Refrakcia (lom): definícia, Snellov zákon a index lomu
Refrakcia, Snellov zákon a index lomu jasne a stručne: princípy lomu svetla, príklady (slamka, šošovky, hranol) a jednoduché výpočty pre rýchle pochopenie.
Lom (refrakcia) je zmena smeru vlnenia spôsobená zmenou jeho rýchlosti pri prechode medzi dvoma rôznymi prostrediami. Príkladmi vlnenia sú vlnenie všeobecne, medzi nimi zvukové a svetelné vlny. Lom sa najčastejšie pozoruje, keď vlna prechádza z jedného priehľadného prostredia do iného (napr. vzduch → voda alebo vzduch → sklo). Pri prechode sa mení fázová rýchlosť vlny i jej smer.
Ako lom prebieha
Keď vlna vstupuje do prostredia s inou hustotou, jej rýchlosť sa zmení. Napríklad svetlo prechádzajúce zo vzduchu do vody sa spomalí a jeho priechod je sprevádzaný zmenou smeru lúča. Ak svetlo vstupuje do hustejšieho prostredia (väčší index lomu), lúč sa približuje k normále k povrchu. Ak vystupuje z hustejšieho do redšieho prostredia, ohýba sa od normály.
Praktický príklad: vložíme slamku do pohára s vodou. Pri pohľade pod určitým uhlom sa časť slamky pod vodou javí „zlomená“ — to je dôsledok rôznej rýchlosti svetla vo vzduchu a vo vode a zodpovedajúceho lomu svetelných lúčov.
Pre ľahšiu vizualizáciu sa niekedy používa analógia s autom: keď auto poľahky vbehne šikmo na štrkový povrch, koleso, ktoré naráža prvé, sa spomalí a auto zmení smer. Podobne sa „prvky“ vlny pri vstupe do iného média inak spriahnu s prostredím, čo vedie k zmene smeru šírenia.
Index lomu
V optike je index lomu (označovaný n) bezrozmerné číslo, ktoré charakterizuje, ako rýchlo sa svetlo šíri v danom prostredí v porovnaní so rýchlosťou svetla vo vákuu. Je definovaný vzťahom
n = c v , {\displaystyle n={\frac {\mathrm {c} }{v}},} 
kde c je rýchlosť svetla vo vákuu a v je fázová rýchlosť svetla v danom prostredí. Index teda udáva, koľkokrát je svetlo v danom prostredí pomalšie než vo vákuu. Napríklad približné hodnoty indexu lomu: vzduch ≈ 1,0003, voda ≈ 1,333, bežné sklo ≈ 1,5 (hodnoty závisia od vlnovej dĺžky). Pri prechode do prostredia s väčším indexom lomu sa vlnová dĺžka zmenší podľa vzťahu λ = λ0 / n (frekvencia zostáva rovnaká).
Snellov zákon (zákon lomu)
Veľkosť lomu pri prechode medzi dvoma homogénnymi prostrediami opisuje Snellov zákon:
n1 · sin θ1 = n2 · sin θ2
kde n1 a n2 sú indexy lomu prvého a druhého prostredia a θ1, θ2 sú uhly medzi lúčom a normálou k rozhraní v príslušnom prostredí. Tento vzťah určuje, akým smerom a o koľko sa lúč „zlomí“ pri prechode cez povrch.
Ďalšie javy súvisiace s lomom
- Disperzia: Index lomu je všeobecne závislý na vlnovej dĺžke (frekvencii) svetla — rôzne farby sa lámu pod mierne odlišnými uhlami. To je dôvod, prečo hranol rozdeľuje biele svetlo na spektrum (hranole, rozdeľuje sa na farby dúhy).
- Kritický uhol a úplné vnútorné odrazenie: pri prechode zo strediska s vyšším indexom do nižšieho existuje uhol dopadu (kritický uhol), pri ktorom sa uhly lomu dosiahnu 90°. Pri väčších uhloch dôjde k úplnému vnútornému odrazeniu — svetlo sa neprelome, ale úplne odrazí späť do prvého média. Kritický uhol θc pre prechod z prostredia 1 (n1) do prostredia 2 (n2), ak n1 > n2, splňuje sin θc = n2 / n1.
- Polarizačné javy: pri špecifickom uhle (Brewsterov uhol) sa odrazené svetlo stáva úplne polarizované; vzťah pre Brewsterov uhol je tan θB = n2 / n1 (pri prechode z n1 do n2).
