Legea lui Snell • James Trefil, enciclopedia "Două sute de legi ale universului"

Legea lui Snell

Teoria relativității ne-a determinat să aflăm că nimic nu se mișcă mai repede decât lumina, dar există un mic truc în această formulare, care este adesea uitată. Teoreticienii, vorbind "viteza luminii", înseamnă viteza luminii în vid, care este de obicei marcată de litera latină cu, iar pentru ei este atât de evident că nu articulează de obicei adăugarea "în vid". Dar când lumina se propagă într-un mediu transparent, de exemplu apă sau sticlă, se mișcă mult mai încet decât viteza cu datorită interacțiunii continue cu atomii din mediul material.

Deci, ce se întâmplă cu fața unui val de lumină în timp ce trece prin granița a două medii transparente? Răspunsul la acest lucru este dat de legea lui Snell (sau "legea lui Snell", dacă nu urmați limba latină, ci ortografia olandeză). Aproximativ traducere), numit după naturalistul olandez Willebrord Snellius, care a formulat primul model. Observăm cel mai important exemplu al unei astfel de refracții atunci când un fascicul de lumină din aer intră în sticlă și apoi din nou în aer – și acest lucru se întâmplă (și adesea de mai multe ori) în orice dispozitiv optic, fie acesta fiind cel mai complicat echipament de laborator sau o pereche banală de pahare.Imaginați-vă că turiștii merg pe diagonală printr-un câmp pătrat, în mijlocul căruia, paralel cu cele două laturi, trece granița, după care începe mlaștina. Este clar că turiștii pot merge mai repede pe un câmp curat și mai încet de-a lungul unui fluid mlaștinos. Astfel, atunci când primii turiști ajung la marginea mlaștinii și încep să se blocheze în noroi, viteza avansării lor scade și ei, ca oamenii obișnuiți, se abate de la curs pentru a ajunge rapid la marginea opusă a mlaștinii, în timp ce cei care o urmează urmează cu aceeași viteză și în aceeași direcție. Pe măsură ce toți noii turiști urcă în mlaștină, încetinesc și încep să taie colțul. Drept urmare, din punctul de vedere al păsărilor, procesiunea turistilor pare a fi refractată – se duce în câmp într-o direcție, iar în mlaștină în cealaltă. Același lucru cu fasciculul luminii: dacă, atunci când traversăm marginea a două medii, viteza luminii din cel de-al doilea mediu este mai mică decât viteza luminii din primul mediu, fasciculul este deviat în lateral normal (linii perpendiculare la frontieră). Dacă în cel de-al doilea mediu viteza propagării luminii este mai mare (cum ar fi, de exemplu, atunci când lumina trece de la sticlă la aer), fasciculul, dimpotrivă, deviază de la un unghi normal la un unghi mai mare (turiștii vor accelera și îndrepta direcția).

Se numește raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii dintr-un mediu indicele de refracție mediu. Astfel, indicele de refracție al sticlei este de aproximativ 1,5 (în funcție de tipul de sticlă), adică lumina din sticlă este încetinită cu aproximativ o treime comparativ cu viteza de propagare a acesteia în vid. Fiecare material transparent are propriul său indice de refracție (meciurile, desigur, sunt posibile, dar ele nu spun nimic).

Legea lui Snell stabilește un raport numeric între unghiurile de incidență și refracția unui fascicul atunci când trec de la un mediu la altul. dacă θ1 și θ2 – unghiurile, respectiv, a incidenței și refracției relative la normal (a se vedea figura) atunci când fasciculul trece de la un mediu la altul și n1 și n2 – indicii de refracție ai acestor medii, atunci există o relație:

n1 păcat θ1 = n2 păcat θ2

Înțelesul acestei legi este că, dacă sunt cunoscuți indicii de refracție ai luminii în două medii adiacente și unghiul de incidență al fasciculului, este posibil să se calculeze cât de mult se abate fasciculul după trecerea limitei dintre medii.

Ai stat vreodată la marginea piscinei și te-ai întrebat de ce prietena ta, stând în apă la talie, pare disproporționat de scurtă? Și lucrul este că razele de lumină pe care le percepeți și care vă aduc o imagine vizuală,ieșind din apă și căzând în aer, sa rupt – și ajunge la ochii tăi într-un unghi mai îngust decât dacă piscina era fără apă. Creierul crede ochii și ți se pare că picioarele prietenei tale sunt mai aproape decât sunt cu adevărat.

