Պատկերները ոսպնյակներում, այնպիսի գործիքների աշխատանքը, ինչպիսիք են մանրադիտակները և աստղադիտակները, ծիածանի երևույթը և ջրային մարմնի խորության խաբուսիկ ընկալումը, բոլորը լույսի բեկման երևույթի օրինակներ են: Այս երևույթը նկարագրող օրենքները քննարկվում են այս հոդվածում։
բեկման երևույթ
Ֆիզիկայի լույսի բեկման օրենքները դիտարկելուց առաջ եկեք ծանոթանանք բուն երեւույթի էությանը։
Ինչպես գիտեք, եթե միջավայրը միատարր է տարածության բոլոր կետերում, ապա լույսը դրանում կշարժվի ուղիղ ճանապարհով: Այս ճանապարհի բեկումը տեղի է ունենում, երբ լույսի ճառագայթը անկյան տակ հատում է երկու թափանցիկ նյութերի միջերեսը, ինչպիսիք են ապակին և ջուրը կամ օդը և ապակին: Տեղափոխվելով մեկ այլ միատարր միջավայր՝ լույսը նույնպես կշարժվի ուղիղ գծով, բայց այն արդեն ինչ-որ անկյան տակ կուղղվի իր հետագծին առաջին միջավայրում։ Սա լույսի ճառագայթի բեկման երեւույթն է։
Ստորև բերված տեսանյութը ցույց է տալիս բեկման երևույթը, օգտագործելով ապակին որպես օրինակ:
Այստեղ կարևոր կետը անկման անկյունն էինտերֆեյսի հարթություն. Այս անկյան արժեքը որոշում է բեկման երեւույթը կդիտարկվի, թե ոչ։ Եթե ճառագայթը ընկնում է մակերեսին ուղղահայաց, ապա, անցնելով երկրորդ միջավայր, այն կշարունակի շարժվել նույն ուղիղ գծով։ Երկրորդ դեպքը, երբ բեկումը տեղի չի ունենա, ճառագայթի անկման անկյուններն են, որոնք անցնում են օպտիկականորեն ավելի խիտ միջավայրից դեպի ավելի քիչ խիտ միջավայր, որոնք ավելի մեծ են, քան որոշ կրիտիկական արժեքներ: Այս դեպքում լույսի էներգիան ամբողջությամբ կարտացոլվի առաջին միջավայրում: Վերջին էֆեկտը քննարկվում է ստորև։
բեկման առաջին օրենքը
Այն կարելի է անվանել նաև մեկ հարթության երեք ուղիղների օրենք։ Ենթադրենք, կա A լույսի ճառագայթ, որն ընկնում է երկու թափանցիկ նյութերի միջերեսի վրա: O կետում ճառագայթը բեկվում է և սկսում շարժվել B ուղիղ գծով, որը A-ի շարունակությունը չէ: Եթե բաժանման հարթության N ուղղահայացը վերականգնենք O կետին, ապա 1-ին օրենքը երևույթի համար. բեկումը կարող է ձևակերպվել հետևյալ կերպ. ընկնող ճառագայթը A, նորմալ N և բեկված ճառագայթ B գտնվում են նույն հարթության մեջ, որն ուղղահայաց է միջերեսի հարթությանը:
Այս պարզ օրենքը ակնհայտ չէ: Դրա ձևակերպումը փորձարարական տվյալների ընդհանրացման արդյունք է։ Մաթեմատիկորեն այն կարող է ստացվել այսպես կոչված Ֆերմատի սկզբունքով կամ նվազագույն ժամանակի սկզբունքով:
բեկման երկրորդ օրենքը
Դպրոցի ֆիզիկայի ուսուցիչները հաճախ աշակերտներին տալիս են հետևյալ առաջադրանքը՝ «Ձևակերպել լույսի բեկման օրենքները»։ Դրանցից մեկը դիտարկել ենք, հիմա անցնենք երկրորդին։
Նշեք A ճառագայթի և N ուղղահայաց անկյունը որպես θ1, B և N ճառագայթների միջև անկյունը կկոչվի θ2. Հաշվի ենք առնում նաև, որ A ճառագայթի արագությունը միջին 1-ում v1 է, B ճառագայթի արագությունը 2-ում v2 է: Այժմ մենք կարող ենք տալ 2-րդ օրենքի մաթեմատիկական ձևակերպումը դիտարկվող երևույթի համար՝
sin(θ1)/v1=մեղք (θ2)/ v2.
