Reflexion und Brechung

Physics II
 

Overview

Quelle: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics & Astronomie, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA

Licht bewegt sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten je nach Material, durch das es verbreiten wird. Wenn Licht von einem Material zum anderen reist, wird es entweder verlangsamen oder beschleunigen. Um zu sparen Energie und Dynamik, das Licht müssen die Richtung ändern, in der es propagiert. Diese Krümmung des Lichts nennt man Brechung. Ein Teil des Lichts spiegelt sich auch an der Schnittstelle zwischen den beiden Materialien. In besonderen Fällen kann ein Lichtstrahl so scharf an einer Schnittstelle gebrochen werden, dass es eigentlich komplett zurück in das Medium reflektiert wird, aus dem es kam.

Linsen machen nutzen das Prinzip der Lichtbrechung. Linsen gibt es in zwei Varianten mit unterschiedlichen Krümmungen: konvexe Linsen und konkaven Linsen. Konvexe Linsen werden häufig verwendet, um Licht fokussieren aber können auch verwendet werden, um vergrößerte Bilder von Objekten zu erstellen. Wenn eine konvexe Linse die Lichtstrahlen, die von einem Objekt auseinander, das menschliche Auge Richter bewirkt, dass das Licht von einem bestimmten Punkt hinter das eigentliche Objekt das Licht stammt zu kommen. Das Bild des Objekts wird in diesem Fall vergrößert werden. Diese Art von Bildern nennt man ein virtuelles Bild. Konkave Linsen kann auch Lichtstrahlen divergieren, und erstellen Sie virtuelle Bilder, obwohl das Bild demagnified werden.

Dieses Labor zeigen das grundlegende Gesetz der Lichtbrechung und prüft die Möglichkeiten, in denen Objektive Bilder erstellen.

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JoVE Science Education Database. Grundlagen der Physik II. Reflexion und Brechung. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Wenn Licht auf die Schnittstelle zwischen zwei Materialien trifft, ist es durch einige Winkel gebogen, das hängt von der Zusammensetzung der beiden Materialien. An der Grenze, die Geschwindigkeit, mit der das Licht breitet sich Änderungen, wodurch seine Richtung der Fortpflanzung als auch ändern. Jedes Medium hat einen charakteristischen "Brechungsindex", das als das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit von Licht im Vakuum und die Lichtgeschwindigkeit im Medium definiert ist:

Equation 1

wo n ist die dimensionslose Brechungsindex, c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in Meter pro Sekunde (m/s) und v ist die Geschwindigkeit des Lichts im Medium in Meter pro Sekunde (m/s). Licht bewegt langsam in ein Medium mit einem hohen Brechungsindex und schneller in einem Medium mit einem niedrigen Brechungsindex.

Für einen bestimmten Einfallswinkel, өich (Winkel, bei dem das Licht die Grenze zwischen den beiden Medien trifft), der Winkel, in dem der Lichtstrahl gebrochen wird, өR, gegeben durch Gesetz der Lichtbrechung, welche ist besser bekannt als Snell Gesetz:

Equation 2

өich und өR in Grad sind, wobei n1 und n2 der dimensionslose Indizes der Brechung der Anfangs- und Endwert Materialien durch die sind reist des Lichts. Die Refraktion-Winkel gibt die Richtung in der gebrochene Welle in das zweite Medium reist (siehe Abbildung 1). Ein Teil des einfallenden Lichts spiegelt sich auch wieder in das erste Medium in einem Winkel der Einfallswinkel gleich.

Ein interessantes Phänomen tritt auf, wenn Licht von einem Material mit einem hohen Brechungsindex zu einem mit einem niedrigeren Index geht. Es gibt eine kritische Einfallswinkel an dem gebrochene Winkel 90° werden wird. Wenn Licht die Grenze auf der Grenzwinkel trifft, der gebrochene Strahl entlang der Grenze zwischen den Medien reist und etwas Licht zurück in den hohen Brechungsindex Material reflektiert wird (siehe Abbildung 2). Trifft Licht auf die Grenze in einem Winkel größer als dieser Grenzwinkel, wird es vollständig zurück in den hohen Brechungsindex Material in einer Veranstaltung namens Totalreflexion reflektiert.

Figure 1
Abbildung 1: Einen einfallenden Lichtstrahl an der Grenze zwischen zwei Medienergebnisse in einem reflektierten Strahl und einem gebrochenen Strahl.

Figure 2
Abbildung 2: Total interne Reflexion n2 > n1. Blue Ray ist im kritischen Winkel einfallenden und führt zu einem gebrochenen Strahl Reisen entlang der Grenzfläche und reflektierter Strahl. Der rote Strahl ist in einem Winkel größer als der Grenzwinkel Vorfall und führt zu einem völlig intern reflektierten Strahl.

