Какъв е физическият смисъл на индекса на пречупване на светлината?

Светлината и законите на нейното разпространение в прозрачна среда се интересуват от човек от древни времена. В тази статия ще разгледаме какво е пречупването на електромагнитните вълни, които първо формулират съответния закон и какъв е физическият смисъл на индекса на пречупване.

Същност на явлението

Промяната на посоката на разпространение на светлинния лъч при преминаване от една прозрачна среда към друга се нарича пречупване. За съществуването на това явление трябва да бъдат изпълнени следните три условия:

1. Гредата трябва да попада под определен наклон към равнината на интерфейса на средата. Ако ъгълът между посоката на движение на гредата и интересуващата ни равнина е 0 ^o (паралелно) или 90 ^o (перпендикулярно), тогава рефракцията няма да настъпи. Необходимо е да се увеличи или намали наклонът.
2. Две среди трябва да бъдат прозрачни за светлина. В противен случай електромагнитната вълна просто се отразява от повърхността.
3. Индексът на пречупване на средата трябва да бъде различен. Какъв е физическият смисъл на рефракционния индекс, ще бъде обсъден по-нататък в статията.

Примери за пречупване в ежедневието и природата

Може би най-често срещаният пример за това физическо явление е разглеждане на границата между въздуха и водата. Така че всички забелязаха, че молив, поставен в чаша с течност, изглежда е извит. Друг пример: ако погледнете във всеки съд с вода на дъното си, тогава дълбочината изглежда много по-малка, отколкото в действителност.

Следващият важен момент от ефекта на пречупване е миражите, които могат да се видят не само в пустините, но и във всяка местност в горещ летен ден. Когато горещото слънце е в непосредствена близост до повърхността на земята, слоевете на атмосферата се силно нагряват по отношение на по-високите нива. Различната температура на въздуха води до промяна в неговата плътност и като следствие от рефракционните показатели на светлината.

В резултат на това има условия, при които движещите се низходящи лъчи преминават по кривата на траекторията и започват да се движат отдолу нагоре. Веднъж в очите на наблюдателя, те създават впечатлението, че небето и короните на дърветата се отразяват върху повърхността на земята. Мозъкът интерпретира този ефект като локви.

Друг по-малко забележим, но не по-малко важен пример за хората е множественото пречупване на радиовълните в йоносферата на нашата планета. Поради този факт радиовълните могат да се разпространят на огромни разстояния на Земята.

Закони на пречупване

За да разберем какъв е физическият смисъл на рефракционния индекс на светлината, нека наречем законите, които описват това явление. Има две от тях:

1. Гредата, падаща на границата на две среди, нормалната, възстановена в равнината на границата в точката на падане, и светлинният лъч, предаван на втората среда, лежи в една и съща равнина.
2. Продуктът на синуса на ъгъла на падане и коефициентът на пречупване на средата, в която се разпространява светлината, е постоянна стойност.

Първият от тези закони е подобен на този на феномена на размисъл. Нещо повече, нито един падащ лъч в интерфейса не предава цялата си енергия на втората среда по време на разглеждания феномен. Винаги се отразява част от енергията. Тя зависи от редица фактори (дължината на вълната на светлината, свойствата на средата и ъгъла). Така, в равнината с норма, има три лъча: честотата, пречупването и отражението.

Описанието на втория закон е само една от формите. Други формулировки ще бъдат взети предвид при обсъждане на стойността на индекса на пречупване.

Какво е индекс на пречупване?

Това е коефициентът на пропорционалност между скоростите на разпространение на светлината във вакуум и среда. По правило се обозначава с буквата n и се изчислява по формулата:

n = c / v.

Тук c е скоростта на електромагнитните вълни във вакуум, v е същата, само в истинска прозрачна среда. Тъй като c> v е винаги, тогава индексът на пречупване ще бъде по-голям от един (n> 1).

Ако ъглите на падане и пречупване са обозначени със символите θ ₁ и θ ₂ , а рефракционните индекси на 1-ва и 2-та среда са записани съответно като n ₁ и n ₂ , тогава вторият закон на пречупване приема формата:

sin (θ ₁ ) * n ₁ = sin (θ ₂ ) * n ₂ .

Ако заместим израза за n в това равенство, тогава имаме:

sin (θ ₁ ) / sin (θ ₂ ) = v ₁ / v ₂ .

Полученото изражение е друга формулировка на втория закон на пречупване: съотношението на синусите на ъглите на падане и пречупването е право пропорционално на съотношението на скоростите на разпространение на вълните в съответната среда.

Какъв е физическият смисъл на рефракционния индекс на средата?

Сега лесно можете да отговорите на този въпрос. Според горната дефиниция, тази стойност показва колко пъти светлината във вакуум е по-бърза, отколкото в среда. Например във въздуха, n = 1.00029, т.е. в атмосферата на нашата планета, светлината се забавя в сравнение с разпределението в пространството само на стотни от процента.

Друг пример: индексът n за диаманта е 2.43. В диаманта, светлината се движи 2,43 пъти по-бавно, отколкото във вакуум.

Разбирайки какъв е физическият смисъл на рефракционния индекс (абсолютната скорост на светлината става по-малка в средата), е любопитно да разберем защо намалява.

Факт е, че средата се състои от частици материя (атоми, молекули), които абсорбират и преизлъчват електромагнитните вълни, които се движат през тях. Тези физически процеси имат някои характерни времена, така че има забавяне в скоростта на светлината.

Причината за пречупването на вълните

Въпросите за физическия смисъл на индекса на пречупване на светлината и защо се проявява пречупване са свързани един с друг. Причината за това явление е именно разликата в скоростите в различни среди. Има няколко начина да обясните това:

• Използвайки принципа на Huygens-Fresnel. Тя се състои в това, че всяка точка от средата, през която преминава вълната, става нов източник. Той създава сферични вълни, чиито набор от повърхности определят следващия фронт на вълната.
• Използване на принципа на фермата. Той свързва дължината на траекторията с времето на движение на вълната. По-специално, светлината избира такава пътека между две точки в пространството, която може да пътува в най-кратък срок.
• Използване на аналогия на Файнман. Да кажем, че спасителят е видял удавника в морето. Какви ще бъдат действията му? Той първо ще премине по плажа до определено място, а след това ще изтича във водата и ще плува, за да спаси човек. Траекторията на спасителя е подобна на тази за светлината. Плажът и морето са две среди с различни стойности на n.

Исторически фон

В момента вторият закон на вълновата рефракция, формулиран по два начина, обикновено се нарича закон Снел или Снел, в чест на холандския физик от началото на 17 век, който го е открил.

Въпреки това, 6 века преди това, т.е. около края на Х век, законът на пречупването в съвременната му математическа форма вече е известен на арабите. Смята се, че персийският математик Ибн Сахл първо го формулира и прилага в анализа на хода на светлинните лъчи в лещите. Така разглежданото явление е открито и описано от учени от древността.