Odbicie i załamanie

Światło odbija się i przemieszcza z różnymi prędkościami i kierunkiami lub załamuje się, w zależności od materiału, przez który się rozchodzi, powodując wiele interesujących zjawisk optycznych.

Kiedy promień światła pada na powierzchnię pustaka szklanego, jego część zmienia kierunek na granicy faz, aby powrócić do ośrodka, z którego pochodzi; To jest refleksja. Reszta światła zmienia swój kierunek na granicy faz i przechodzi przez blok szkła, aby zachować energię i pęd; To jest refrakcja.

Soczewki znajdujące się w układach optycznych, takich jak mikroskopy, wykorzystują odbicie i załamanie do tworzenia obrazów, które mogą być postrzegane przez ludzkie oko.

Tutaj najpierw omówimy zasady i parametry odbicia i załamania. Następnie zademonstrujemy te zjawiska w układzie, w którym powietrze i woda są dwoma ośrodkami. Następnie przyjrzymy się sposobom, w jakie soczewki tworzą obrazy, a następnie zajmiemy się kilkoma zastosowaniami w dziedzinie optyki.

Aby zrozumieć zasady i parametry odbicia i załamania, wybierzmy dwa ośrodki - wodę i powietrze.

Pierwszym kluczowym parametrem, na który należy zwrócić uwagę, jest "współczynnik załamania światła", "n" - charakterystyka ośrodka, przez który przechodzi światło. Definiuje się ją jako stosunek prędkości światła w próżni "c" do prędkości światła w ośrodku "v". Ponieważ n powietrza jest niższe od wody, światło przemieszcza się wolniej przez wodę w porównaniu z powietrzem.

Załóżmy teraz, że dwa media, woda i powietrze, stykają się ze sobą na styku.

Teraz, gdy światło przemieszcza się z wody do powietrza i uderza w granicę faz, część z nich odbija się na granicy faz, a pozostała część jest załamywana lub zakrzywiana pod kątem, który zależy od współczynników załamania światła dwóch ośrodków. Zarówno odbicie, jak i załamanie są również zależne od innego parametru - kąta padania, czyli ?i.

Jest to kąt między światłem padającym a normalną do granicy faz powietrze-woda wewnątrz pierwszego ośrodka, wody. "Kąt odbicia" jest mierzony między światłem odbitym a tą samą normalną wewnątrz pierwszego ośrodka, wody, i jest równy kątowi padania. Natomiast "kąt załamania" lub ?r to kąt między załamanym światłem a normalną do granicy faz powietrze-woda w drugim ośrodku, powietrzu.

Kąt załamania światła zależy zatem od kąta padania i współczynników załamania światła dwóch ośrodków. Prawo załamania światła lub prawo Snella zapewnia związek między wszystkimi tymi parametrami.

Teraz, jeśli kąt padania jest powoli zwiększany, w pewnym momencie światło pojawi się wzdłuż granicy faz woda-powietrze, a kąt załamania będzie równy 90 stopniom. Ten kąt padania nazywany jest "kątem krytycznym". Należy pamiętać, że może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy współczynnik załamania światła pierwszego ośrodka jest większy niż drugiego.

W tych samych warunkach, jeśli kąt padania jest jeszcze większy, wówczas wiązka światła załamuje się tak ostro, że w rzeczywistości jest całkowicie odbijana z powrotem do pierwszego ośrodka, z którego pochodzi światło. Zjawisko to nazywa się Totalnym Wewnętrznym Odbiciem.

Po zapoznaniu się z parametrami wpływającymi na odbicie i załamanie, zobaczmy, jak przeprowadzić eksperyment w laboratorium fizycznym, który weryfikuje te zasady. Zbierz wszystkie niezbędne materiały i sprzęt, w tym specjalistyczny zbiornik refrakcyjny z wiązką światła.

Napełnij połowę zbiornika refrakcji wodą. Włącz wiązkę światła i skieruj wiązkę do połowy zbiornika wypełnionego wodą.

