Overview
ソース:デレク ・ ウィルソン、 Asantha Cooray、PhD、物理教室 & 天文学、物理的な科学の学校、カリフォルニア大学、アーバイン、カリフォルニア州
光は伝達、素材に応じて異なる速度で進みます。光は 1 つの材料から移動、減速するか、または、スピードアップします。エネルギーと運動量、光を節約するためにそれを伝達する方向を変更しなければなりません。この、光の曲がりは、屈折率と呼ばれます。光の一部は、2 つの材料間のインターフェイスにも反映されます。特別な場合は、光ビームを屈折させるので、大幅に界面が実際に完全にそれが来ていた中に反映されています。
レンズは、屈折の原理を利用します。レンズは、曲率の異なる 2 品種: 凸レンズと凹レンズ。凸レンズはフォーカス ライト頻繁に使用されるが、拡大画像オブジェクトの作成にも使用できます。とき凸レンズにより光線に亀裂が生じ、人間の目の裁判官オブジェクトから来て、光の光の発信元となる実際のオブジェクトの背後にあるいくつかのポイントから来るように。オブジェクトのイメージは拡大この場合。このタイプのイメージは、仮想イメージと呼ばれます。凹レンズには、イメージを demagnified、しかし光線発散し、仮想イメージを作成もあります。
このラボは、屈折の基本法をデモンストレーションし、レンズが画像を作成する方法を調べます。
Principles
光当たると 2 つの材料間のインターフェイス、それは 2 つの材料の組成に依存するいくつかの角度で曲がっています。光に変更、伝達速度の境界で同様に変更する伝播の方向の原因。各メディアには、「屈折」真空中の光の速度と、媒質中の光の速度の比と定義されている特徴があります。
場所nは無次元の屈折、 cはメートル毎秒 (m/s) の真空中の光の速度、 vはメートル毎秒 (m/s) の媒質中の光の速度。光は、高屈折率によって媒体より迅速に低屈折率によって媒体でもっとゆっくり進みます。
指定された角度の入射、ө は私の (角度の光が 2 つのメディア間の境界に当たる)、өr、光ビームが屈折する角度は、-pi/2 屈折法ではより一般的にスネルの法則として知られてを。
ө は私と өrが度あり、 n1 とn2 が、最初と最後の材料の無次元屈折光の旅です。屈折角度が屈折した光の波が 2 番目の中で旅行が方向を指定します (図 1参照)。入射光の一部が入射角度に等しい角度で最初の中にも反映されます。
興味深い現象は、高屈折材料から下位のインデックスを持つものになると光を発生します。重要な入射角、屈折角が 90 ° になるがあります。光が臨界角で境界に当たる場合、屈折のビームが、メディアとの間の境界に沿って旅行高屈折素材にいくつかの光が反映されます (図 2参照)。光は、この臨界角よりも大きな角度で境界を打つ場合、は、全内部反射と呼ばれるイベントで高屈折率の材料に完全に反映されます。
図 1:2 メディアにより反射した光線と屈折光線間の境界に入射光線。
図 2:内部反射と n の合計2 > n1。ブルーレイは、臨界角で入射し、界面に沿う旅行屈折光線と反射光線の結果します。赤い線が臨界角より大きい角度で入射と完全に内部で反射した光線に 。
レンズは、本当を作成する屈折の利点と物体の仮想画像を取る。実際の画像は、オブジェクトから来た光の物理的な収束によって形成されるイメージです。収束する光線が表示されるときに仮想イメージは形成される実際に物理的に収束します。私たちの目は分岐光線の起源のポイントを構築し、起源のこのポイントは、仮想イメージのソースとして光線は実際にこの時点で収束しないにもかかわらず。凸レンズによって形成される映りの例を図 3に示します。レンズは、レンズからの距離を「焦点距離」と呼ばれる特徴的な長さを持っている光線で元無限に遠くに注目されるレンズを通過した後。オブジェクトとレンズの間の距離がレンズの焦点距離を考えると、薄いレンズの同等化に従ってイメージの場所を決定します。
Fがあるメートル (m)、 oでレンズの焦点距離はレンズとメートル (m)、内のオブジェクト間の距離で、メートル (m) におけるイメージとレンズの間の距離です。オブジェクトの距離は正の数量をする場合は、イメージの距離が正の場合画像リアルされ、オブジェクトの反対側に配置されます。像距離が負の場合、イメージは仮想、拡大、およびオブジェクトとしてレンズの同じ側に位置してなります。
図 3:現実と虚像を作り出す凸レンズ。実画像のフォームは真の収束光線の。仮想イメージは、分岐光線から私たちの目を構築されています。
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Procedure
スネルの法則 (屈折法) を用いた水の屈折指数を決定して全反射の臨界角を見つけます。
- 光源を持つ特殊な屈折タンクを入手します。
