გამოსახულებები ლინზებში, ინსტრუმენტების მუშაობა, როგორიცაა მიკროსკოპები და ტელესკოპები, ცისარტყელას ფენომენი და წყლის სიღრმის მატყუარა აღქმა სინათლის გარდატეხის ფენომენის მაგალითებია. ამ ფენომენის აღწერის კანონები განხილულია ამ სტატიაში.
რეფრაქციის ფენომენი
სინათლის გარდატეხის კანონების განხილვამდე ფიზიკაში, გავეცნოთ თავად ფენომენის არსს.
როგორც მოგეხსენებათ, თუ გარემო სივრცის ყველა წერტილში ერთგვაროვანია, მაშინ სინათლე მასში მოძრაობს სწორი გზის გასწვრივ. ამ ბილიკის გარდატეხა ხდება მაშინ, როდესაც სინათლის სხივი კვეთს კუთხით ორ გამჭვირვალე მასალას შორის, როგორიცაა მინა და წყალი ან ჰაერი და მინა. სხვა ერთგვაროვან გარემოზე გადასვლისას, სინათლე ასევე გადაადგილდება სწორი ხაზით, მაგრამ ის უკვე მიმართული იქნება გარკვეული კუთხით თავის ტრაექტორიაზე პირველ გარემოში. ეს არის სინათლის სხივის გარდატეხის ფენომენი.
ქვემოთ მოცემული ვიდეო გვიჩვენებს გარდატეხის ფენომენს, მაგალითად, მინის გამოყენებით.
აქ მნიშვნელოვანი წერტილი არის დაცემის კუთხეინტერფეისის თვითმფრინავი. ამ კუთხის მნიშვნელობა განსაზღვრავს, შეინიშნება თუ არა გარდატეხის ფენომენი. თუ სხივი ზედაპირზე პერპენდიკულარულად ეცემა, მაშინ მეორე გარემოში გადასვლის შემდეგ ის გააგრძელებს მოძრაობას იმავე სწორი ხაზის გასწვრივ. მეორე შემთხვევა, როდესაც გარდატეხა არ მოხდება, არის სხივის დაცემის კუთხეები, რომლებიც მიდის ოპტიკურად უფრო მკვრივი გარემოდან ნაკლებად მკვრივზე, რომლებიც აღემატება ზოგიერთ კრიტიკულ მნიშვნელობას. ამ შემთხვევაში, სინათლის ენერგია მთლიანად აისახება უკან პირველ გარემოში. ბოლო ეფექტი განხილულია ქვემოთ.
პირველი გარდატეხის კანონი
მას ასევე შეიძლება ეწოდოს სამი წრფის კანონი ერთ სიბრტყეში. დავუშვათ, არის A სინათლის სხივი, რომელიც ეცემა ორ გამჭვირვალე მასალას შორის. O წერტილში სხივი ირღვევა და იწყებს მოძრაობას B სწორი ხაზის გასწვრივ, რომელიც არ არის A-ს გაგრძელება. გარდატეხა შეიძლება ჩამოყალიბდეს შემდეგნაირად: დაცემის სხივი A, ნორმალური N და გარდატეხილი სხივი B მდებარეობს იმავე სიბრტყეში, რომელიც პერპენდიკულარულია ინტერფეისის სიბრტყის მიმართ.
ეს მარტივი კანონი არ არის აშკარა. მისი ფორმულირება ექსპერიმენტული მონაცემების განზოგადების შედეგია. მათემატიკურად, მისი მიღება შესაძლებელია ე.წ. ფერმას პრინციპის ან დროის უმცირესი პრინციპის გამოყენებით.
გატეხვის მეორე კანონი
სკოლის ფიზიკის მასწავლებლები ხშირად აძლევენ მოსწავლეებს შემდეგ დავალებას: „დააყალიბეთ სინათლის გარდატეხის კანონები“. ჩვენ განვიხილეთ ერთი მათგანი, ახლა გადავიდეთ მეორეზე.
აღნიშნეთ კუთხე A სხივსა და პერპენდიკულარ N-ს შორის, როგორც θ1, კუთხე B და N სხივებს შორის დაერქმევა θ2. ჩვენ ასევე გავითვალისწინებთ, რომ A სხივის სიჩქარე 1-ში არის v1, B სხივის სიჩქარე 2-ში არის v2. ახლა ჩვენ შეგვიძლია მივცეთ მე-2 კანონის მათემატიკური ფორმულირება განსახილველი ფენომენისთვის:
sin(θ1)/v1=ცოდვა(θ2)/ v2.