Za pomocą kątomierza zmierz kąt padania wiązki światła lub kąt zmierzony w wodzie między wiązką światła a normalną do granicy faz powietrze-woda. Zmierz również kąt załamania lub kąt mierzony w powietrzu między wiązką światła a normalną do granicy faz powietrze-woda

Teraz, wraz ze wzrostem kąta padania, osiągany jest punkt, w którym wiązka światła pojawia się wzdłuż granicy faz powietrze-woda. Zanotuj ten kąt padania, ponieważ jest to kąt krytyczny dla całkowitego wewnętrznego odbicia.

Następnie kontynuuj zwiększanie kąta padania, obracając źródło światła w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Załamująca się wiązka zostaje teraz całkowicie odbita w wodzie, demonstrując całkowite odbicie wewnętrzne.

Następnie przesuń źródło światła tak, aby wiązka najpierw weszła do powietrznej połowy zbiornika, zanim wpadnie do wody. Powtórz protokół dla nowej ścieżki wiązki światła dla różnych kątów padania i zapisz odpowiedni kąt załamania.

Porozmawiajmy teraz o soczewkach, które wykorzystują odbicie i załamanie światła do tworzenia rzeczywistych i wirtualnych obrazów obiektów. Wszystkie soczewki, zarówno wypukłe, jak i wklęsłe, mają ogniskową "f", która jest odległością od soczewki, przy której promienie świetlne pochodzące z nieskończenie dużej odległości będą skupiane po przejściu przez soczewkę. Dla soczewek wypukłych f jest dodatnie, a dla soczewek wklęsłych f jest ujemne.

Gdy obiekt zostanie umieszczony przed soczewką, zostanie utworzony obraz. "Równanie cienkiej soczewki" zapewnia matematyczną zależność między ogniskową "f", odległością między obiektem a obiektywem "o" oraz odległością między obiektywem a obrazem "i".

To właśnie ta matematyczna odległość obrazu "i" mówi nam, czy obraz utworzony przez soczewkę jest rzeczywisty, czy wirtualny. Jeśli matematycznie obliczone "i" jest dodatnie, to utworzony obraz będzie rzeczywisty, a jeśli jest ujemny, obraz będzie wirtualny.

W przypadku obiektywu wypukłego, gdy odległość obiektu "o" jest większa niż ogniskowa "f", matematycznie obliczona odległość obrazu "i" będzie dodatnia i powstanie rzeczywisty obraz. Wynika to z fizycznej zbieżności promieni świetlnych pochodzących z obiektu, takich jak obraz uchwycony przez kamerę lub mikroskop.

Jednak gdy odległość obiektu "o" jest mniejsza niż ogniskowa "f", matematycznie obliczona odległość obrazu "i" jest ujemna i powstaje obraz wirtualny. Dzieje się tak dlatego, że promienie świetlne wydają się zbiegać, ale w rzeczywistości fizycznie się rozchodzą, a nasze oczy konstruują dla nich punkt początkowy. Obserwuje się to w przypadku szkła powiększającego, gdzie powstaje powiększony obraz wirtualny.

W przypadku soczewek wklęsłych promienie świetlne pochodzące z obiektu przechodzą przez soczewkę i zawsze się rozchodzą. W ten sposób wyliczone "i" jest zawsze ujemne, a tworzony obraz jest zawsze wirtualny.

W tej sekcji sprawdzimy możliwość tworzenia obrazów rzeczywistych i wirtualnych przy użyciu prostych soczewek wypukłych i wklęsłych. Zbierz wymagane materiały, a mianowicie soczewkę wypukłą, soczewkę wklęsłą, arkusz białego papieru, mały charakterystyczny przedmiot i zacisk do trzymania papieru w pionie

Najpierw umieść soczewkę wypukłą między obiektem a kartką papieru. Upewnij się, że wszystkie są w jednej linii i na tej samej wysokości.

Przesuwaj przedmiot i papier, aż na papierze pojawi się ostry obraz obiektu. Ten obraz widziany na papierze jest prawdziwym obrazem, ponieważ można go uchwycić na ekranie.

Teraz zmierz odległość od soczewki do obiektu i od soczewki do papieru. Użyj równania cienkiej soczewki, aby określić ogniskową obiektywu.

