Prilikom rješavanja problema u optici često je potrebno znati indeks loma stakla, vode ili druge tvari. Štaviše, u različitim situacijama mogu biti uključene i apsolutne i relativne vrijednosti ove količine.

Dvije vrste indeksa prelamanja

Prvo, da ovaj broj pokazuje: kako smjer širenja svjetlosti mijenja ovaj ili onaj prozirni medij. Štoviše, elektromagnetski val može doći iz vakuuma, a tada će se indeks loma stakla ili druge tvari nazvati apsolutnim. U većini slučajeva, njegova vrijednost se kreće od 1 do 2. Samo u vrlo rijetkim slučajevima, indeks prelamanja se ispostavi da je veći od dva.

Ako se, međutim, ispred objekta nalazi medij gušće od vakuuma, onda već govore o relativnoj vrijednosti. A izračunava se kao omjer dvije apsolutne vrijednosti. Na primjer, relativni indeks loma vodenog stakla bit će jednak kvocijentu apsolutnih vrijednosti za staklo i vodu.

U svakom slučaju, označava se latiničnim slovom "en" - n. Ova vrijednost se dobija dijeljenjem istoimenih vrijednosti jedna s drugom, stoga je to samo koeficijent koji nema naziv.

Koja je formula za izračunavanje indeksa prelamanja?

Ako upadni ugao uzmemo kao "alfa", a ugao prelamanja označimo kao "beta", tada formula za apsolutnu vrijednost indeksa prelamanja izgleda ovako: n = sin α / sin β. U literaturi na engleskom jeziku često možete pronaći drugu oznaku. Kada je upadni ugao i, a refrakcija r.

Postoji još jedna formula za izračunavanje indeksa prelamanja svjetlosti u staklu i drugim prozirnim medijima. Ona je povezana sa brzinom svjetlosti u vakuumu i sa njom, ali već u supstanci o kojoj se govori.

Tada to izgleda ovako: n = c / νλ. Ovdje je c brzina svjetlosti u vakuumu, ν je njena brzina u providnom mediju, a λ je talasna dužina.

Od čega zavisi indeks loma?

Određuje se brzinom kojom svjetlost putuje u mediju koji se razmatra. Zrak je u tom pogledu vrlo blizak vakuumu, tako da svjetlosni valovi koji se u njemu šire praktički ne odstupaju od prvobitnog smjera. Stoga, ako se odredi indeks prelamanja staklenog zraka ili neke druge tvari koja graniči sa zrakom, onda se potonji uobičajeno uzima kao vakuum.

Svako drugo okruženje ima svoje karakteristike. Imaju različite gustine, imaju svoju temperaturu, kao i elastična naprezanja. Sve ovo utiče na rezultat prelamanja svetlosti materijom.

Karakteristike svjetlosti igraju važnu ulogu u promjeni smjera širenja valova. Bijelo svjetlo se sastoji od mnogih boja, od crvene do ljubičaste. Svaki dio spektra se lomi na svoj način. Štaviše, vrijednost indikatora za val crvenog dijela spektra uvijek će biti manja od ostalih. Na primjer, indeks prelamanja TF-1 stakla varira od 1,6421 do 1,67298, respektivno, od crvenog do ljubičastog dijela spektra.

Primjeri vrijednosti za različite supstance

Ovdje su vrijednosti apsolutnih vrijednosti, odnosno indeksa loma kada snop prolazi iz vakuuma (koji je izjednačen sa zrakom) kroz drugu tvar.

Ovi brojevi će biti potrebni ako trebate odrediti indeks loma stakla u odnosu na druge medije.

Koje se druge veličine koriste u rješavanju problema?

Potpuna refleksija. Uočava se kada svjetlost prelazi iz gušće sredine u manje gustu. Ovdje, pri određenoj vrijednosti upadnog ugla, prelamanje se javlja pod pravim uglom. To jest, zrak klizi duž granice dva medija.

Granica ukupne refleksije je minimalna vrijednost pri kojoj svjetlost ne izlazi u manje gusto okruženje. Manje - dolazi do prelamanja, a više - refleksije u isti medij iz kojeg se svjetlost kretala.

Problem broj 1

Stanje. Indeks prelamanja stakla je 1,52. Potrebno je odrediti granični ugao pod kojim se svjetlost u potpunosti reflektira od granice između površina: staklo sa zrakom, voda sa zrakom, staklo s vodom.