Objektive nutzen Sie Brechung erstelle echte und virtuelle Bilder von Objekten. Ein reelles Bild ist ein Bild, gebildet durch die physische Konvergenz der Lichtstrahlen, die von einem Objekt kam. Ein virtuelles Bild entsteht, wenn Lichtstrahlen erscheinen zu konvergieren, aber nicht tatsächlich physisch konvergieren. Unsere Augen konstruieren ein Ausgangspunkt für divergierende Strahlen, und dieser Punkt von Ursprung dient als Quelle für die virtuellen Abbilder obwohl die Lichtstrahlen nicht tatsächlich an diesem Punkt konvergieren. Beispiele für reale und virtuelle Bilder von einer konvexen Linse gebildet sind in Abbildung 3dargestellt. Objektive haben eine charakteristische Länge, genannt die "Brennweite", die die Entfernung von der Linse ist bei denen die Lichtstrahlen mit Ursprung unendlich weit weg richtet sich nach dem Durchgang durch die Linse. Die Brennweite eines Objektivs angegeben, wird der Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv den Speicherort des Bildes entsprechend der dünne Linse Gleichung ermitteln:

Equation 3

Wo f ist die Brennweite des Objektivs in Metern (m), o ist der Abstand zwischen Objektiv und Objekt in Metern (m), und ich ist der Abstand zwischen dem Objektiv und Bild in Metern (m). Wenn die Objektentfernung ergriffen werden, um eine positive Menge werden dann, wenn die Bild-Abstand positiv ist, das Bild werden real und befindet sich auf der Seite der Linse gegenüber dem Objekt. Wenn die Bild-Abstand negativ ist, wird das Bild virtuelle, vergrößerte und befindet sich auf der gleichen Seite des Objektivs als das Objekt sein.

Figure 3
Abbildung 3: Eine konvexe Linse, die Herstellung von realen und virtuellen Bildern. Reale Bilder in Form von echte Konvergenz Lichtstrahlen. Virtuelle Bilder entstehen durch unsere Augen von divergierenden Lichtstrahlen.

Procedure

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1. bestimmen Sie den Brechungsindex des Wassers mit Snell Gesetz (Gesetz der Lichtbrechung) und finden Sie der Grenzwinkel für Totalreflexion zu.

  1. Erhalten Sie einen spezialisierte Brechung Tank mit einer Lichtquelle.
  2. Die Brechung Tank mit Wasser füllen und die Lichtquelle einschalten. Leiten Sie den Lichtstrahl von der Lichtquelle in der Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt. Es möglicherweise notwendig, das Licht in den Raum zu verdunkeln.
  3. Verwenden Sie Winkelmesser auf die Brechung Tank zur Messung des Strahls Einfallswinkel (der Winkel gemessen in der Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt) und Winkel der Brechung (der Winkel gemessen in der Hälfte des mit Luft gefüllten Tanks) für die Luft-Wasser-Schnittstelle in den Tank.
  4. Verwenden Sie die gemessenen Winkel und dem Brechungsindex für Luft (nLuft = 1.00) zur Berechnung der Brechungsindex für Wasser.
  5. Wiederholen Sie die vorherigen Schritte für ein paar einfallende Winkel von 0° auf knapp unter 90°.
  6. Da der Einfallswinkel erhöht wird, wird man feststellen, dass der gebrochene Lichtstrahl nicht mehr in der Hälfte des Behälters mit Luft zu sehen. Drehen Sie langsam die Lichtquelle über dem Tank erreicht der Punkt, an dem der Lichtstrahl zunächst aus der Luft verschwindet. Dies ist der Grenzwinkel für Totalreflexion.
  7. Wenn die Lichtquelle weiter gedreht wird, ist darauf hinzuweisen, dass der Strahl wieder ins Wasser widerspiegelt.
  8. Die Lichtquelle zu bewegen, so dass der Strahl die Hälfte des Tanks gefüllt mit Luft zuerst vor Reisen ins Wasser Eintritt. Nehmen Sie ein paar Winkel der Inzidenz und Brechung unter dieser Bedingung. Beachten Sie, dass zuvor der Einfallswinkel der Winkel war an dem das Licht durch das Wasser gereist. Da das Licht nun durch die Luft geht erstens neue Einfallswinkel ist der Winkel, in dem sie durch die Luft reist, und der neue Winkel der Brechung ist der Winkel, in dem sie durch das Wasser reist.
  9. Beachten Sie, dass interne Totalreflexion nicht in dieser Konfiguration auftritt. Totalreflexion tritt nur auf, wenn Licht von einem Medium mit einem hohen Brechungsindex auf ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex geht.

2. Messen Sie die Brennweite eines Objektivs und erstellen Sie reale und virtuelle Bilder eines Objekts zu.

  1. Erhalten Sie eine konvexe Linse, eine konkave Linse, ein weißes Blatt Papier, ein Lineal und ein kleines unverwechselbaren Objekt. Es hilft auch, eine optische Bank mit Halterungen für die Objektive und Objekt sowie eine Vorrichtung, das Blatt Papier senkrecht zu halten haben.
  2. Legen Sie die konvexe Linse zwischen dem Objekt und das Stück Papier, alle in einer Linie und auf gleicher Höhe.
  3. Verschieben Sie das Objekt und Papier herum bis ein scharfes Bild des Objekts auf dem Papier erscheint. Das Bild auf dem Papier ist ein reelles Bild.
  4. Messen Sie den Abstand von der Linse zum Objekt und die Entfernung von der Linse auf das Papier. Verwenden Sie die dünne Linse-Gleichung um zu bestimmen, die Brennweite des Objektivs.
  5. Legen Sie das Papier beiseite und verschieben Sie das Objekt näher an der Linse, bis der Abstand zwischen Objektiv und Objekt kleiner als die Brennweite des Objektivs ist.
  6. Schauen Sie durch das Objektiv: eine vergrößerte Version des Objekts sollte gesehen werden. Dieses Bild ist ein virtuelles Bild.
  7. Ersetzen Sie die konvexe Linse durch die konkave Linse. Schauen Sie durch die konkave Linse: jetzt eine demagnified Version des Objekts angezeigt wird. Dies ist auch ein virtuelles Bild.

Licht reflektiert und bewegt sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Richtung, oder bricht, je nach Material, durch das es propagiert wird, verursacht viele interessante optische Phänomene.

