Beeldings in lense, die werking van instrumente soos mikroskope en teleskope, die verskynsel van reënboë en die misleidende persepsie van die diepte van 'n watermassa is alles voorbeelde van die verskynsel van breking van lig. Die wette wat hierdie verskynsel beskryf, word in hierdie artikel bespreek.
Die verskynsel van breking
Voordat ons die wette van ligbreking in fisika oorweeg, kom ons maak kennis met die essensie van die verskynsel self.
Soos jy weet, as die medium op alle punte in die ruimte homogeen is, dan sal die lig langs 'n reguit pad daarin beweeg. Breking van hierdie pad vind plaas wanneer 'n ligstraal teen 'n hoek die raakvlak tussen twee deursigtige materiale, soos glas en water of lug en glas, kruis. As u na 'n ander homogene medium beweeg, sal die lig ook in 'n reguit lyn beweeg, maar dit sal reeds in die eerste medium teen 'n hoek na sy trajek gerig word. Dit is die verskynsel van breking van die ligstraal.
Die video hieronder demonstreer die verskynsel van breking deur glas as voorbeeld te gebruik.
Die belangrike punt hier is die invalshoek opkoppelvlakvlak. Die waarde van hierdie hoek bepaal of die verskynsel van breking waargeneem sal word of nie. As die balk loodreg op die oppervlak val, sal dit, nadat dit in die tweede medium beweeg het, voortgaan om langs dieselfde reguit lyn te beweeg. Die tweede geval, wanneer breking nie sal plaasvind nie, is die invalshoeke van 'n straal wat van 'n opties digter medium na 'n minder digte een gaan, wat groter is as een of ander kritieke waarde. In hierdie geval sal die ligenergie heeltemal teruggekaats word in die eerste medium. Die laaste effek word hieronder bespreek.
Eerste wet van breking
Dit kan ook die wet van drie lyne in een vlak genoem word. Gestel daar is 'n ligstraal A wat op die raakvlak tussen twee deursigtige materiale val. By die punt O word die balk gebreek en begin dit langs die reguitlyn B beweeg, wat nie 'n voortsetting van A is nie. As ons die loodregte N na die skeidingsvlak na die punt O herstel, dan is die 1ste wet vir die verskynsel van breking kan soos volg geformuleer word: die invallende bundel A, die normaal N en die gebreekte bundel B lê in dieselfde vlak, wat loodreg op die raakvlakvlak is.
Hierdie eenvoudige wet is nie voor die hand liggend nie. Die formulering daarvan is die resultaat van 'n veralgemening van eksperimentele data. Wiskundig kan dit afgelei word deur die sogenaamde Fermat-beginsel of die beginsel van die minste tyd te gebruik.
Tweede wet van breking
Skoolfisika-onderwysers gee studente dikwels die volgende taak: "Formuleer die wette van breking van lig." Ons het een van hulle oorweeg, kom ons gaan nou aan na die tweede.
Dui die hoek tussen straal A en loodregte N aan as θ1, die hoek tussen straal B en N sal θ2 genoem word. Ons neem ook in ag dat die spoed van bundel A in medium 1 v1 is, die spoed van bundel B in medium 2 is v2. Nou kan ons 'n wiskundige formulering van die 2de wet gee vir die verskynsel wat oorweeg word:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Hierdie formule is aan die begin van die 17de eeu deur die Nederlander Snell verkry en dra nou sy van.
'n Belangrike gevolgtrekking volg uit die uitdrukking: hoe groter die spoed van ligvoortplanting in die medium, hoe verder van die normaal sal die straal wees (hoe groter die sinus van die hoek).
Die konsep van die brekingsindeks van die medium
Bogenoemde Snell-formule is tans in 'n effens ander vorm geskryf, wat geriefliker is om te gebruik wanneer praktiese probleme opgelos word. Inderdaad, die spoed v van lig in materie, hoewel minder as dié in vakuum, is steeds 'n groot waarde wat moeilik is om mee te werk. Daarom is 'n relatiewe waarde in fisika ingebring, waarvoor die gelykheid hieronder aangebied word:
n=c/v.
Hier c is die spoed van die straal in vakuum. Die waarde van n wys hoeveel keer die waarde van c groter is as die waarde van v in die materiaal. Dit word die brekingsindeks van hierdie materiaal genoem.
Met inagneming van die ingevoerde waarde, sal die formule van die wet van breking van lig in die volgende vorm herskryf word:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materiaal met 'n groot waarde van n,opties dig genoem. As lig daardeur beweeg, vertraag lig sy spoed met n keer in vergelyking met dieselfde waarde vir luglose ruimte.
Hierdie formule wys dat die balk nader aan die normaal sal lê in die medium wat meer opties dig is.
Ons let byvoorbeeld daarop dat die brekingsindeks vir lug amper gelyk is aan een (1, 00029). Vir water is die waarde 1,33.
Totale refleksie in 'n opties digte medium
Kom ons voer die volgende eksperiment uit: kom ons begin 'n ligstraal vanaf die waterkolom na sy oppervlak. Aangesien water opties digter as lug is (1, 33>1, 00029), sal die invalshoek θ1 minder wees as die brekingshoek θ2. Nou sal ons onderskeidelik θ1 geleidelik verhoog, θ2 sal ook toeneem, terwyl die ongelykheid θ1<θ2bly altyd waar.
Daar sal 'n oomblik kom wanneer θ1<90o en θ2=90 o. Hierdie hoek θ1 word krities genoem vir 'n paar water-lug media. Enige invalshoeke groter as dit sal daartoe lei dat geen deel van die bundel deur die water-lug-koppelvlak in 'n minder digte medium gaan nie. Die hele straal by die grens sal totale weerkaatsing ervaar.
Berekening van die kritiese invalshoek θc word uitgevoer deur die formule:
θc=arcsin(n2/n1).
Vir media water enlug dit is 48, 77o.
Let daarop dat hierdie verskynsel nie omkeerbaar is nie, dit wil sê wanneer lig van lug na water beweeg, is daar geen kritieke hoek nie.
Die beskryfde verskynsel word gebruik in die werking van optiese vesels, en saam met die verspreiding van lig is dit die oorsaak van die voorkoms van primêre en sekondêre reënboë tydens reën.