- Fázová vs. skupinová rýchlosť: index definovaný cez fázovú rýchlosť nemusí vždy opisovať rýchlosť prenosu energie alebo informácie (skupinová rýchlosť), najmä v disperzných alebo absorpčných materiáloch.
Aplikácie
- Šošovky a optické prístroje fungujú na základe lomu: tvar a materiál šošovky určujú zbiehavosť alebo rozbiehavosť lúčov a tým zaostrovanie obrazu.
- Optické vlákna využívajú úplné vnútorné odrazenie (pri vhodnom indexovom profile) na prenos svetla na veľké vzdialenosti s nízkymi stratami.
- Hranoly a rozklad svetla (spektrometria), korekcia farebných chýb v optických sústavách (achromatické šošovky) a množstvo ďalších aplikácií v optike a fotonike závisí od pochopenia lomu a disperzie.
Zhrnutie
Lom (refrakcia) je základný optický jav, pri ktorom sa smer a rýchlosť vlny menia pri prechode medzi médiami s rôznym indexom lomu. Veľkosť lomu sa určuje Snellovým zákonom (n1 sin θ1 = n2 sin θ2). Index lomu závisí od vlnovej dĺžky, čo vedie k disperzii (rozdeleniu farieb). Pochopenie týchto javov je kľúčové pre návrh optických prístrojov, vlákien a pre vysvetlenie každodenných javov, ako je „zlomená“ slamka vo vode alebo dúha na oblohe.
Lom svetelného lúča v plastovom bloku.
Pri pohľade pod určitým uhlom sa zdá, že sa slamka ohýba v dôsledku lomu svetla pri pohybe vo vzduchu.
Diagram refrakcie
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je lom svetla?
Odpoveď: Refrakcia je zmena smeru vlnenia spôsobená zmenou rýchlosti vlnenia. Príkladom vlnenia sú zvukové a svetelné vlny. Lom sa najčastejšie pozoruje, keď vlna prechádza z jedného priehľadného prostredia do iného priehľadného prostredia.
Otázka: Ako funguje refrakcia?
Odpoveď: Keď vlna prechádza z jedného priehľadného prostredia do iného priehľadného prostredia, vlna zmení svoju rýchlosť a smer. Napríklad, keď svetelná vlna prechádza vzduchom a potom prejde do vody, vlna sa spomalí a zmení smer. V tejto vlastnosti pri prechode svetla prostredím dochádza k polarizácii elektrónov, čo následne znižuje rýchlosť svetla, a tým mení jeho smer. Keď svetlo prechádza do prostredia, ktoré je hustejšie, svetelný lúč sa "ohne" smerom k normále. Keď sa vráti do menej hustého prostredia (s nižším indexom lomu), ohne sa späť o rovnaký uhol ako pri vstupe (ak je povrch na výstupe rovnobežný s povrchom na vstupe).
Otázka: Aké sú príklady fungovania lomu?
Odpoveď: Príkladom fungovania lomu je vloženie slamky do pohára s vodou, pričom časť slamky je vo vode. Pri pohľade pod určitým uhlom sa zdá, že slamka sa na povrchu vody ohýba v dôsledku zmeny hustoty medzi vzduchom a vodou, čo spôsobuje ohýbanie svetelných lúčov pri ich prechode z jedného prostredia do druhého. Ďalším príkladom by mohli byť šošovky fungujúce na princípe lomu; keď sa svetlo láme v hranole, rozdeľuje sa na farby, pretože niektoré vlnové dĺžky sa ohýbajú viac ako iné v dôsledku rozdielnej hustoty medzi médiami, ktoré spôsobujú rôzne ohýbanie pre každú vlnovú dĺžku.
Otázka: Čo je to optický index alebo index lomu?
Odpoveď: V optike optický index alebo index lomu n opisuje, ako sa žiarenie, napríklad svetlo, pohybuje cez danú látku alebo materiál. Možno ho definovať ako n = c/v, kde c predstavuje rýchlosť svetla vo vákuu a v predstavuje fázovú rýchlosť svetla v danom materiáli alebo látke.
Otázka: Ktorý zákon využíva optické indexy ?
Odpoveď:Snellov zákon používa optické indexy alebo indexy na výpočet množstva iffrefaction .
Prehľadať