Bilder in Linsen, die Bedienung von Instrumenten wie Mikroskopen und Teleskopen, das Phänomen des Regenbogens und die täuschende Wahrnehmung der Tiefe eines Gewässers sind Beispiele für das Phänomen der Lichtbrechung. Die Gesetze, die dieses Phänomen beschreiben, werden in diesem Artikel diskutiert.
Das Phänomen der Lichtbrechung
Bevor wir uns mit den Gesetzen der Lichtbrechung in der Physik befassen, wollen wir uns mit der Essenz des Phänomens selbst vertraut machen.
Wenn das Medium an allen Stellen im Raum homogen ist, bewegt sich das Licht bekanntlich auf einer geraden Bahn darin. Eine Brechung dieses Weges tritt auf, wenn ein Lichtstrahl in einem Winkel die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Materialien wie Glas und Wasser oder Luft und Glas kreuzt. Beim Übergang zu einem anderen homogenen Medium bewegt sich das Licht ebenfalls in einer geraden Linie, aber es wird bereits im ersten Medium in einem gewissen Winkel zu seiner Bahn gelenkt. Dies ist das Phänomen der Brechung des Lichtstrahls.
Das folgende Video demonstriert das Phänomen der Lichtbrechung am Beispiel von Glas.
Wichtig ist hier der EinfallswinkelSchnittstellenebene. Der Wert dieses Winkels bestimmt, ob das Brechungsphänomen beobachtet wird oder nicht. Wenn der Strahl senkrecht auf die Oberfläche fällt, bewegt er sich nach dem Eintritt in das zweite Medium entlang derselben geraden Linie weiter. Der zweite Fall, in dem keine Brechung auftritt, sind die Einfallswinkel eines Strahls, die von einem optisch dichteren zu einem weniger dichten Medium gehen und größer als ein bestimmter kritischer Wert sind. In diesem Fall wird die Lichtenergie vollständig in das erste Medium zurückreflektiert. Der letzte Effekt wird weiter unten besprochen.
Erstes Brechungsgesetz
Man kann es auch das Gesetz der drei Linien in einer Ebene nennen. Angenommen, es gibt einen Lichtstrahl A, der auf die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Materialien fällt. Am Punkt O wird der Strahl gebrochen und beginnt sich entlang der geraden Linie B zu bewegen, die keine Fortsetzung von A ist. Wenn wir die Senkrechte N zur Trennebene zum Punkt O wiederherstellen, dann gilt das 1. Gesetz für das Phänomen von Brechung lässt sich wie folgt formulieren: Der einfallende Strahl A, die Normale N und der gebrochene Strahl B liegen in derselben Ebene, die senkrecht zur Grenzflächenebene steht.
Dieses einfache Gesetz ist nicht offensichtlich. Seine Formulierung ist das Ergebnis einer Verallgemeinerung experimenteller Daten. Mathematisch lässt es sich nach dem sogenannten Fermat-Prinzip oder dem Prinzip der kürzesten Zeit ableiten.
Zweites Brechungsgesetz
Schulphysiklehrer stellen den Schülern oft folgende Aufgabe: "Formuliere die Gesetze der Lichtbrechung." Wir haben einen von ihnen betrachtet, jetzt gehen wir zum zweiten über.
Bezeichne den Winkel zwischen Strahl A und der Senkrechten N als θ1, der Winkel zwischen Strahl B und N wird θ2 genannt. Wir berücksichtigen auch, dass die Geschwindigkeit von Strahl A in Medium 1 v1 ist, die Geschwindigkeit von Strahl B in Medium 2 ist v2. Nun können wir den 2. Hauptsatz für das betrachtete Phänomen mathematisch formulieren:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Diese Formel wurde Anfang des 17. Jahrhunderts von dem Holländer Snell erh alten und trägt heute seinen Nachnamen.
Eine wichtige Schlussfolgerung folgt aus dem Ausdruck: Je größer die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium ist, desto weiter entfernt sich der Strahl von der Normalen (desto größer ist der Sinus des Winkels).
Das Konzept des Brechungsindex des Mediums
Die obige Snell-Formel ist derzeit in einer etwas anderen Form geschrieben, die bei der Lösung praktischer Probleme bequemer zu verwenden ist. Tatsächlich ist die Lichtgeschwindigkeit v in Materie, obwohl kleiner als die im Vakuum, immer noch ein großer Wert, mit dem man nur schwer arbeiten kann. Daher wurde in die Physik ein relativer Wert eingeführt, dessen Gleichheit im Folgenden dargestellt wird:
n=c/v.
Hier ist c die Geschwindigkeit des Strahls im Vakuum. Der Wert von n zeigt, wie oft der Wert von c größer ist als der Wert von v im Material. Er wird Brechungsindex dieses Materials genannt.
Unter Berücksichtigung des eingegebenen Wertes wird die Formel des Lichtbrechungsgesetzes in folgender Form umgeschrieben:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Material mit einem großen Wert von n,als optisch dicht bezeichnet. Beim Durchgang verlangsamt das Licht seine Geschwindigkeit um das n-fache im Vergleich zum gleichen Wert im luftleeren Raum.
Diese Formel zeigt, dass der Strahl in dem optisch dichteren Medium näher an der Normalen liegt.
Zum Beispiel stellen wir fest, dass der Brechungsindex für Luft fast gleich eins ist (1, 00029). Für Wasser beträgt der Wert 1,33.
Totalreflexion in einem optisch dichten Medium
Lassen Sie uns das folgende Experiment durchführen: Lassen Sie uns einen Lichtstrahl von der Wassersäule zu ihrer Oberfläche starten. Da Wasser optisch dichter als Luft ist (1, 33>1, 00029), ist der Einfallswinkel θ1 kleiner als der Brechungswinkel θ2. Nun werden wir schrittweise θ1 erhöhen bzw. θ2 ebenfalls erhöhen, während die Ungleichung θ1 zunimmt<θ2bleibt immer wahr.
Es wird einen Moment geben, in dem θ1<90o und θ2=90 o. Dieser Winkel θ1 heißt kritisch für ein Wasser-Luft-Medienpaar. Größere Einfallswinkel führen dazu, dass kein Teil des Strahls durch die Wasser-Luft-Grenzfläche in ein weniger dichtes Medium gelangt. Der gesamte Strahl an der Grenze wird total reflektiert.
Berechnung des kritischen Einfallswinkels θc erfolgt nach folgender Formel:
θc=arcsin(n2/n1).
Für Medien Wasser uLuft ist 48, 77o.
Beachten Sie, dass dieses Phänomen nicht umkehrbar ist, d. h. wenn sich Licht von Luft zu Wasser bewegt, gibt es keinen kritischen Winkel.
Das beschriebene Phänomen wird beim Betrieb von Glasfasern verwendet und ist zusammen mit der Lichtstreuung die Ursache für das Auftreten von primären und sekundären Regenbögen bei Regen.