Vezi și:

aproximativ 100 d.Hr.Legea reflectării luminii
1934Radiația Cherenkov

Reflexie internă totală

Imaginați-vă un paralelipiped de sticlă, din interiorul căruia o rază de lumină cade pe una din fețe. Când trece granița cu aerul, fasciculul refracționează și, deoarece indicele de refracție al luminii în aer (aproximativ 1) este mai mic decât în ​​sticlă (aproximativ 1,5), fasciculul se abate de la perpendicular (normal). Conform legii lui Snell, dacă fasciculul atinge suprafața într-un unghi, de exemplu, 30 °, pe cealaltă parte a marginii va ieși la un unghi mai obosit față de normal (aproximativ 49 °). Deoarece abaterea unghiului de incidență de la creșterea normală, unghiul de refracție va crește într-un "ritm de conducere" până când, în final, la un unghi de incidență de aproximativ 42 °, unghiul de refracție calculat devine 90 ° față de perpendiculară – adică, lovind suprafața, nu va trece prin ea, dar va refracta strict de-a lungul graniței dintre sticlă și aer.

Ce se întâmplă cu o creștere suplimentară a unghiului de incidență al fasciculului? Unghiul de refracție mai mare de 90 ° înseamnă în esențăca fasciculul sa nu mearga dincolo de sticla si sa ramana in bara de sticla – adica nu se va sparge, dar va reflecta de la marginea sticlei cu aerul. Acest fenomen se numește reflexie internă totală. Unghiul critic este determinat din ecuația:

păcat θ > n2/n1

La valori θ mai mult decât un unghi critic, o rază de lumină din interiorul sticlei nu mai penetrează aerul, ci este reflectată înapoi în interiorul sticlei, ca de o oglindă.

Fenomenul reflexiei interne totale, vă puteți observa cu ușurință. Data viitoare, când vă culcați la lumina lumânărilor, luați un pahar de vin și ridicați-l deasupra capului și priviți lumina lumanii pe suprafața vinului, începeți să-l coborâți treptat. La început, în timp ce geamul este ridicat suficient de înalt, flacăra lumânării va lumina prin suprafața vinului. Cu toate acestea, într-un anumit moment, când coborâți geamul, veți ajunge la un punct când suprafața vinului devine brusc complet întunecată. Dar chestia este că ați atins unghiul critic al incidenței fasciculului, iar lumina lumanii suferă acum o reflexie internă completă, astfel încât nici o lumină nu izbucnește.

Cu toate acestea, reflecția internă totală nu este doar un truc curios, ci baza pentru o serie de tehnologii moderne importante; în primul rând – acest fapt stă la baza fibră optică. Lumina, care intră dintr-un capăt în cea mai subțire fibră de sticlă la un unghi foarte mare, este în continuare forțată să se propageze de-a lungul acestei fibre, fără a-și lăsa limitele, reflectând în mod repetat din pereții ei, deoarece unghiul de incidență nu este suficient pentru a se desprinde din limitele sale la capătul opus, ieșirea semnalului optic practic nu pierde în intensitate. Dacă îmbinați o mulțime de astfel de fibre optice într-un fascicul, alternanța impulsurilor luminoase și a golurilor întunecate la ieșirea unui astfel de cablu de fibră optică va corespunde strict semnalului recepționat la intrare. Acest principiu este utilizat pe scară largă astăzi în tehnologiile medicale moderne (în special în artroscopie), când un pachet subțire de fibre optice este introdus în corpul pacientului printr-o mică incizie sau gură naturală și livrat literalmente organului însuși supus unei microchirurgie, permițând chirurgului literal vedeți pe ecranul monitorului exact ce și cum funcționează.

Utilizarea la fel de răspândită a fost reflectată pe deplin în domeniul transmiterii de mare viteză a informațiilor prin intermediul liniilor telefonice cu fibră optică.Prin trimiterea de semnale optice modulate în loc de a fi electromagnetice, suntem capabili să grăbim transmiterea de informații prin rețele de telecomunicații cu mai multe ordini de mărime. De fapt, în toate țările cu adevărat industrializate ale lumii, toată telefonia a fost deja transferată la comunicațiile cu fibră optică.

Willebrord SNELLIUS (SNELL)
Willebrord Van Roijen Snell, 1580-1626

Matematician și fizician olandez. Născut în Leiden în familia unui profesor de matematică la o universitate locală. A studiat matematica și drept la diferite universități europene, a călătorit foarte mult, a întâlnit mulți oameni de știință renumiți ai timpului său, inclusiv Johann Kepler. În 1613 a reușit tatăl său ca profesor la Universitatea Leiden. El a stat la originea noii științe a geodeziei, văzind mai întâi importanța utilizării metodei de similitudine a triunghiurilor la efectuarea măsurătorilor geodezice. În 1621, după numeroase experimente pe optică, el a descoperit legea refracției radiațiilor, denumită mai târziu după el. Snellius nu și-a publicat rezultatele – adunau praf în arhive până când au fost descoperite de René Descartes, care le-a inclus în lucrarea sa fundamentală, Începutul filozofiei.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: