» » » » » » » Refracția

Refracția

postat în: Lumina | 0
Lumina pe suprafața aer-plexiglas
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:F%C3%A9nyt%C3%B6r%C3%A9s.jpg

(Lumina pe suprafața aer-plexiglas în acest experiment suferă refracție (raza inferioară) și reflecție (raza superioară).)

Refracția este schimbarea direcției de propagare a undelor datorată unei modificări a mediului de transmisie.

Fenomenul este explicat prin conservarea energiei și conservarea impulsului. Datorită schimbării mediului, viteza de fază a undei este schimbată, dar frecvența acesteia rămâne constantă. Acest lucru este cel mai frecvent observat atunci când o undă trece de la un mediu la altul la orice unghi diferit de 0° față de normală. Refracția luminii este fenomenul cel mai frecvent observat, dar orice tip de undă poate fi refractată atunci când interacționează cu un mediu; de exemplu atunci când undele sonore trec de la un mediu la altul sau când undele de apă trec în o apă de altă adâncime. Refracția urmează legea lui Snell, care prevede că pentru o pereche dată de medii și o undă cu o singură frecvență, raportul sinusurilor dintre unghiul incidenței θ1 și unghiul de refracție θ2 este echivalent cu raportul dintre vitezele de fază (v1/v2) în cele două medii sau, echivalent, dintre indicii relativi ai refracției (n2/n1) ai celor două medii. Epsilon (ε) și mu (μ) reprezintă constanta dielectrică și momentul magnetic ale diferitelor medii:

sin⁡θ1/sinθ2 = v1/v2 = n2/n1 = √(ϵ2μ21μ1)

În general, undele incidente sunt parțial refractate și parțial reflectate (refracție internă); detaliile acestui comportament sunt descrise de ecuațiile Fresnel.

Explicaţie

Principiul lui Fermat conduce la legea lui Snell(Refracția luminii la interfața dintre două medii cu indici de refracție diferiți, cu n2 > n1. Deoarece viteza de fază este mai mică în cel de-al doilea mediu (v2 < v1), unghiul de refracție θ2 este mai mic decât unghiul de incidență θ1; adică, raza din mediul cu indice superior este mai aproape de normală.)

În optică, refracția este un fenomen care apare adesea atunci când undele se deplasează dintr-un mediu cu un indice de refracție dat la un mediu cu alt indice de refracție la un unghi oblic. La limita dintre medii, viteza de fază a undelor este modificată, de obicei provocând o schimbare de direcție. Lungimea de undă crește sau scade, dar frecvența acesteia rămâne constantă. De exemplu, o rază de lumină se va refracta când intră și iese din sticlă, deoarece există o schimbare a indicelui de refracție. O rază care se deplasează de-a lungul perimetrului (perpendicular pe margine) va suferi schimbări de viteză, dar nu de direcție. Refracția încă apare în acest caz (prin legea lui Snell, deoarece unghiul de incidență va fi 0°). Înțelegerea acestui concept a dus la inventarea lentilelor și a telescopului refractar.

Un creion scufundat în apă
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Pencil_in_a_bowl_of_water.svg

(Un obiect (în acest caz, un creion), scufundat în apă, pare a fi îndoit din cauza refracției: undele luminoase din direcția X schimbă direcșia și astfel par să provină din Y. (Mai exact, pentru orice unghi de vedere, Y ar trebui să fie vertical deasupra lui X, iar creionul ar trebui să apară mai scurt, nu mai lung după cum se arată.) )