Następnie odłóż papier na bok i przesuń przedmiot bliżej obiektywu, aż odległość między obiektywem a obiektem będzie mniejsza niż ogniskowa obiektywu. Spójrz przez obiektyw i obserwuj obraz.

Wymień soczewkę wypukłą na wklęsłą. Spójrz przez wklęsłą soczewkę i obserwuj zdeskalowany obraz wirtualny.

Teraz, gdy ukończyliśmy protokół eksperymentalny, przyjrzyjmy się, jak analizować uzyskane dane. W pierwszym eksperymencie zmierzyliśmy kąt padania i kąt załamania światła na granicy faz woda-powietrze.

Korzystając z prawa Snella i podstawiając wartości tych kątów do równania, wraz ze współczynnikiem załamania powietrza możemy obliczyć współczynnik załamania światła wody, który wynosi 1,33.

Obliczenia te można następnie powtórzyć dla różnych kątów padania i załamania. Średnia ze wszystkich obliczonych współczynników załamania światła zapewni dokładniejszy pomiar współczynnika załamania wody.

Możemy również obliczyć kąt krytyczny dla całkowitego odbicia wewnętrznego za pomocą prawa Snella. Jest to kąt padania, gdy kąt załamania światła wynosi 90 stopni. Zmień kolejność tego równania, aby rozwiązać kąt krytyczny.

Korzystając z wcześniej obliczonej średniej dla współczynnika załamania światła wody, prawo Snella przewiduje, że krytyczny kąt padania wynosi 48,8 stopnia. Jest to kąt bardzo zbliżony do kąta zmierzonego eksperymentalnie, co potwierdza prawo Snella.

Gdy wiązka światła jest rzucana z powietrza na wodę, całkowite odbicie wewnętrzne nie występuje nawet pod kątami większymi niż 48,8 stopnia, ponieważ światło przemieszcza się teraz z ośrodka o niższym wskaźniku do wyższego.

W eksperymencie z soczewkami równanie cienkiej soczewki pokazuje, że dla odległości obiektu 11,02 centymetra od obiektywu i odległości obrazu około 9,21 centymetra, ogniskowa obiektywu wynosi około 5,02 centymetra.

W przypadku, gdy obiekt jest obserwowany przez wypukłą soczewkę, w odległości mniejszej niż jego ogniskowa, obserwuje się powiększoną wersję obiektu. Jest to obraz wirtualny, ponieważ nie można go uchwycić na ekranie. Podobnie podczas korzystania z soczewki wklęsłej obserwuje się powiększony wirtualny obraz obiektu.

Optyka, a konkretnie soczewki optyczne, jest używana w każdej dziedzinie życia, od fotografii, przez obrazowanie medyczne, po ludzkie oko.

Światłowody są wykorzystywane do transmisji danych w wielu współczesnych zastosowaniach, takich jak transmisja sygnałów telefonicznych. Włókna te składają się z rdzenia, okładziny i ochronnej powłoki zewnętrznej lub bufora oraz innych warstw wzmacniających.

Okładzina prowadzi dane w postaci impulsów świetlnych wzdłuż rdzenia przy użyciu metody całkowitego odbicia wewnętrznego. Ta właściwość transmisji danych umożliwia kamerom światłowodowym używanym przez lekarzy oglądanie zamkniętych przestrzeni w ludzkim ciele.

Mikroskopia to dziedzina wykorzystująca mikroskopy do oglądania obiektów, które nie są widoczne gołym okiem. Mikroskopia optyczna lub lekka polega na przepuszczaniu światła widzialnego, które jest załamywane lub odbijane od próbki, przez jedną lub wiele soczewek, aby umożliwić powiększenie próbki. Uzyskany obraz może być wykryty bezpośrednio przez oko lub uchwycony cyfrowo.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do odbicia i załamania. Powinieneś teraz zrozumieć zasady załamania, prawo Snella i całkowite odbicie wewnętrzne, a także teorię stojącą za soczewkami i sposób, w jaki tworzą obrazy. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!