Trebat ćete koristiti podatke za indeks loma vode date u tabeli. Za vazduh se uzima da je jednako jedan.

Rješenje u sva tri slučaja se svodi na izračunavanje pomoću formule:

sin α 0 / sin β = n 1 / n 2, gdje se n 2 odnosi na medij iz kojeg se svjetlost širi, a n 1 gdje prodire.

Slovo α 0 označava granični ugao. β vrijednost je 90 stepeni. To jest, njegov sinus će biti jedan.

Za prvi slučaj: sin α 0 = 1 / n stakla, tada se granični ugao ispostavi da je jednak arksinusu stakla 1 / n. 1 / 1,52 = 0,6579. Ugao je 41,14°.

U drugom slučaju, prilikom određivanja arcsinusa, potrebno je zamijeniti vrijednost indeksa loma vode. Razlomak 1 / n vode će poprimiti vrijednost 1 / 1,33 = 0,7519. Ovo je arksinus ugla 48,75º.

Treći slučaj je opisan omjerom n vode i n stakla. Arksinus će se morati izračunati za razlomak: 1,33 / 1,52, odnosno broj 0,875. Vrijednost graničnog ugla nalazimo po njegovom arksinusu: 61,05º.

Odgovor: 41,14º, 48,75º, 61,05º.

Problem broj 2

Stanje. Staklena prizma je uronjena u posudu sa vodom. Indeks prelamanja mu je 1,5. Prizma je zasnovana na pravokutnom trouglu. Veća noga je okomita na dno, a druga je paralelna s njom. Svjetlosni snop normalno pada na gornju stranu prizme. Koliki bi trebao biti najmanji ugao između horizontalno postavljenog kraka i hipotenuze da bi svjetlost stigla do kraka, koji je okomit na dno posude, a izvan prizme?

Da bi zraka izašla iz prizme na opisani način, ona mora pasti pod graničnim uglom na unutrašnju stranu (onu koja je hipotenuza trokuta u presjeku prizme). Po konstrukciji, ovaj granični ugao ispada jednak željenom kutu pravokutnog trougla. Iz zakona loma svjetlosti ispada da je sinus graničnog ugla podijeljen sa sinusom od 90 stupnjeva jednak omjeru dva indeksa prelamanja: vode i stakla.

Proračuni dovode do sljedeće vrijednosti za granični ugao: 62º30´.

Refrakcija svjetlosti.

Ako svjetlosni snop padne na površinu koja razdvaja dva prozirna medija različite optičke gustoće, na primjer, zrak i vodu, tada se dio svjetlosti odbija od ove površine, a drugi dio prodire u drugi medij. Prilikom prelaska iz jednog medija u drugi, svjetlosni snop mijenja smjer na granici ovih medija. Ova pojava se naziva lom svjetlosti.

Pogledajmo bliže lom svjetlosti. Na slici n prikazani su: upadni zrak dd, prelomljeni zrak OV i okomito CD, oporavljeno od tačke udara O na površinu koja razdvaja dva različita medija. Injekcija AOC- upadni ugao, ugao DOB je ugao prelamanja. Ugao prelamanja DOB manji upadni ugao AOC.

Zraka svetlosti at prijelaz iz zraka u vodu mijenja svoj smjer, približavajući se okomici CD. Voda je optički gušća od vazduha. Ako se vodu zamijeni nekim drugim providnim medijem, optički gušćim od zraka, tada će se i prelomljena zraka približiti okomici. Stoga možemo reći: ako svjetlost prelazi iz optički manje guste sredine u gustu sredinu, tada je ugao prelamanja uvijek manji od upadnog ugla.

Eksperimenti pokazuju da je, za isti upadni ugao, ugao prelamanja manji, što je medij u koji snop prodire optički gušće.
Ako se ogledalo postavi okomito na snop na putanji prelomljenog zraka, tada će se svjetlost reflektirati od ogledala i izaći će iz vode u zrak u smjeru upadnog snopa. Prema tome, upadne i prelomljene zrake su reverzibilne na isti način kao što su upadne i reflektirane zrake reverzibilne.
Ako svjetlost dolazi iz optički gušće sredine u manje gustu sredinu, tada je ugao prelamanja zraka veći od upadnog ugla.