Refracția poate fi văzută când privim într-un castron de apă. Aerul are un indice de refracție de aproximativ 1.0003, iar apa are un indice de refracție de aproximativ 1.3333. Dacă o persoană se uită la un obiect drept, cum ar fi un creion sau un pai, care este plasat înclinat parțial în apă, obiectul pare să se aplece la suprafața apei. Acest lucru se datorează îndoirii razelor de lumină în timp ce se deplasează de la apă la aer. Odată ce razele ajung la ochi, ochiul le urmărește înapoi ca linii drepte (linii de vedere). Liniile de vizare (prezentate ca linii întrerupte) se intersectează într-o poziție mai înaltă decât locul razelor reale. Acest lucru face creionul să apară mai înalt și apa să apară mai mică decât este într-adevăr. Adâncimea cu care apa pare a fi mai mică atunci când este văzută de sus este cunoscută sub numele de adâncime aparentă. Acesta este un aspect important pentru pescuitul de la suprafață, deoarece va face ca peștele țintă să pară într-un loc diferit, iar pescarul trebuie să vizeze o adâncime mai mică pentru a prinde peștii. Dimpotrivă, un obiect de deasupra apei are o înălțime aparentă mai mare atunci când este văzut de sub apă. Pentru unghiuri mici de incidență (măsurate de la normal, când sinθ este aproximativ același cu tanθ), raportul dintre adâncimea aparentă și cea reală este raportul dintre indicele de refracție al aerului și cel al apei. Dar, pe măsură ce unghiul de incidență se apropie de 90°, adâncimea aparentă se apropie de zero, deși crește reflexia, ceea ce limitează observarea la unghiuri mari de incidență. În schimb, înălțimea aparentă se apropie de infinit, pe măsură ce unghiul de incidență (de dedesubt) crește, dar chiar și mai devreme, când se apropie de unghiul reflexiei interne totale, deși imaginea dispare și din vedere, când această limită este atinsă.

Diagrama de refracție a undelor de apă
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Refraction_in_a_ripple_tank.svg

(Diagrama de refracție a undelor de apă.)

Diagrama de mai sus arată un exemplu de refracție a undei de apă. Valurile se deplasează din stânga și trec peste o regiune mai puțin adâncă înclinat la un unghi față de frontul de undă. Valurile se deplasează mai lent în apa mai puțin adâncă, deci lungimea de undă scade și unda schimbă direcția la limită. Linia punctată reprezintă limita normală. Linia întreruptă reprezintă direcția inițială a undelor. Acest fenomen explică de ce valurile de pe țărm tind să lovească țărmul aproape de un unghi perpendicular. Pe măsură ce valurile se deplasează de la adâncime în apă mai puțin adâncă în apropierea țărmului, ele sunt refractate de la direcția inițială de deplasare până la un unghi mai normal față de țărm. Refracția este, de asemenea, responsabilă de curcubeu și de împărțirea luminii albe într-un spectru de curcubeu, pe măsură ce trece printr-o prismă de sticlă. Sticla are un indice de refracție mai mare decât aerul. Atunci când un fascicul de lumină albă trece din aer într-un material cu un indice de refracție care variază în funcție de frecvență, apare un fenomen cunoscut sub numele de dispersie, în care componentele colorate ale luminii albe sunt refractate în unghiuri diferite, adică schimbă direcția cu diferite valori la interfață, astfel încât acestea se separă. Diferitele culori corespund diferitelor frecvențe.

În timp ce refracția permite fenomene cum ar fi curcubeele, poate produce și fenomene optice specifice, cum ar fi mirajele și fata morgana. Acestea sunt cauzate de modificarea indicelui de refracție al aerului cu temperatura.

Indicele de refracție al materialelor poate fi, de asemenea, neliniar, așa cum se întâmplă în efectul Kerr atunci când lumina cu intensitate ridicată conduce la un indice de refracție proporțional cu intensitatea luminii incidente.

Recent, s-au creat metamateriale care au un indice de refracție negativ. Cu metamaterialele, putem obține, de asemenea, fenomene de refracție totală când impedanțele undelor celor două medii sunt potrivite. Ăn acel caz nu există unde reflectate.

De asemenea, deoarece refracția poate face ca obiectele să apară mai aproape decât sunt, face ca apa să pară că mărește obiectele. În primul rând, când lumina intră într-o picătură de apă, aceasta încetinește. Dacă suprafața apei nu este plată, atunci lumina va schimba direcția pe o nouă cale. Această formă rotundă va îndoi lumina spre exterior și, pe măsură ce se împrăștie, imaginea care se vede devine mai mare.

Refracția luminii la interfața dintre două medii
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:RefractionReflextion.svg

(Refracția luminii la interfața dintre două medii. )

O analogie care este adesea propusă pentru a explica refracția luminii este după cum urmează: „Imaginați-vă o bandă de mers care rulează în timp ce se trece pe bandă într-un unghi oblic de pe o zonă pavată (un mediu rapid) în noroi (un mediu mai lent) Persoana care intră în noroi va încetini, ceea ce va face ca traiectoria lui să se modifice cu un unghi mai mare de la normala la bandă (să facă un unghi mai mic față de direcția de mers).

Efectele refracției între materiale pot fi minimizate prin potrivirea indicelui, o valoare apropiată a indicilor lor de refracție.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *