זווית השבירה של האלומה

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 17:47

היום נחשוף מהי זווית השבירה של גל אלקטרומגנטי (מה שנקרא אור) וכיצד נוצרים חוקיו.

עין, עור, מוח

לאדם יש חמישה חושים עיקריים. מדענים רפואיים מבחינים עד אחת עשרה תחושות שונות (לדוגמה, תחושת לחץ או כאב). אבל אנשים מקבלים את רוב המידע שלהם דרך העיניים שלהם. עד תשעים אחוז מהעובדות הזמינות שהמוח האנושי מודע להן כרעידות אלקטרומגנטיות. אז אנשים מבינים בעיקר יופי ואסתטיקה מבחינה ויזואלית. זווית השבירה של האור משחקת תפקיד חשוב בכך.

מדבר, אגם, גשם

העולם מסביב חדור באור השמש. אוויר ומים מהווים את הבסיס למה שאנשים אוהבים. כמובן, יש יופי קשה לנופי מדבר צחיחים, אבל בעיקר אנשים מעדיפים קצת לחות.

האדם תמיד היה מוקסם מנחלי הרים ונהרות שפלה חלקים, אגמים רגועים וגלים מתגלגלים של ים, נתזי מפל וחלום קר של קרחונים. לא פעם כולם שמו לב ליופי של משחקי האור בטל על הדשא, לניצוץ של כפור על הענפים, בלובן החלבי של הערפל וביופי הקודר של עננים נמוכים. וכל ההשפעות הללו נוצרותהודות לזווית השבירה של האלומה במים.

עין, סולם אלקטרומגנטי, קשת בענן

אור הוא תנודה של השדה האלקטרומגנטי. אורך הגל ותדירותו קובעים את סוג הפוטון. תדר הרטט קובע אם זה יהיה גל רדיו, קרן אינפרא אדומה, ספקטרום של צבע כלשהו הנראה לאדם, קרינת אולטרה סגול, רנטגן או גמא. בני אדם מסוגלים לתפוס בעיניים רעידות אלקטרומגנטיות באורכי גל הנעים בין 780 (אדום) ל-380 (סגול) ננומטר. בקנה מידה של כל הגלים האפשריים, קטע זה תופס שטח קטן מאוד. כלומר, אנשים אינם מסוגלים לתפוס את רוב הספקטרום האלקטרומגנטי. וכל היופי הנגיש לאדם נוצר מההבדל בין זווית הפגיעה וזווית השבירה בגבול בין אמצעי התקשורת.

ואקום, שמש, כוכב לכת

צילומים נפלטים על ידי השמש כתוצאה מתגובה תרמו-גרעינית. היתוך של אטומי מימן והולדת הליום מלווה בשחרור של מספר עצום של חלקיקים שונים, כולל קוונטות אור. בוואקום, גלים אלקטרומגנטיים מתפשטים בקו ישר ובמהירות הגבוהה ביותר האפשרית. כאשר הוא נכנס לתווך שקוף וצפוף יותר, כמו האטמוספירה של כדור הארץ, האור משנה את מהירות ההתפשטות שלו. כתוצאה מכך, הוא משנה את כיוון ההתפשטות. כמה קובע את מקדם השבירה. זווית השבירה מחושבת באמצעות נוסחת Snell.

חוק סנל

המתמטיקאי ההולנדי וילברורד סנל עבד כל חייו עם זוויות ומרחקים. הוא הבין איך למדוד מרחקים בין ערים, איך למצוא נתוןנקודה בשמיים. לא פלא שהוא מצא דפוס בזוויות שבירת האור.

נוסחת החוק נראית כך:

• ₁sin θ₁ =n₂sin θ_2.

בביטוי זה, לתווים יש את המשמעות הבאה:

• ₁ ו-n_{2 הם מדדי השבירה של בינוני אחד (ממנו נופלת האלומה) ושל בינוני 2 (היא נכנסת אליו);}
• θ₁ ו-θ_{2 הם זווית הפגיעה והשבירה של האור, בהתאמה.}

הסברים לחוק

יש צורך לתת כמה הסברים לנוסחה זו. זוויות θ פירושן מספר המעלות שנמצאת בין כיוון ההתפשטות של האלומה לנורמלי לפני השטח בנקודת המגע של אלומת האור. מדוע משתמשים ברגיל במקרה זה? כי במציאות אין משטחים שטוחים למהדרין. ומציאת הנורמלי לכל עקומה היא די פשוטה. בנוסף, אם הזווית בין גבול המדיה לבין האלומה הפוגעת x ידועה בבעיה, אז הזווית הנדרשת θ היא רק (90º-x).

לרוב, אור חודר ממדיום (אוויר) נדיר יותר לתווך צפוף יותר (מים). ככל שהאטומים של המדיום קרובים יותר זה לזה, כך הקרן נשברת חזקה יותר. לכן, ככל שהמדיום צפוף יותר, זווית השבירה גדולה יותר. אבל זה קורה גם הפוך: אור נופל מהמים לאוויר או מהאוויר לוואקום. בנסיבות כאלה, עלול להיווצר מצב שבו n₁sin θ₁>n_{2. כלומר, כל האלומה תשתקף בחזרה למדיום הראשון. תופעה זו נקראת פנימית טוטאליתהִשׁתַקְפוּת. הזווית שבה מתרחשות הנסיבות שתוארו לעיל נקראת זווית השבירה המגבילה.}

מה קובע את אינדקס השבירה?

ערך זה תלוי רק בתכונות החומר. למשל, ישנם גבישים שעבורם זה משנה באיזו זווית הקרן נכנסת. האניזוטרופיה של המאפיינים מתבטאת בשבירה דו-פעמית. יש מדיה שעבורן חשוב הקיטוב של הקרינה הנכנסת. יש לזכור גם שזווית השבירה תלויה באורך הגל של הקרינה הפוגעת. על ההבדל הזה מבוסס הניסוי בחלוקת האור הלבן לקשת בענן על ידי מנסרה. יש לציין כי טמפרטורת המדיום משפיעה גם על מקדם השבירה של הקרינה. ככל שהאטומים של גביש רוטטים מהר יותר, כך המבנה שלו והיכולת לשנות את כיוון התפשטות האור מתעוותים יותר.

דוגמאות לערך של אינדקס השבירה

אנו נותנים ערכים שונים לסביבות מוכרות:

1. מלח (נוסחה כימית NaCl) כמינרל נקרא "הליט". מקדם השבירה שלו הוא 1.544.
2. זווית השבירה של זכוכית מחושבת ממקדם השבירה שלה. בהתאם לסוג החומר, ערך זה משתנה בין 1.487 ל-2.186.
3. יהלום מפורסם בדיוק בזכות משחקי האור שבו. תכשיטנים לוקחים בחשבון את כל המישורים שלו בעת חיתוך. מקדם השבירה של יהלום הוא 2.417.
4. למים מטוהרים מזיהומים יש מקדם שבירה של 1.333. H_{2O הוא ממס טוב מאוד. לכן, אין מים טהורים מבחינה כימית בטבע. כל באר, כל נהר מאופייןעם ההרכב שלו. לכן גם מקדם השבירה משתנה. אבל כדי לפתור בעיות בית ספר פשוטות, אתה יכול לקחת את הערך הזה.}

Jupiter, Saturn, Callisto

עד עכשיו, דיברנו על היופי של העולם הארצי. מה שנקרא תנאים נורמליים מרמזים על טמפרטורה ולחץ ספציפיים מאוד. אבל ישנם כוכבי לכת אחרים במערכת השמש. יש נופים שונים למדי.

בצדק, למשל, אפשר לראות אובך ארגון בענני מתאן ובעליות הליום. נפוצות שם גם זוהר-רנטגן.

בשבתאי, ערפילי אתאן מכסים את אטמוספירת המימן. בשכבות התחתונות של כדור הארץ יורד גשמי יהלומים מענני מתאן חמים מאוד.

עם זאת, לירח הקפוא הסלעי של צדק Callisto יש אוקיינוס פנימי עשיר בפחמימנים. אולי חיידקים אוכלי גופרית חיים במעמקיו.

ובכל אחד מהנופים האלה, משחקי האור על משטחים, קצוות, מדפים ועננים שונים יוצר יופי.