- 水と屈折タンクを記入し、光源をオンにします。光源からビームを直接水で満たされたタンクの半分に。部屋の照明を暗く必要があります。
- タンク内水空気インターフェイスのビームの入射角 (水で満たされたタンクの半分で計測された角度) と屈折の角度 (角度の空気で満たされたタンクの半分に測定値) を測定するのに屈折のタンクに分度器を使用します。
- 空気の測定角度と屈折のインデックスを使用して (n空気= 1.00) 水の屈折指数を計算します。
- 単に 0 ° から様々 ないくつかの入射角度の前の手順を繰り返して 90 ° 未満。
- 入射角が増加すると、1 つは屈折光線もはや空気の入ったコンテナーの半分に見られることがわかります。光ビームはまず空気から消えるポイントに到達するまでゆっくりとタンクについて光源を回転します。これは内部全反射の臨界角です。
- 光源をさらに回転すると、ビームが水に反映している必要があります見られなくなります。
- 最初水に旅行前に空気で満たされたタンクの半分に入るビーム光源を移動します。いくつかの入射角と屈折この条件下で記録します。なお、以前は入射角、角度で光が水を通って旅します。光は空気を通って今のでまず、新しい入射角が空気を通過するときに角度と新しい屈折の角度は、水を通過する角度。
- この構成では、全内部反射が発生しないことを確認します。総内面反射は、ライトが高屈折率によって媒体からより低い屈折率によって媒体へ行くときにのみ発生します。
2 レンズの焦点距離を測定し、現実とオブジェクトの仮想イメージを作成します。
- 凸レンズ、凹レンズ、ホワイト ペーパーのシート、定規と特徴的な小物を取得します。紙のシートを垂直に保持するために、レンズ オブジェクトと装置のホルダーと光学ベンチを持っていることができます。
- すべての行と同じ高さでは、オブジェクトと一枚の紙、凸レンズを配置します。
- オブジェクトの移動、オブジェクトのシャープな画像まで周りの紙が紙の上表示されます。紙のイメージ実際のイメージです。
- 被写体にレンズからの距離と紙にレンズからの距離を測定します。薄いレンズの同等化を使用して、レンズの焦点距離を決定します。
- 脇紙、レンズとオブジェクト間の距離がレンズの焦点距離より小さいまでレンズに近いオブジェクトを戻します。
- レンズを通して見る: オブジェクトの拡大版を見てする必要があります。このイメージは、仮想イメージです。
- 凸レンズを凹レンズに置き換えます。凹面レンズを通して見る: demagnified バージョンのオブジェクトが表示される今。これはまた、仮想イメージです。
光を反映して異なる速度と方向で移動や、伝達、多くの興味深い光の現象を引き起こす材料に応じて屈折します。
一筋の光は、ガラス ブロックの表面を打つ、それの一部変更; ソースになる媒体に戻りますインターフェイスでの方向これは反射です。光の残りの部分インターフェイスでその方向を変更による省エネ ・勢い; ガラスのブロックを通過し、これは屈折です。
レンズは、光学系顕微鏡のような反射と屈折は、人間の目によって知覚されることができるイメージを作成します。
ここでは、まず原則と反射と屈折のパラメーター説明します。その後、空気と水が 2 つのメディアをシステムでこれらの現象を示します。次に、我々 はレンズが光学系の分野でいくつかのアプリケーションが続くイメージを作成する方法を検討します。
原則、反射と屈折のパラメーターを理解するには、-水と空気の 2 つのメディアを拾ってみよう。
注意してください最初のキー パラメーターは「屈折」、' n ' - 光によるメディアの特徴の旅します。真空、'c'、媒質中の光の速度の光の速度の比として定義されている 'v'。空気のnは水よりも低いため、光は空気と比べて水をゆっくりと通過します。
今 2 つの媒体は、水と空気がインターフェイスに沿って互いに接触と仮定しましょう。
今、界面、空気、インターフェイス、それのいくつかが反映されてヒットに水から旅光と屈折または 2 つの媒体の屈折率に依存する角度で曲がっているが残り。反射と屈折は入射角、または θi - 別のパラメーターに依存しています。
これは、最初の中、水の中の気液界面に入射光と法線の間の角度です。'角度の反射' との反射光と同じ通常の最初の中、水の中を調べたが入射角度に等しい。「屈折の角度 '、または θr 第二中、空気水空気インターフェイスに光の屈折と法線間の角度であるに対し
屈折の角度は入射角と 2 つの媒体の屈折率の評価に依存してします。屈折の法則またはスネルの法則は、これらすべてのパラメーター間の関係を提供します。
今、入射角がゆっくり増加する場合水空気インターフェイスに沿って表示される光一点で、屈折の角度は 90 度になります。この入射角度を「臨界角」と呼びます。それは、最初の媒体の屈折率は 2 つ目よりも大きい場合にのみ発生することができます注意してください。