Այս բանաձևը ստացել է հոլանդացի Սնելը 17-րդ դարի սկզբին և այժմ կրում է նրա ազգանունը։
Կարևոր եզրակացություն է բխում արտահայտությունից. որքան մեծ է լույսի տարածման արագությունը միջավայրում, այնքան ավելի հեռու կլինի ճառագայթը նորմալից (այնքան մեծ է անկյան սինուսը):
միջավայրի բեկման ինդեքսի հայեցակարգը
Սնելի վերոհիշյալ բանաձևը ներկայումս գրված է մի փոքր այլ ձևով, որն ավելի հարմար է օգտագործել գործնական խնդիրներ լուծելիս։ Իրոք, լույսի v արագությունը նյութում, թեև ավելի քիչ է, քան վակուումում, այնուամենայնիվ մեծ արժեք է, որի հետ դժվար է աշխատել: Հետևաբար, ֆիզիկայի մեջ մտցվեց հարաբերական արժեք, որի հավասարությունը ներկայացված է ստորև՝
n=c/v.
Այստեղ c-ն ճառագայթի արագությունն է վակուումում: n-ի արժեքը ցույց է տալիս, թե նյութում c-ի արժեքը քանի անգամ է մեծ v-ի արժեքից: Այն կոչվում է այս նյութի բեկման ինդեքս։
Հաշվի առնելով մուտքագրված արժեքը՝ լույսի բեկման օրենքի բանաձևը կվերագրվի հետևյալ ձևով՝
sin(θ1)n1=մեղք (θ2) n2.
Նյութ, որն ունի n մեծ արժեք,կոչվում է օպտիկական խիտ: Անցնելով դրա միջով՝ լույսը դանդաղեցնում է իր արագությունը n անգամ՝ համեմատած անօդ տարածության նույն արժեքի հետ։
Այս բանաձևը ցույց է տալիս, որ ճառագայթը ավելի մոտ կլինի նորմալին օպտիկապես ավելի խիտ միջավայրում:
Օրինակ, մենք նշում ենք, որ օդի բեկման ինդեքսը գրեթե հավասար է մեկին (1, 00029): Ջրի համար դրա արժեքը 1,33 է։
Ընդհանուր արտացոլումը օպտիկականորեն խիտ միջավայրում
Եկեք կատարենք հետևյալ փորձը. եկեք լույսի ճառագայթ սկսենք ջրի սյունից դեպի իր մակերեսը: Քանի որ ջուրը օպտիկական առումով ավելի խիտ է, քան օդը (1, 33>1, 00029), θ1 անկման անկյունը փոքր կլինի θ2 բեկման անկյունից:. Այժմ մենք աստիճանաբար կավելացնենք θ1, համապատասխանաբար, θ2 նույնպես կաճի, մինչդեռ անհավասարությունը θ1.<թ2միշտ մնում է ճշմարիտ:
Կգա մի պահ, երբ θ1<90o և θ2=90 o. Այս θ1 անկյունը կոչվում է կրիտիկական զույգ ջր-օդ միջավայրերի համար: Սրանից մեծ անկման ցանկացած անկյուն չի հանգեցնի նրան, որ ճառագայթի ոչ մի հատված ջուր-օդ միջերեսով չանցնի ավելի քիչ խիտ միջավայր: Ամբողջ ճառագայթը սահմանին կզգա ամբողջական արտացոլում:
Անցման կրիտիկական անկյան հաշվարկը θc կատարվում է բանաձևով.
θc=arcsin(n2/n1).
Մեդիա ջրի ևօդը 48 է, 77o.
Նկատի ունեցեք, որ այս երևույթը շրջելի չէ, այսինքն՝ երբ լույսը օդից ջուր է շարժվում, կրիտիկական անկյուն չկա։
Նկարագրված երևույթն օգտագործվում է օպտիկական մանրաթելերի շահագործման մեջ և լույսի ցրման հետ միասին անձրևի ժամանակ առաջնային և երկրորդային ծիածանների առաջացման պատճառ է հանդիսանում։
