Днес ще разкрием какъв е ъгълът на пречупване на електромагнитна вълна (т.нар. светлина) и как се формират нейните закони.
Око, кожа, мозък
Мъжът има пет основни сетива. Медицински учени разграничават до единадесет различни различни усещания (например усещане за натиск или болка). Но хората получават по-голямата част от информацията си през очите си. До деветдесет процента от наличните факти, които човешкият мозък осъзнава като електромагнитни вибрации. Така че хората най-вече разбират красотата и естетиката визуално. Ъгълът на пречупване на светлината играе важна роля в това.
Пустиня, езеро, дъжд
Светът наоколо е пропит със слънчева светлина. Въздухът и водата са в основата на това, което хората харесват. Разбира се, има сурова красота на сухите пустинни пейзажи, но предимно хората предпочитат малко влага.
Човекът винаги е бил очарован от планински потоци и гладки равнинни реки, спокойни езера и вечно движещи се морски вълни, пръски на водопад и студен сън на ледници. Неведнъж всеки е забелязвал красотата на играта на светлината в росата по тревата, блясъка на иния по клоните, млечната белота на мъглата и мрачната красота на ниските облаци. И всички тези ефекти се създаватблагодарение на ъгъла на пречупване на лъча във водата.
Око, електромагнитна скала, дъга
Светлината е флуктуация на електромагнитното поле. Дължината на вълната и нейната честота определят вида на фотона. Честотата на вибрациите определя дали ще бъде радиовълна, инфрачервен лъч, спектър от някакъв цвят, видим за човек, ултравиолетово, рентгеново или гама лъчение. Хората са в състояние да възприемат с очите си електромагнитни вибрации с дължини на вълната от 780 (червени) до 380 (виолетови) нанометра. В мащаба на всички възможни вълни този участък заема много малка площ. Тоест хората не са в състояние да възприемат по-голямата част от електромагнитния спектър. И цялата красота, достъпна за човека, се създава от разликата между ъгъла на падане и ъгъла на пречупване на границата между медиите.
Вакуум, слънце, планета
Фотоните се излъчват от Слънцето в резултат на термоядрена реакция. Сливането на водородни атоми и раждането на хелий е придружено от освобождаването на огромен брой различни частици, включително светлинни кванти. Във вакуум електромагнитните вълни се разпространяват по права линия и с възможно най-висока скорост. Когато навлезе в прозрачна и по-плътна среда, като земната атмосфера, светлината променя скоростта си на разпространение. В резултат на това той променя посоката на разпространение. Колко определя коефициента на пречупване. Ъгълът на пречупване се изчислява по формулата на Snell.
Законът на Снел
Холандският математик Вилеброрд Снел е работил през целия си живот с ъгли и разстояния. Той разбираше как да измерва разстоянията между градовете, как да намира даденостточка в небето. Нищо чудно, че е открил модел в ъглите на пречупване на светлината.
Формулата на закона изглежда така:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
В този израз знаците имат следното значение:
- 1 и n2 са показателите на пречупване на среда 1 (от която пада лъчът) и среда 2 (влиза в нея);
- θ1 и θ2 са съответно ъгълът на падане и пречупване на светлината.
Обяснения към закона
Необходимо е да се дадат някои обяснения на тази формула. Ъглите θ означават броя на градусите, който се намира между посоката на разпространение на лъча и нормалата към повърхността в точката на контакт на светлинния лъч. Защо в този случай се използва нормално? Защото в действителност няма строго плоски повърхности. И намирането на нормата към всяка крива е доста лесно. Освен това, ако ъгълът между границата на средата и падащия лъч x е известен в задачата, тогава необходимият ъгъл θ е просто (90º-x).
Най-често светлината навлиза от по-разредена (въздух) към по-плътна (вода) среда. Колкото по-близо са атомите на средата един до друг, толкова по-силно се пречупва лъчът. Следователно, колкото по-плътна е средата, толкова по-голям е ъгълът на пречупване. Но се случва и обратното: светлината пада от вода във въздух или от въздух във вакуум. При такива обстоятелства може да възникне условие, при което n1sin θ1>n2. Тоест целият лъч ще бъде отразен обратно към първата среда. Това явление се нарича тотално вътрешноотражение. Ъгълът, под който възникват описаните по-горе обстоятелства, се нарича ограничаващ ъгъл на пречупване.
Какво определя индекса на пречупване?
Тази стойност зависи само от свойствата на веществото. Например има кристали, за които има значение под какъв ъгъл влиза лъчът. Анизотропията на свойствата се проявява в двойно пречупване. Има среди, за които поляризацията на входящата радиация е важна. Трябва също да се помни, че ъгълът на пречупване зависи от дължината на вълната на падащото лъчение. Именно на тази разлика се основава експериментът с разделянето на бялата светлина на дъга чрез призма. Трябва да се отбележи, че температурата на средата също влияе върху показателя на пречупване на радиацията. Колкото по-бързо вибрират атомите на кристала, толкова повече се деформират неговата структура и способността да променя посоката на разпространение на светлината.
Примери за стойността на индекса на пречупване
Даваме различни стойности за позната среда:
- Солта (химическа формула NaCl) като минерал се нарича "халит". Неговият индекс на пречупване е 1,544.
- Ъгълът на пречупване на стъклото се изчислява от неговия коефициент на пречупване. В зависимост от вида на материала, тази стойност варира между 1,487 и 2,186.
- Диамантът е известен именно с играта на светлината в него. Бижутерите вземат предвид всичките му равнини при рязане. Индексът на пречупване на диаманта е 2,417.
- Водата, пречистена от примеси, има показател на пречупване 1,333. H2O е много добър разтворител. Следователно в природата няма химически чиста вода. Всеки кладенец, всяка река се характеризирасъс своя състав. Следователно индексът на пречупване също се променя. Но за да разрешите прости училищни проблеми, можете да вземете тази стойност.
Юпитер, Сатурн, Калисто
Досега говорихме за красотата на земния свят. Така наречените нормални условия предполагат много специфична температура и налягане. Но има и други планети в Слънчевата система. Има доста различни пейзажи.
На Юпитер, например, е възможно да се наблюдава аргонова мъгла в метанови облаци и хелиеви възходящи течения. Рентгеновите сияния също са често срещани там.
На Сатурн етановите мъгли покриват водородната атмосфера. В долните слоеве на планетата диамантени дъждове вали от много горещи метанови облаци.
Въпреки това, скалистата замръзнала луна на Юпитер Калисто има вътрешен океан, богат на въглеводороди. Може би в дълбините му живеят бактерии, които консумират сяра.
И във всеки от тези пейзажи, играта на светлината върху различни повърхности, ръбове, первази и облаци създава красота.
