Brydning

Brydning ( refraktion ) er en ændring i retningen af en stråle ( bølge ), der sker ved grænsen af to medier , som denne stråle passerer igennem [1] , eller i et medie, men med skiftende egenskaber, hvor bølgeudbredelseshastigheden er ikke det samme [2] .

Fænomenet brydning forklares af lovene om bevarelse af energi og bevarelse af momentum . Når transmissionsmediet ændres, ændres bølgens hastighed , men dens frekvens forbliver den samme. Brydningen af lys gennem glas eller vand er det enkleste og mest oplagte eksempel på stråleforvrængning, men brydningslovene er gyldige for enhver bølge, elektromagnetisk , akustisk og endda marine. Generelt er brydningsloven beskrevet af Snells lov .

Udtrykkene " brydning " og " brydning " bruges i flæng [2] ; traditionelt bruges udtrykket "brydning" oftere til at beskrive stråling i medier , hvor brydningsindekset ændrer sig jævnt fra punkt til punkt (strålebanen har form af en jævnt krum linje), mens udtrykket "brydning" oftere er bruges til at beskrive en skarp ændring i strålebanen efter mediernes grænse på grund af den høje forskel i deres brydningsindeks [2] . I dette tilfælde fungerer den samme lov - afhængigheden af bølgehastigheden af brydningsindekset for et bestemt transmitterende medium.

Nogle gange kræver det transmitterende mediums eller strålingskildens specifikationer, at undersøgelser af denne særlige brydning udskilles i et særligt afsnit. Så brydningen af det menneskelige øje studeres af oftalmologi , mens brydningen af lyd i vand studeres ved hydroakustik , brydningen af himmellegemer studeres af astronomi og så videre.

Studiet af brydningslovene er af fundamental betydning for videnskab og teknologi. Deres anvendelse inden for forskellige vidensområder giver dig mulighed for at skabe nøjagtige optiske instrumenter ( teleskoper , mikroskoper , kameraer, filmkameraer, briller, kontaktlinser osv.), undersøge den kemiske struktur af forbindelser og bestemme sammensætningen af kemiske blandinger [3] , opnå nøjagtige geodætiske og astronomiske koordinater [4] , skabe optimale kommunikationssystemer og meget mere.

Fænomenets fysik

Brydning observeres, når fasehastighederne af elektromagnetiske bølger i kontaktmedier er forskellige (se brydningsindeks ). I dette tilfælde bør den samlede værdi af bølgehastigheden være forskellig på forskellige sider af grænsefladen mellem medierne. Men hvis vi sporer bevægelsen af f.eks. bølgetoppen langs grænsefladen, så bør den tilsvarende hastighed være den samme for begge "halvdele" af bølgen (da når man krydser grænsen, forbliver maksimum af bølgen maksimum , og omvendt; det vil sige, vi kan tale om synkronisering af hændelsen og transmitterede bølger i alle grænsepunkter, se øverste figur). Fra en simpel geometrisk konstruktion opnår vi, at hastigheden af højderyggens skæringspunkt med en linje, der hælder til bølgeudbredelsesretningen i en vinkel , vil være lig med , hvor er bølgeudbredelseshastigheden. ${\displaystyle v_{\alpha ))$ $\alfa$ $v_{\alpha }=v/\sin \alpha$ $v$

Dette fremgår tydeligt af det faktum, at mens bølgetoppen passerer i retning af sin udbredelse (det vil sige vinkelret på toppen) en afstand svarende til trekantens ben, vil skæringspunktet mellem toppen og grænsen passere en afstand lig med hypotenusen, og forholdet mellem disse afstande, lig med sinus af vinklen, er forholdet hastigheder.

Ved at sidestille hastighederne langs grænsefladen for de indfaldende og transmitterede bølger, får vi , som svarer til Snells lov , da brydningsindekset er defineret som forholdet mellem hastigheden af elektromagnetisk stråling i vakuum og hastigheden af elektromagnetisk stråling i en medium :. $v_{1}/\sin \alpha =v_{2}/\sin \beta$ ${\displaystyle n_{1}=c/v_{1},~n_{2}=c/v_{2))$

Som følge heraf observeres strålebrydning ved grænsefladen mellem to medier, der kvalitativt består i, at vinklerne til normalen til grænsefladen mellem medierne for de indfaldende og brudte stråler adskiller sig fra hinanden, det vil sige banen for strålen i stedet for en lige linje bliver brudt - strålen brydes.

Bemærk, at en næsten identisk måde at udlede Snells lov på er at konstruere en transmitteret bølge ved hjælp af Huygens-Fresnel princippet (se figur).

Når en bølge bevæger sig i medier med forskellige brydningsindekser, bevares dens frekvens, og bølgelængden ændres i forhold til hastigheden.

I et isotropt medium for en sinusformet bølge karakteriseret ved en frekvens og en bølgevektor vinkelret på bølgeudbredelsesretningen, fører overvejelser om, at komponenten af bølgevektoren parallelt med grænsefladen skal være den samme før og efter passage gennem denne grænseflade, at samme form for brydningsloven.

Derudover er det værd at bemærke, at bølgevektoren for en foton er lig med dens momentumvektor divideret med Plancks konstant , og dette gør det muligt naturligt at fortolke Snells lov som bevarelse af projektionen af fotonens momentum på mediegrænsefladen den krydser.

Total intern refleksion

Nært forbundet med brydning er fænomenet refleksion fra grænsefladen mellem transparente medier. I en vis forstand er det to sider af det samme fænomen.