Trifft ein Lichtstrahl die Oberfläche von Glas-Block, ändert ein Teil davon Richtung an der Schnittstelle in das Medium zurück, von dem sie stammen; Dies spiegelt. Und der Rest des Lichts ändert seine Richtung an der Schnittstelle und reist durch die Riegel aus Glas, Energie und Impuls zu sparen; Dies ist Brechung.

Linsen in optischen Systemen wie Mikroskope gefunden der Reflexion und Refraktion verwenden, um Bilder zu erstellen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann.

Hier besprechen wir zunächst die Prinzipien und Parameter der Reflexion und Refraktion. Dann zeigen wir diese Phänomene in einem System, wo Luft und Wasser die beiden Medien sind. Als nächstes untersuchen wir die Möglichkeiten, in denen Objektive Bilder, gefolgt von ein paar Anwendungen im Bereich der Optik zu erstellen.

Um die Prinzipien und Parameter der Reflexion und Lichtbrechung zu verstehen, lassen Sie uns wählen Sie zwei Medien - Wasser und Luft.

Der erste wichtige Parameter zu beachten ist 'Brechungsindex", ' n ' - ein Merkmal des Mediums durch das Licht reist. Es ist definiert als das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit von Licht im Vakuum, "C", um die Lichtgeschwindigkeit im Medium, 'V'. Da die n der Luft geringer als Wasser ist, reist Licht langsamer durch Wasser im Vergleich zu Luft.

Lassen Sie uns jetzt nehmen Sie an, dass die zwei Medien, Wasser und Luft, entlang einer Schnittstelle miteinander in Kontakt sind.

Jetzt wenn Licht Reisen aus Wasser, Luft und Hits, die die Schnittstelle, einige davon reflektiert wird an der Schnittstelle, und die verbleibenden ist gebrochen oder verbogen durch einen Winkel, der die Brechungsindizes der beiden Medien abhängt. Reflexion und Refraktion sind auch ein anderer Parameter - Einfallswinkel oder θi abhängig.

Dies ist der Winkel zwischen das einfallende Licht und der normalen, die Luft-Wasser-Grenzfläche im Inneren das erste Medium, Wasser. Der "Winkel der Reflexion" wird zwischen das reflektierte Licht und der gleichen normalen innen das erste Medium, Wasser, gemessen und ist der Einfallswinkel gleich. Während der 'Winkel der Brechung' oder θr der Winkel zwischen das gebrochene Licht und die normale Luft-Wasser-Schnittstelle in das zweite Medium Luft ist.

Der Winkel der Brechung ist somit abhängig vom Einfallswinkel und der Brechungsindizes der beiden Medien. Die Brechung oder Snell Gesetz stellt eine Beziehung zwischen all diese Parameter.

Nun, wenn der Einfallswinkel langsam erhöht wird, an einer Stelle scheint das Licht entlang der Grenzfläche Wasser-Luft, und der Winkel der Brechung wird gleich 90 Grad. Diesem Einfallswinkel ist der "Grenzwinkel" genannt. Beachten Sie, dass es nur passieren kann, wenn der Brechungsindex des Mediums erste größer ist als der zweite.

Unter diesem gleichen Zustand wenn der Einfallswinkel gesteigert wird dann der Lichtstrahl so scharf gebrochen, dass es eigentlich komplett zurück in das erste Medium reflektiert das Licht stammt. Dieses Phänomen nennt man Totalreflexion.

Nach der Überprüfung der Parameter, die Reflexion und Refraktion beeinflussen, mal sehen, wie ein Experiment in einem Physiklabor durchführen, die diesen Grundsätzen überprüft. Sammeln Sie alle notwendigen Materialien und Ausrüstung, einschließlich einen spezialisierten Brechung Tank mit einem Lichtstrahl.

Füllen Sie eine Hälfte des Brechung Tanks mit Wasser. Schalten Sie den Lichtstrahl und lenken Sie den Strahl in die Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt.

Mit einem Winkelmesser, der Einfallswinkel des Lichtstrahls messen oder der Winkel gemessen im Wasser zwischen den Lichtstrahl und die normale Luft-Wasser-Grenzfläche. Auch messen Sie der Winkel der Brechung oder der Winkel gemessen in Luft zwischen den Lichtstrahl und die normale Luft-Wasser-Grenzfläche

Jetzt, mit zunehmender der Einfallswinkel ist einen Punkt erreicht, an dem der Lichtstrahl entlang der Luft-Wasser-Grenzfläche wird angezeigt. Notieren Sie sich diese Einfallswinkel, wie es der Grenzwinkel für Totalreflexion.

Weiter zu den Einfallswinkel zu erhöhen, durch Drehen gegen den Uhrzeigersinn Lichtquelle. Der gebrochene Strahl wird nun vollständig ins Wasser demonstrieren Totalreflexion reflektiert.

Anschließend verschieben Sie die Lichtquelle, sodass der Strahl die Luft-Hälfte des Tanks zuerst betritt vor der Reise ins Wasser. Wiederholen Sie das Protokoll für den neuen Pfad der Lichtstrahl für verschiedene Winkel der Inzidenz und zeichnen Sie der entsprechenden Winkel der Brechung auf.

Jetzt reden wir über Objektive, die Reflexion und Brechung des Lichts erstelle echte und virtuelle Bilder von Objekten nutzen. Alle Objektive haben ob konvex oder konkav, eine Brennweite "f", die die Entfernung von der Linse ist an dem Lichtstrahlen aus unendlich weit weg nach dem Durchgang durch das Objektiv fokussiert werden. Für konvexe Linsen f ist positiv und für konkave Linsen f negativ.