この同じ条件の下での入射角度がさらに増加した場合、光のビームが屈折ので、大幅にそれが実際に完全に光の起点となる最初の中に反映されています。この現象を全反射と呼びます。
反射と屈折に影響するパラメーターを確認し、これらの原則を検証する物理学研究室で実験を実行する方法を見てみましょう。すべての必要な材料と光ビームを持つ特殊な屈折タンクを含む機器を収集します。
1 つを埋める水の屈折タンクの半分。光のビームをオンにし、水で満たされたタンクの半分にビームを直接します。
分度器を使用して、光線の入射角や角度の光ビームと海水面の法線の間水の測定値を測定します。また、屈折の角度または角度の光ビームと海水面の法線間の空気の測定値を測定します。
今、入射角が増加すると、空気-水界面で光のビームが表示されますポイントに達する。全反射の臨界角は、この入射角のメモしておきます。
次に、反時計回りに光源を回転させることにより入射角を増加し続けます。屈折梁は今完全に内部全反射を示す水に反映を取得します。
その後、光源を移動するビームではタンクの空気半分を水の中に旅行する前に最初に入るようにします。様々 な入射角の新しい光パスのプロトコルを繰り返し、対応する屈折の角度を記録します。
今レンズは、本当を作成する光の屈折と物体の仮想画像と反射の活用についてお話しましょう。すべてのレンズかどうか凸または凹面、レンズを通過した後集中されるから無限に遠く離れて元の光線でレンズからの距離である焦点距離「f」があります。凸型レンズの f が正、凹面レンズ f は負です。
レンズの前にオブジェクトを配置すると、イメージが作成されます。'薄いレンズ式', 'f' の焦点距離、オブジェクトとレンズ間の距離の間の数学的関係を提供しています 'o' は、レンズと画像間の距離 'i'。
レンズによって形成されたイメージが実際または仮想かどうかを教えてくれるこの数学的画像距離 'i' です。数学的に計算された '私' が正の場合イメージ形成リアルはされます、それが負の場合、イメージが仮想になります。
凸型レンズの場合オブジェクトの距離 'o' がより大きい焦点距離「f」、数学的に計算されたイメージの距離 'i' 正と実際イメージが形成されます。これは、カメラや顕微鏡で撮影した画像のようなオブジェクトから来る光線の物理的な収束のためです。
ただし、オブジェクトの距離 'o' が焦点距離より小さい 'f'、数学的に計算されたイメージの距離 'i' は負、虚像が形成されます。これは、収束が実際に物理的に分岐、光線が表示され、私たちの目に起源のポイントを構築するためです。これは、拡大鏡、拡大された虚像が形成される場合観察されます。
凹面レンズ オブジェクトから光線がレンズを通過し、常に発散します。したがって、'計算された私' は常に否定的な作成されたイメージは、常に仮想。
このセクションでは、現実と単純な凹凸レンズを使用して仮想イメージの形成を検証します。凸レンズ、凹レンズ、ホワイト ペーパーのシート、特徴的な小物、紙を垂直に保持するにはクランプの必要な資料を収集します。
まず、オブジェクトと一枚の紙の間の凸レンズを配置します。すべてのラインと同じ高さにいることを確認します。
オブジェクトの移動、オブジェクトのシャープな画像まで周りの紙が紙の上表示されます。紙は、このイメージは実画像を画面に取り込むことができます。
今紙にレンズから被写体にレンズからの距離を測定します。薄いレンズの同等化を使用して、レンズの焦点距離を決定します。
次に、紙を脇に置き、レンズとオブジェクト間の距離がレンズの焦点距離より小さいまでレンズに近いオブジェクトを移動します。レンズを通して見るし、イメージを観察します。
凸レンズを凹レンズに置き換えます。凹面レンズを通して見る、demagnified の仮想イメージを観察します。
今、私たちは実験的プロトコルを完了している、得られたデータを分析する方法を確認してみましょう。最初の実験での入射角度と水-空気界面で屈折の角度を測定しました。
スネルの法則を使用して空気の屈折と一緒に式にこれらの角度の値を代入する 1.33 に出てくる水の屈折を計算できます。
この計算は、様々 な事件と屈折の角度、繰り返すことができます。すべての計算の屈折率の平均は、水の屈折のより正確な測定を提供します。
我々 は、スネルの法則を用いた全反射の臨界角を計算することも。これは、屈折角が 90 度に等しい入射角です。臨界角のために解決するためにこの式を再配置します。
以前に計算された平均を使用すると、水の屈折、スネルの法則は、発生率の臨界角が 48.8 度を予測します。これは非常にスネルの法則を検証するため実験的に測定された角度の近くにあります。
水に空気から光のビームが投影されたとき、総内面反射は発生しません 48.8 度より大きい角度でも光は今以上に下位のインデックスの中から旅行。