Fænomenet total intern refleksion (TIR) skyldes det faktum, at en brudt bølge, der ville opfylde Snells lov , ikke eksisterer for nogle indfaldsvinkler. Det betyder, at kun den reflekterede bølge vises, og at bølgen derfor reflekteres fuldstændigt. TIR er muligt, når en bølge falder fra et medium, hvor bølgen udbreder sig med en lavere fasehastighed (højere brydningsindeks) til grænsen med et medium med en højere faseudbredelseshastighed for en sådan bølge (lavere brydningsindeks).

Med en gradvis stigning i indfaldsvinklen i forhold til normalen falder den brudte stråle på et tidspunkt sammen med grænsefladen mellem medierne og forsvinder derefter - kun den reflekterede stråle forbliver.

Fuld brydning

Hvis en lodret polariseret bølge falder på grænsefladen ved Brewster-vinklen , vil effekten af fuldstændig brydning blive observeret - der vil ikke være nogen reflekteret bølge.

Brydning i det almindelige liv

Brydning opstår ved hvert trin og opfattes som et helt almindeligt fænomen: Man kan se, hvordan en ske, der er i en kop te, bliver "knust" på grænsen mellem vand og luft. Her er det passende at bemærke, at denne observation med ikke-kritisk opfattelse giver en forkert ide om effektens tegn: skeens tilsyneladende brydning sker i den modsatte retning af lysstrålernes reelle brydning.

Lysets brydning ved grænsen mellem to medier giver en paradoksal visuel effekt: objekter, der krydser grænsefladen i et tættere medium, ser "brudt opad" ud; mens en stråle, der kommer ind i et tættere medium, forplanter sig i det i en mindre vinkel, "bryder nedad". Denne optiske effekt fører til fejl i den visuelle bestemmelse af reservoirets dybde, som altid synes at være mindre, end den i virkeligheden er.

Brydningen, spredningen og den indre refleksion af lys i vanddråber giver tilsammen anledning til en regnbue . På grund af lysets spredning brydes og afbøjes dråber lys af forskellige farver på forskellige måder : stråler med den korteste bølgelængde ( violet ) brydes stærkest og afbøjes, og stråler med den længste ( røde ) er svagest. Resultatet er en bue malet i forskellige farver.

Multipel brydning (og delvis refleksion) i små gennemsigtige elementer af strukturen (snefnug, papirfibre, bobler) forklarer egenskaberne af matte (ikke spejl) reflekterende overflader, såsom hvid sne, papir, hvidt skum.

Brydning i jordens atmosfære forklarer mange visuelle effekter. For eksempel, under visse meteorologiske forhold, fremstår Jorden (fra en lille højde) for observatøren som en konkav skål (og ikke en del af en konveks kugle). På grund af brydning ser stjernerne ud til at "flimmer" [4] . Også lysets brydning i atmosfæren fører til, at vi observerer solopgangen (og generelt ethvert himmellegeme) lidt tidligere, og solnedgangen lidt senere, end den ville være i fravær af en atmosfære [4] . Af samme grund ser Solens skive i horisonten lidt fladt ud langs vandret.

Ansøgning

I tekniske og videnskabelige instrumenter

Fænomenet brydning ligger til grund for driften af brydende teleskoper (til videnskabelige og praktiske formål, herunder langt de fleste spotting-kikkerter, kikkerter og andre observationsapparater), linser til foto-, film- og tv-kameraer, mikroskoper , forstørrelsesglas, briller, projektionsanordninger , modtagere og sendere af optiske signaler, koncentratorer af kraftige lysstråler, prismespektroskoper og spektrometre , prismemonokromatorer og mange andre optiske instrumenter indeholdende linser og/eller prismer . Det er nødvendigt at tage det i betragtning, når man beregner driften af næsten alle optiske enheder. Alt dette gælder for forskellige områder af det elektromagnetiske spektrum.

Inden for akustik er lydens brydning særlig vigtig at tage højde for, når man studerer lydens udbredelse i et inhomogent medie og naturligvis i grænsefladen mellem forskellige medier.

Det kan være vigtigt i teknologien at tage højde for brydning af bølger af forskellig karakter, for eksempel bølger på vand, forskellige bølger i aktive medier osv.

I medicin

Fænomenet refraktion bruges inden for sådanne områder af medicin som optometri og oftalmologi . Ved hjælp af en phoropter er det muligt at opdage brydningsfejl i patientens øje, og ved at udføre flere tests med linser med forskellig brydningsstyrke og forskellige brændvidder er det muligt at vælge passende briller eller kontaktlinser til patienten .

Se også

Brydningsindeks
Refraktionsloven (Snells lov)
Brewsters lov (total polarisering i refleksion)
dobbelt brydning
Molekylær brydning
Brydning astronomisk
Lys spredning
Afspejling
bølgefront

Litteratur

Lysets brydning // Great Soviet Encyclopedia : [i 30 bind] / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M . : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
Serafimov V.V. Refraction // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
Tarasov L.V., Tarasova A.N. Diskurser om lysets brydning . — M.: Nauka, 1982.

Noter

↑ Lysbrydning Arkiveret 8. maj 2012 på Wayback Machine - Encyclopedia of Physics artikel
↑ 1 2 3 Brydning (lysbrydning) // Great Soviet Encyclopedia : [i 30 bind] / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M . : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
↑ Molekylær brydning // Great Soviet Encyclopedia : [i 30 bind] / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M . : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
↑ 1 2 3 Brydning (af lys i atmosfæren) // Great Soviet Encyclopedia : [i 30 bind] / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M . : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.