Wenn ein Objekt vor dem Objektiv platziert ist, wird ein Bild erstellt. "Dünne Linse Gleichung", stellt eine mathematische Beziehung zwischen der Brennweite 'f', der Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv ' o ', und der Abstand zwischen der Linse und das Bild 'ich'.

Es ist diese mathematischen Bild-Abstand "i", die uns mitteilt, ob ein Bild von der Linse gebildet real oder virtuell ist. Wenn die mathematisch berechnete 'i' positiv ist dann das Bild gebildet wird real sein, und wenn es negativ ist das Bild werden virtuelle.

Für eine konvexe Linse wenn die Objektentfernung ' o' ist größer als die Brennweite 'f', die mathematisch berechnete Bild Abstand 'ich' wird positiv sein und ein reelles Bild entsteht. Dies ist aufgrund der physikalischen Konvergenz der Lichtstrahlen, die aus dem Objekt, wie das Bild von einer Kamera oder einem Mikroskop erfasst stammen.

Jedoch, wenn die Objektentfernung ' o' ist kleiner als die Brennweite 'f', die mathematisch berechnete Bild-Abstand "i" ist negativ und ein virtuelles Abbild entsteht. Und zwar deshalb, weil die Lichtstrahlen scheinen konvergieren, aber tatsächlich physisch voneinander abweichen, und unsere Augen ein Ausgangspunkt für sie konstruieren. Dies ist im Falle einer Lupe beobachten, wo ein vergrößertes virtuelles Bild entsteht.

Für konkave Linsen die Lichtstrahlen, die von dem Objekt kommen durch das Objektiv passieren und immer auseinander. So die berechneten 'ich' ist immer negativ und das erstellte Bild wird immer virtueller.

In diesem Abschnitt werden wir die Bildung von realen und virtuellen Bilder mit einfachen konvexen und konkaven Linsen überprüfen. Sammle die notwendigen Baumaterialien, nämlich einer konvexen Linse, eine konkave Linse, ein weißes Blatt Papier, ein kleines unverwechselbares Objekt und eine Klammer um das Papier senkrecht halten

Legen Sie zunächst, die konvexe Linse zwischen dem Objekt und das Stück Papier. Stellen Sie sicher, dass sie alle in Linie und auf gleicher Höhe sind.

Verschieben Sie das Objekt und Papier herum bis ein scharfes Bild des Objekts auf dem Papier erscheint. Dieses Bild auf dem Papier zu sehen ist ein reelles Bild, wie es auf einem Bildschirm erfasst werden kann.

Nun messen Sie den Abstand von der Linse zum Objekt und von der Linse auf das Papier. Verwenden Sie die dünne Linse-Gleichung um zu bestimmen, die Brennweite des Objektivs.

Als nächstes legen Sie das Papier beiseite und verschieben Sie das Objekt näher an der Linse, bis der Abstand zwischen der Linse und das Objekt kleiner als die Brennweite des Objektivs ist. Durch das Objektiv schauen Sie und beobachten Sie das Bild.

Ersetzen Sie die konvexe Linse mit einer konkaven Linse. Durch die konkave Linse schauen Sie und beobachten Sie die demagnified virtuelles Bild.

Nun, da wir das experimentelle Protokoll abgeschlossen haben, betrachten wir die gewonnenen Daten zu analysieren. Im ersten Experiment haben wir vom Einfallswinkel und der Winkel der Brechung an der Luft-Wasser-Grenzfläche gemessen.

Durch die Verwendung der Snell-Gesetz und ersetzen die Werte für diese Winkel in die Gleichung, zusammen mit der Brechungsindex der Luft, berechnen wir den Brechungsindex des Wassers, die herauskommt, 1,33 sein.

Diese Berechnung kann dann für die verschiedenen Vorfall und Brechung Winkel wiederholt werden. Der Durchschnitt der berechneten Brechungsindizes wird eine genauere Messung des Brechungsindex von Wasser bieten.

Wir können auch der Grenzwinkel für Totalreflexion mit Snell Gesetz berechnen. Dies ist der Einfallswinkel, bei der Brechung Winkel 90 Grad entspricht. Ordnen Sie diese Gleichung für kritischen Winkel zu lösen.

Mit dem zuvor berechneten Durchschnitt für den Brechungsindex des Wassers, Snell Gesetz sagt voraus, dass der Grenzwinkel der Inzidenz 48,8 Grad ist. Dies ist sehr nah an der Winkel gemessen experimentell überprüfen so Snell Gesetz.

Wenn der Lichtstrahl von Luft zu Wasser projiziert wird, tritt Totalreflexion nicht auch im Winkel größer als 48,8 Grad, wie Licht von einem Medium der niedrigeren Index zu höheren jetzt unterwegs ist.

Im Experiment mit den Linsen die dünne Linse Gleichung zeigt, dass für ein Objektabstand von 11,02 Zentimeter von der Linse und ein Bild-Abstand von ca. 9,21 Zentimetern, die Brennweite des Objektivs ist ca. 5,02 Zentimeter.

In dem Fall, wo das Objekt wird durch eine konvexe Linse, in einem Abstand von weniger als seine Brennweite beobachtet, wird eine vergrößerte Version des Objekts beobachtet. Dies ist ein virtuelles Bild, wie dieses Bild auf einem Bildschirm kann nicht erfasst werden. Ebenso wird bei der Verwendung der konkaven Linse ein demagnified virtuelles Abbild des Objekts beobachtet.