ეს ფორმულა მიიღო ჰოლანდიელმა სნელმა მე-17 საუკუნის დასაწყისში და ახლა მის გვარს ატარებს.
მნიშვნელოვანი დასკვნა გამომდინარეობს გამოთქმიდან: რაც უფრო დიდია სინათლის გავრცელების სიჩქარე გარემოში, მით უფრო შორს იქნება სხივი ნორმალურიდან (მით მეტია კუთხის სინუსი).
საშუალების რეფრაქციული ინდექსის კონცეფცია
ზემოხსენებული სნელის ფორმულა ამჟამად დაწერილია ოდნავ განსხვავებული ფორმით, რაც უფრო მოსახერხებელია გამოსაყენებლად პრაქტიკული პრობლემების გადაჭრისას. მართლაც, სინათლის v სიჩქარე მატერიაში, თუმცა ვაკუუმში ვაკუუმზე ნაკლებია, მაგრამ მაინც დიდი მნიშვნელობაა, რომლებთან მუშაობა რთულია. ამრიგად, ფიზიკაში შემოვიდა ფარდობითი მნიშვნელობა, რომლის ტოლობა წარმოდგენილია ქვემოთ:
n=c/v.
აქ c არის სხივის სიჩქარე ვაკუუმში. n-ის მნიშვნელობა გვიჩვენებს, რამდენჯერ აღემატება c-ის მნიშვნელობა v-ის მნიშვნელობას მასალაში. მას ამ მასალის რეფრაქციულ ინდექსს უწოდებენ.
შეყვანილი მნიშვნელობის გათვალისწინებით, სინათლის გარდატეხის კანონის ფორმულა გადაიწერება შემდეგი სახით:
sin(θ1)n1=ცოდვა(θ2) n2.
მასალა, რომელსაც აქვს დიდი მნიშვნელობა n,ოპტიკურად მკვრივს უწოდებენ. მასში გავლისას სინათლე ანელებს სიჩქარეს n-ჯერ უჰაერო სივრცის იგივე მნიშვნელობასთან შედარებით.
ეს ფორმულა აჩვენებს, რომ სხივი უფრო ახლოს იქნება ნორმასთან ოპტიკურად უფრო მკვრივ გარემოში.
მაგალითად, ჩვენ აღვნიშნავთ, რომ ჰაერის გარდატეხის ინდექსი თითქმის უდრის ერთს (1, 00029). წყლისთვის მისი ღირებულებაა 1.33.
მთლიანი ასახვა ოპტიკურად მკვრივ გარემოში
მოდით, ჩავატაროთ შემდეგი ექსპერიმენტი: დავიწყოთ სინათლის სხივი წყლის სვეტიდან მისი ზედაპირისკენ. ვინაიდან წყალი ოპტიკურად უფრო მკვრივია ვიდრე ჰაერი (1, 33>1, 00029), დაცემის კუთხე θ1 ნაკლები იქნება გარდატეხის კუთხეზე θ2. ახლა ჩვენ თანდათან გავზრდით θ1, შესაბამისად, θ2 ასევე გაიზრდება, ხოლო უტოლობა θ1.<θ2 ყოველთვის ჭეშმარიტი რჩება.
დადგება მომენტი, როცა θ1<90o და θ2=90 o. ამ კუთხეს θ1 ეწოდება კრიტიკული წყალ-ჰაერის წყვილისთვის. მასზე მეტი დაცემის ნებისმიერი კუთხე არ გამოიწვევს სხივის არც ერთ ნაწილს წყალ-ჰაერის ინტერფეისით ნაკლებად მკვრივ გარემოში. მთელი სხივი საზღვარზე განიცდის მთლიან ასახვას.
დაცემის კრიტიკული კუთხის გამოთვლა θc შესრულებულია ფორმულით:
θc=arcsin(n2/n1).
მედია წყლისთვის დაჰაერი არის 48, 77o.
გაითვალისწინეთ, რომ ეს ფენომენი არ არის შექცევადი, ანუ როდესაც სინათლე ჰაერიდან წყალში გადადის, არ არსებობს კრიტიკული კუთხე.
აღწერილი ფენომენი გამოიყენება ოპტიკური ბოჭკოების მუშაობაში და სინათლის დისპერსიასთან ერთად არის წვიმის დროს პირველადი და მეორადი ცისარტყელების გაჩენის მიზეზი.
