลาไรซ์ก็เป็นไปได้ สังเกตได้เมื่อฟลักซ์แสงผ่านจากสื่ออิเล็กทริกแบบไอโซโทรปิก โพลาไรซ์เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนผ่านกระจก

ผลโพลาไรเซชัน

โพลาไรซ์บางส่วนจะสังเกตได้เมื่อมุมตกกระทบของฟลักซ์แสงที่ส่วนต่อประสานของไดอิเล็กทริกสองตัวแตกต่างจากศูนย์ ระดับของโพลาไรเซชันขึ้นอยู่กับมุมตกกระทบ (กฎของบรูว์สเตอร์)

สะท้อนภายในเต็มรูปแบบ

ในการสรุปการเดินทางเล็กๆ น้อยๆ ของเรา ยังคงจำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบดังกล่าวเป็นการสะท้อนภายในที่เต็มเปี่ยม

ปรากฏการณ์การแสดงผลที่เต็มเปี่ยม

เพื่อให้เอฟเฟกต์นี้ปรากฏขึ้น จำเป็นต้องเพิ่มมุมตกกระทบของฟลักซ์แสงในขณะที่เปลี่ยนจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากขึ้นไปเป็นสื่อที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าที่ส่วนต่อประสานระหว่างสาร ในสถานการณ์ที่พารามิเตอร์นี้เกินค่าจำกัด โฟตอนที่ตกกระทบบนขอบเขตของส่วนนี้จะสะท้อนให้เห็นโดยสมบูรณ์ อันที่จริง นี่จะเป็นปรากฏการณ์ที่เราปรารถนา หากปราศจากมัน ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างใยแก้วนำแสง

บทสรุป

การใช้งานจริงของคุณสมบัติของพฤติกรรมของฟลักซ์การส่องสว่างให้มาก สร้างความหลากหลายของ อุปกรณ์ทางเทคนิคเพื่อปรับปรุงชีวิตของเรา ในเวลาเดียวกัน แสงไม่ได้เปิดเผยความเป็นไปได้ทั้งหมดต่อหน้ามนุษยชาติ และศักยภาพในทางปฏิบัติยังไม่ได้รับการตระหนักอย่างเต็มที่

วิธีทำโคมไฟกระดาษด้วยมือของคุณเอง
วิธีตรวจสอบประสิทธิภาพของแถบ LED