Optik, insbesondere optische Linsen wird in allen Lebensbereichen von Fotografie zu medizinischer Bildgebung für das menschliche Auge verwendet.

Optische Fasern sind für die Datenübertragung in vielen heutigen Anwendungen wie Übertragung von Telefonsignalen verwendet. Diese Fasern bestehen aus einem Kern, Verkleidung, und eine äußere Schutzschicht oder Puffer und anderen Stärken lagen.

Die Verkleidung führt die Daten in Form von Lichtimpulsen entlang der Kern mit der Methode der Totalreflexion. Diese Eigenschaft der Datenübertragung ermöglicht Faser optische Kameras von Ärzten verwendet, auf engstem Raum im menschlichen Körper anzeigen.

Mikroskopie ist das Gebiet der Mikroskopie Objekte anzeigen, die für das bloße Auge nicht sichtbar sind. Optische oder Licht Mikroskopie geht vorbei an sichtbarem Licht, das durch gebrochen oder von der Probe durch eine einzelne oder mehrere Objektive erlauben eine vergrößerte Darstellung der Probe reflektiert. Das resultierende Bild kann direkt durch das Auge erkannt oder digital erfasst werden.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Reflexion und Refraktion beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Prinzipien der Brechung, Snell Gesetz und Totalreflexion und auch die Theorie hinter Linsen und wie sie Bilder erstellen. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

Results

Snell Gesetz bestimmt den Winkel, bei dem Licht, beim Überschreiten der Grenze zwischen zwei Medien gebogen wird. Die gemessenen Vorfall und gebrochenen Winkel an der Wasser-Luft-Schnittstelle sind in Tabelle 1angegeben. Unten ist eine Beispielrechnung geben dem Brechungsindex für Wasser mit Snell Gesetz für einen Einfallswinkel gleich 30,1 ° gezeigt das Lämpchen aus dem Wasser in die Luft:

Equation 4

Equation 5

Equation 6

Equation 71.33


Die Berechnung kann für die verschiedenen Blickwinkel in Tabelle 1wiederholt werden, und der Mittelwert der Messungen bieten eine noch bessere Messung von dem Brechungsindex als jede der einzelnen Messungen zur Verfügung stellt.


Tabelle 1: Ergebnisse.

Schnittstelle ӨIch Өr nWasser
Luft-Wasser 10.0 13.5 1.34
Luft-Wasser 19,8 26.6 1.32
Luft-Wasser 30.1 41,9 1.33
Luft Wasser 20.1 15.1 1.32
Luft Wasser 44,9 32,0 1.33
Luft Wasser 75,2 46.7 1.33

Der Grenzwinkel für Totalreflexion tritt auf, wenn der Brechung Winkel 90° entspricht. Für die Luft-Wasser-Schnittstelle prognostiziert Snell Gesetz, dass der Grenzwinkel der Inzidenz 48,8 ° ist.

Es lohnt sich, beachten, dass der gebrochene Strahl noch konnte in einem Winkel größer als 48,8 ° beobachtet werden bei der Betrachtung der Schnittstelle zu dem des Lichtstrahls aus der Luft ins Wasser ging. Es ist nur an der Grenze, bei der der Strahl aus dem Wasser in die Luft ging, dass der Strahl intern in einem Winkel größer als 48,8 ° widerspiegelte. Totalreflexion kann nur auftreten, wenn Licht von einem Medium mit einem hohen Brechungsindex auf ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex geht.

Für das Objektiv Teil des Experiments, wenn das Objekt, um über o eingefügt wurde = 11,02 cm, das Bild kam in den Mittelpunkt ca. 9,21 cm. Die dünne Linse Gleichung dann offenbart die Brennweite der Sammellinse ca. 5,02 cm sein.

Applications and Summary

Dieses Labor untersucht die Physik der Lichtbrechung und Linsen. Snell Gesetz wurde verwendet, um den Brechungsindex für Wasser mit Hilfe von Messungen der Vorfall und gebrochenen Winkel zu messen. Das Phänomen der Totalreflexion an der Wasser-Luft-Schnittstelle wurde auch beobachtet. Es zeigte sich, dass konkave Linsen Licht zu konzentrieren und auch, virtuelle Bilder erstellen, so dass sie als Vergrößerung Geräte dienen können.

Das menschliche Auge sieht durch die Fokussierung von Licht auf die Netzhaut, und schlechter Sicht kann entstehen, wenn das Licht konzentriert sich vor oder hinter der Netzhaut. Brille helfen, um schlechten Sicht durch richtig Neuausrichtung das Licht auf die Netzhaut zu korrigieren. Kameras verwenden Sie ein Objektiv zu konzentrieren auf einem Sensor Licht genauso wie Augen Licht auf die Netzhaut zu fokussieren. Lupen sind einfach konvexen Linsen, die erweiterten, erstellen virtuelle Bilder von Objekten. Optische Mikroskope verwenden mehrere Objektive, um kleine Objekte, wie Zellen immens zu vergrößern. Ebenso gibt es eine Art von Teleskop genannt ein Refraktor, die Linsen verwendet, um das Licht von Sternen, Galaxien und andere astrophysikalische Objekte zu erfassen. Totalreflexion wird am häufigsten in Form von optischen Fasern verwendet, die für die Datenübertragung sowie Fiberskope verwendet werden.

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1. bestimmen Sie den Brechungsindex des Wassers mit Snell Gesetz (Gesetz der Lichtbrechung) und finden Sie der Grenzwinkel für Totalreflexion zu.

  1. Erhalten Sie einen spezialisierte Brechung Tank mit einer Lichtquelle.
  2. Die Brechung Tank mit Wasser füllen und die Lichtquelle einschalten. Leiten Sie den Lichtstrahl von der Lichtquelle in der Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt. Es möglicherweise notwendig, das Licht in den Raum zu verdunkeln.
  3. Verwenden Sie Winkelmesser auf die Brechung Tank zur Messung des Strahls Einfallswinkel (der Winkel gemessen in der Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt) und Winkel der Brechung (der Winkel gemessen in der Hälfte des mit Luft gefüllten Tanks) für die Luft-Wasser-Schnittstelle in den Tank.
  4. Verwenden Sie die gemessenen Winkel und dem Brechungsindex für Luft (nLuft = 1.00) zur Berechnung der Brechungsindex für Wasser.
  5. Wiederholen Sie die vorherigen Schritte für ein paar einfallende Winkel von 0° auf knapp unter 90°.
  6. Da der Einfallswinkel erhöht wird, wird man feststellen, dass der gebrochene Lichtstrahl nicht mehr in der Hälfte des Behälters mit Luft zu sehen. Drehen Sie langsam die Lichtquelle über dem Tank erreicht der Punkt, an dem der Lichtstrahl zunächst aus der Luft verschwindet. Dies ist der Grenzwinkel für Totalreflexion.
  7. Wenn die Lichtquelle weiter gedreht wird, ist darauf hinzuweisen, dass der Strahl wieder ins Wasser widerspiegelt.
  8. Die Lichtquelle zu bewegen, so dass der Strahl die Hälfte des Tanks gefüllt mit Luft zuerst vor Reisen ins Wasser Eintritt. Nehmen Sie ein paar Winkel der Inzidenz und Brechung unter dieser Bedingung. Beachten Sie, dass zuvor der Einfallswinkel der Winkel war an dem das Licht durch das Wasser gereist. Da das Licht nun durch die Luft geht erstens neue Einfallswinkel ist der Winkel, in dem sie durch die Luft reist, und der neue Winkel der Brechung ist der Winkel, in dem sie durch das Wasser reist.
  9. Beachten Sie, dass interne Totalreflexion nicht in dieser Konfiguration auftritt. Totalreflexion tritt nur auf, wenn Licht von einem Medium mit einem hohen Brechungsindex auf ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex geht.

2. Messen Sie die Brennweite eines Objektivs und erstellen Sie reale und virtuelle Bilder eines Objekts zu.

  1. Erhalten Sie eine konvexe Linse, eine konkave Linse, ein weißes Blatt Papier, ein Lineal und ein kleines unverwechselbaren Objekt. Es hilft auch, eine optische Bank mit Halterungen für die Objektive und Objekt sowie eine Vorrichtung, das Blatt Papier senkrecht zu halten haben.
  2. Legen Sie die konvexe Linse zwischen dem Objekt und das Stück Papier, alle in einer Linie und auf gleicher Höhe.
  3. Verschieben Sie das Objekt und Papier herum bis ein scharfes Bild des Objekts auf dem Papier erscheint. Das Bild auf dem Papier ist ein reelles Bild.
  4. Messen Sie den Abstand von der Linse zum Objekt und die Entfernung von der Linse auf das Papier. Verwenden Sie die dünne Linse-Gleichung um zu bestimmen, die Brennweite des Objektivs.
  5. Legen Sie das Papier beiseite und verschieben Sie das Objekt näher an der Linse, bis der Abstand zwischen Objektiv und Objekt kleiner als die Brennweite des Objektivs ist.
  6. Schauen Sie durch das Objektiv: eine vergrößerte Version des Objekts sollte gesehen werden. Dieses Bild ist ein virtuelles Bild.
  7. Ersetzen Sie die konvexe Linse durch die konkave Linse. Schauen Sie durch die konkave Linse: jetzt eine demagnified Version des Objekts angezeigt wird. Dies ist auch ein virtuelles Bild.

Licht reflektiert und bewegt sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Richtung, oder bricht, je nach Material, durch das es propagiert wird, verursacht viele interessante optische Phänomene.

Trifft ein Lichtstrahl die Oberfläche von Glas-Block, ändert ein Teil davon Richtung an der Schnittstelle in das Medium zurück, von dem sie stammen; Dies spiegelt. Und der Rest des Lichts ändert seine Richtung an der Schnittstelle und reist durch die Riegel aus Glas, Energie und Impuls zu sparen; Dies ist Brechung.

Linsen in optischen Systemen wie Mikroskope gefunden der Reflexion und Refraktion verwenden, um Bilder zu erstellen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann.

Hier besprechen wir zunächst die Prinzipien und Parameter der Reflexion und Refraktion. Dann zeigen wir diese Phänomene in einem System, wo Luft und Wasser die beiden Medien sind. Als nächstes untersuchen wir die Möglichkeiten, in denen Objektive Bilder, gefolgt von ein paar Anwendungen im Bereich der Optik zu erstellen.

Um die Prinzipien und Parameter der Reflexion und Lichtbrechung zu verstehen, lassen Sie uns wählen Sie zwei Medien - Wasser und Luft.

Der erste wichtige Parameter zu beachten ist 'Brechungsindex", ' n ' - ein Merkmal des Mediums durch das Licht reist. Es ist definiert als das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit von Licht im Vakuum, "C", um die Lichtgeschwindigkeit im Medium, 'V'. Da die n der Luft geringer als Wasser ist, reist Licht langsamer durch Wasser im Vergleich zu Luft.