レンズで実験、11.02 センチ レンズからのオブジェクトの距離のレンズの性質が明らかになる、9.21 センチほど、レンズの焦点距離の像距離を約 5.02 センチ。
その焦点距離よりも小さい距離で凸レンズを通してオブジェクトを観察する場所の場合、オブジェクトの拡大バージョンが観察されます。これは、画面にこの画像をキャプチャできないバーチャル映像です。同様に、凹面レンズを使用している場合は、オブジェクトの demagnified 仮想イメージが観察されます。
光学、特に光学レンズは、生活のあらゆる階層写真からを人間の目に医療画像処理で使用されます。
光ファイバーは、電話信号の伝送など、多くの現在の日アプリケーションにおけるデータ転送に使用されます。これらの繊維は、コア、クラッドと保護外装またはバッファー、およびその他の強化層で構成されます。
クラッドは、全内部反射法を用いたコアに沿って光パルスの形でデータをガイドします。データ伝送のこのプロパティは、人間の体内で限られたスペースを表示するのには、医師によって使用される繊維光学カメラを使用できます。
顕微鏡は、肉眼に目に表示されていないオブジェクトを表示するのには顕微鏡を使用してのフィールドです。光または光顕微鏡では、光を屈折、またはサンプルの拡大ビューを許可する単一または複数のレンズを通して、試料からの反射を渡す必要があります。結果のイメージは、目で直接検出またはデジタル キャプチャできます。
反射と屈折のゼウスの概要を見てきただけ。今、屈折、スネルの法則と内部全反射もレンズと画像を作成する方法の背後にある理論の原理を理解してください。いつも見てくれてありがとう!
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Results
スネルの法則は、2 つのメディア間の境界を横切るときに光が曲げられる角度を決定します。測定事件と水-空気界面で屈折の角度は、表 1に与えられています。以下、スネルの法則を使用して水の屈折率を与えるサンプル計算の例を角を 30.1 ° と同じ光が水から空気に行く。
1.33
テーブル 1で様々 な角度の計算を繰り返すことが、測定値の平均は、個々 の測定のいずれかが提供するよりも屈折のよりよい測定を提供します。
表 1: 結果。
| インターフェイス | Ө私 | Өr | n水 |
| 水→空気 | 10.0 | 13.5 | 1.34 |
| 水→空気 | 19.8 | 26.6 | 1.32 |
| 水→空気 | 30.1 | 41.9 | 1.33 |
| 空気→水 | 20.1 | 15.1 | 1.32 |
| 空気→水 | 44.9 | 32.0 | 1.33 |
| 空気→水 | 75.2 | 46.7 | 1.33 |
全反射の臨界角は、屈折角が 90 ° と等しい場合に発生します。水空気インターフェイスのスネルの法則は、発生率の臨界角が 48.8 ° であることを予測します。
屈折はりまだ観察できる角度で 48.8 ° より大きいを光が空気から水に入ったインターフェイスを見るときに注意する価値があります。そのビームは水からビームが 48.8 ° より大きい角度で反映された内部空気に行ってきました。 境界でだけです。総内面反射は、光が高屈折率によって媒体からより低い屈折率によって媒体へ行く場合にのみ実行できます。
オブジェクトoに置かれたとき、実験のレンズの部分の = 11.02 cm、約 9.21 cm で焦点にイメージ来た。薄いレンズの式は、5.02 cm に凸レンズの焦点距離を明らかにします。
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Applications and Summary
この演習では、屈折とレンズの物理学について説明します。スネルの法則は入射と屈折角の測定を使用して水の屈折率の測定に使用されました。水-空気界面で全反射の現象が認められました。凹面レンズが光を集中でき、また倍率デバイスとして使用するように仮想イメージを作成が示されました。
人間の目は、網膜上に光の焦点を当てて見るし、光は、の前にまたは網膜の後ろに焦点を当てて視力低下につながります。眼鏡は、正しく網膜上に光を大幅に練り直しして視力を修正するのに役立ちます。カメラは、センサーに光の焦点を合わせるレンズに目が網膜上にライトを集中することと同じ方法を使用します。ルーペは、単に凸レンズ拡大、作成オブジェクトの仮想イメージです。光学顕微鏡は、細胞などの小物を非常に拡大するのに複数のレンズを使用します。同様に、望遠鏡レンズを使用して星、銀河、他の天体からの光をキャプチャする屈折と呼ばれるタイプがあります。総内面反射は、ファイバースコープとデータ伝送のために使用される光ファイバーの形でよく用いられます。
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