Lassen Sie uns jetzt nehmen Sie an, dass die zwei Medien, Wasser und Luft, entlang einer Schnittstelle miteinander in Kontakt sind.

Jetzt wenn Licht Reisen aus Wasser, Luft und Hits, die die Schnittstelle, einige davon reflektiert wird an der Schnittstelle, und die verbleibenden ist gebrochen oder verbogen durch einen Winkel, der die Brechungsindizes der beiden Medien abhängt. Reflexion und Refraktion sind auch ein anderer Parameter - Einfallswinkel oder θi abhängig.

Dies ist der Winkel zwischen das einfallende Licht und der normalen, die Luft-Wasser-Grenzfläche im Inneren das erste Medium, Wasser. Der "Winkel der Reflexion" wird zwischen das reflektierte Licht und der gleichen normalen innen das erste Medium, Wasser, gemessen und ist der Einfallswinkel gleich. Während der 'Winkel der Brechung' oder θr der Winkel zwischen das gebrochene Licht und die normale Luft-Wasser-Schnittstelle in das zweite Medium Luft ist.

Der Winkel der Brechung ist somit abhängig vom Einfallswinkel und der Brechungsindizes der beiden Medien. Die Brechung oder Snell Gesetz stellt eine Beziehung zwischen all diese Parameter.

Nun, wenn der Einfallswinkel langsam erhöht wird, an einer Stelle scheint das Licht entlang der Grenzfläche Wasser-Luft, und der Winkel der Brechung wird gleich 90 Grad. Diesem Einfallswinkel ist der "Grenzwinkel" genannt. Beachten Sie, dass es nur passieren kann, wenn der Brechungsindex des Mediums erste größer ist als der zweite.

Unter diesem gleichen Zustand wenn der Einfallswinkel gesteigert wird dann der Lichtstrahl so scharf gebrochen, dass es eigentlich komplett zurück in das erste Medium reflektiert das Licht stammt. Dieses Phänomen nennt man Totalreflexion.

Nach der Überprüfung der Parameter, die Reflexion und Refraktion beeinflussen, mal sehen, wie ein Experiment in einem Physiklabor durchführen, die diesen Grundsätzen überprüft. Sammeln Sie alle notwendigen Materialien und Ausrüstung, einschließlich einen spezialisierten Brechung Tank mit einem Lichtstrahl.

Füllen Sie eine Hälfte des Brechung Tanks mit Wasser. Schalten Sie den Lichtstrahl und lenken Sie den Strahl in die Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt.

Mit einem Winkelmesser, der Einfallswinkel des Lichtstrahls messen oder der Winkel gemessen im Wasser zwischen den Lichtstrahl und die normale Luft-Wasser-Grenzfläche. Auch messen Sie der Winkel der Brechung oder der Winkel gemessen in Luft zwischen den Lichtstrahl und die normale Luft-Wasser-Grenzfläche

Jetzt, mit zunehmender der Einfallswinkel ist einen Punkt erreicht, an dem der Lichtstrahl entlang der Luft-Wasser-Grenzfläche wird angezeigt. Notieren Sie sich diese Einfallswinkel, wie es der Grenzwinkel für Totalreflexion.

Weiter zu den Einfallswinkel zu erhöhen, durch Drehen gegen den Uhrzeigersinn Lichtquelle. Der gebrochene Strahl wird nun vollständig ins Wasser demonstrieren Totalreflexion reflektiert.

Anschließend verschieben Sie die Lichtquelle, sodass der Strahl die Luft-Hälfte des Tanks zuerst betritt vor der Reise ins Wasser. Wiederholen Sie das Protokoll für den neuen Pfad der Lichtstrahl für verschiedene Winkel der Inzidenz und zeichnen Sie der entsprechenden Winkel der Brechung auf.

Jetzt reden wir über Objektive, die Reflexion und Brechung des Lichts erstelle echte und virtuelle Bilder von Objekten nutzen. Alle Objektive haben ob konvex oder konkav, eine Brennweite "f", die die Entfernung von der Linse ist an dem Lichtstrahlen aus unendlich weit weg nach dem Durchgang durch das Objektiv fokussiert werden. Für konvexe Linsen f ist positiv und für konkave Linsen f negativ.

Wenn ein Objekt vor dem Objektiv platziert ist, wird ein Bild erstellt. "Dünne Linse Gleichung", stellt eine mathematische Beziehung zwischen der Brennweite 'f', der Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv ' o ', und der Abstand zwischen der Linse und das Bild 'ich'.

Es ist diese mathematischen Bild-Abstand "i", die uns mitteilt, ob ein Bild von der Linse gebildet real oder virtuell ist. Wenn die mathematisch berechnete 'i' positiv ist dann das Bild gebildet wird real sein, und wenn es negativ ist das Bild werden virtuelle.

Für eine konvexe Linse wenn die Objektentfernung ' o' ist größer als die Brennweite 'f', die mathematisch berechnete Bild Abstand 'ich' wird positiv sein und ein reelles Bild entsteht. Dies ist aufgrund der physikalischen Konvergenz der Lichtstrahlen, die aus dem Objekt, wie das Bild von einer Kamera oder einem Mikroskop erfasst stammen.

Jedoch, wenn die Objektentfernung ' o' ist kleiner als die Brennweite 'f', die mathematisch berechnete Bild-Abstand "i" ist negativ und ein virtuelles Abbild entsteht. Und zwar deshalb, weil die Lichtstrahlen scheinen konvergieren, aber tatsächlich physisch voneinander abweichen, und unsere Augen ein Ausgangspunkt für sie konstruieren. Dies ist im Falle einer Lupe beobachten, wo ein vergrößertes virtuelles Bild entsteht.

Für konkave Linsen die Lichtstrahlen, die von dem Objekt kommen durch das Objektiv passieren und immer auseinander. So die berechneten 'ich' ist immer negativ und das erstellte Bild wird immer virtueller.

In diesem Abschnitt werden wir die Bildung von realen und virtuellen Bilder mit einfachen konvexen und konkaven Linsen überprüfen. Sammle die notwendigen Baumaterialien, nämlich einer konvexen Linse, eine konkave Linse, ein weißes Blatt Papier, ein kleines unverwechselbares Objekt und eine Klammer um das Papier senkrecht halten

Legen Sie zunächst, die konvexe Linse zwischen dem Objekt und das Stück Papier. Stellen Sie sicher, dass sie alle in Linie und auf gleicher Höhe sind.

Verschieben Sie das Objekt und Papier herum bis ein scharfes Bild des Objekts auf dem Papier erscheint. Dieses Bild auf dem Papier zu sehen ist ein reelles Bild, wie es auf einem Bildschirm erfasst werden kann.

Nun messen Sie den Abstand von der Linse zum Objekt und von der Linse auf das Papier. Verwenden Sie die dünne Linse-Gleichung um zu bestimmen, die Brennweite des Objektivs.

Als nächstes legen Sie das Papier beiseite und verschieben Sie das Objekt näher an der Linse, bis der Abstand zwischen der Linse und das Objekt kleiner als die Brennweite des Objektivs ist. Durch das Objektiv schauen Sie und beobachten Sie das Bild.

Ersetzen Sie die konvexe Linse mit einer konkaven Linse. Durch die konkave Linse schauen Sie und beobachten Sie die demagnified virtuelles Bild.

Nun, da wir das experimentelle Protokoll abgeschlossen haben, betrachten wir die gewonnenen Daten zu analysieren. Im ersten Experiment haben wir vom Einfallswinkel und der Winkel der Brechung an der Luft-Wasser-Grenzfläche gemessen.

Durch die Verwendung der Snell-Gesetz und ersetzen die Werte für diese Winkel in die Gleichung, zusammen mit der Brechungsindex der Luft, berechnen wir den Brechungsindex des Wassers, die herauskommt, 1,33 sein.

Diese Berechnung kann dann für die verschiedenen Vorfall und Brechung Winkel wiederholt werden. Der Durchschnitt der berechneten Brechungsindizes wird eine genauere Messung des Brechungsindex von Wasser bieten.

Wir können auch der Grenzwinkel für Totalreflexion mit Snell Gesetz berechnen. Dies ist der Einfallswinkel, bei der Brechung Winkel 90 Grad entspricht. Ordnen Sie diese Gleichung für kritischen Winkel zu lösen.

Mit dem zuvor berechneten Durchschnitt für den Brechungsindex des Wassers, Snell Gesetz sagt voraus, dass der Grenzwinkel der Inzidenz 48,8 Grad ist. Dies ist sehr nah an der Winkel gemessen experimentell überprüfen so Snell Gesetz.

Wenn der Lichtstrahl von Luft zu Wasser projiziert wird, tritt Totalreflexion nicht auch im Winkel größer als 48,8 Grad, wie Licht von einem Medium der niedrigeren Index zu höheren jetzt unterwegs ist.

Im Experiment mit den Linsen die dünne Linse Gleichung zeigt, dass für ein Objektabstand von 11,02 Zentimeter von der Linse und ein Bild-Abstand von ca. 9,21 Zentimetern, die Brennweite des Objektivs ist ca. 5,02 Zentimeter.

In dem Fall, wo das Objekt wird durch eine konvexe Linse, in einem Abstand von weniger als seine Brennweite beobachtet, wird eine vergrößerte Version des Objekts beobachtet. Dies ist ein virtuelles Bild, wie dieses Bild auf einem Bildschirm kann nicht erfasst werden. Ebenso wird bei der Verwendung der konkaven Linse ein demagnified virtuelles Abbild des Objekts beobachtet.

Optik, insbesondere optische Linsen wird in allen Lebensbereichen von Fotografie zu medizinischer Bildgebung für das menschliche Auge verwendet.

Optische Fasern sind für die Datenübertragung in vielen heutigen Anwendungen wie Übertragung von Telefonsignalen verwendet. Diese Fasern bestehen aus einem Kern, Verkleidung, und eine äußere Schutzschicht oder Puffer und anderen Stärken lagen.

Die Verkleidung führt die Daten in Form von Lichtimpulsen entlang der Kern mit der Methode der Totalreflexion. Diese Eigenschaft der Datenübertragung ermöglicht Faser optische Kameras von Ärzten verwendet, auf engstem Raum im menschlichen Körper anzeigen.

Mikroskopie ist das Gebiet der Mikroskopie Objekte anzeigen, die für das bloße Auge nicht sichtbar sind. Optische oder Licht Mikroskopie geht vorbei an sichtbarem Licht, das durch gebrochen oder von der Probe durch eine einzelne oder mehrere Objektive erlauben eine vergrößerte Darstellung der Probe reflektiert. Das resultierende Bild kann direkt durch das Auge erkannt oder digital erfasst werden.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Reflexion und Refraktion beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Prinzipien der Brechung, Snell Gesetz und Totalreflexion und auch die Theorie hinter Linsen und wie sie Bilder erstellen. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

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