Hajde da napravimo mali eksperiment kod kuće. m kod kuće mali eksperiment. am morate staviti olovku u čašu vode i izgledat će slomljena. NS ovo se može objasniti samo činjenicom da zraci svjetlosti koji dolaze iz olovke imaju drugačiji smjer u vodi nego u zraku, odnosno svjetlost se lomi na granici zraka i vode. Kada svjetlost prelazi iz jednog medija u drugi, dio svjetlosti koja pada na nju reflektuje se na interfejsu. Ostatak svjetlosti ulazi u novo okruženje. Ako svjetlost pada pod uglom koji nije pravi ugao u odnosu na sučelje, svjetlosni snop mijenja smjer od sučelja.
Ovo se zove fenomen prelamanja svjetlosti. Fenomen prelamanja svjetlosti uočen je na granici dva prozirna medija i objašnjava se različitom brzinom prostiranja svjetlosti u različitim medijima. U vakuumu, brzina svjetlosti je otprilike 300.000 km/s, u svim ostalima

sa manje je u crvenoj boji.

Slika ispod prikazuje snop koji prelazi iz zraka u vodu. Ugao se zove upadni ugao zraka, a - ugao prelamanja. Obratite pažnju na to kako se zrak približava normali u vodi. Ovo se dešava kad god snop udari u medijum gde je brzina svetlosti manja. Ako se svjetlost širi iz jedne sredine u drugu, gdje je brzina svjetlosti veća, tada ona odstupa od normale.

Refrakciju uzrokuje niz dobro poznatih optičkih iluzija. Na primjer, posmatraču na obali čini se da osoba koja je u vodu ušla do pojasa ima kraće noge.

Zakoni prelamanja svjetlosti.

Iz svega rečenog zaključujemo:
1 . Na granici između dva medija različite optičke gustoće, svjetlosni snop mijenja svoj smjer kada prelazi iz jednog medija u drugi.
2. Kada svjetlosni snop pređe u medij sa većimugao prelamanja optičke gustinemanji upadni ugao; prilikom prolaska snopa svetlostiiz optički gušćeg medija u medij manjegusti ugao prelamanja je veći od ugla jastučićaniya.
Prelamanje svjetlosti je praćeno refleksijom, a sa povećanjem upadnog ugla povećava se sjaj reflektovanog snopa, a smanjuje se sjaj prelomljenog zraka. To se vidi kroz iskustvo. prikazano na slici. WITH Posljedično, što je veći upadni ugao, to više svjetlosne energije reflektirani snop nosi sa sobom.

Neka bude MN- granica između dva prozirna medija, na primjer, zraka i vode, JSC- upadni snop, OV- prelomljena zraka, - upadni ugao, - ugao prelamanja, - brzina prostiranja svetlosti u prvoj sredini, - brzina prostiranja svetlosti u drugoj sredini.

Prvi zakon refrakcije zvuči ovako: omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja je konstantna vrijednost za ova dva medija:

, gdje je relativni indeks loma (indeks prelamanja drugog medija u odnosu na prvi).

Drugi zakon loma svjetlosti je vrlo sličan drugom zakonu refleksije svjetlosti:

upadna zraka, prelomljena zraka i okomica povučena na tačku upada zraka leže u istoj ravni.

Apsolutni indeks loma.

Brzina širenja svjetlosti u zraku je skoro ista kao i brzina svjetlosti u vakuumu: SMS.

Ako svjetlost uđe iz vakuuma u neki medij, onda

gdje je n apsolutni indeks loma ovo okruženje. Relativni indeks loma dva medija povezan je s apsolutnim indeksima prelamanja ovih medija, gdje su i apsolutni indeksi prelamanja prvog i drugog medija, respektivno.

Apsolutni indeksi loma svjetlosti:

Supstanca

Dijamant 2.42. Kvarc 1.54. Vazduh (pod normalnim uslovima) 1,00029. Etil alkohol 1.36. Voda 1.33. Led 1.31. Terpentin 1.47. Taljeni kvarc 1.46. CZK 1,52. Laki kremen 1.58. Natrijum hlorid (sol) 1,53.

(Kao što ćemo kasnije vidjeti, indeks loma n donekle varira u zavisnosti od talasne dužine svetlosti - zadržava konstantnu vrednost samo u vakuumu. Stoga su podaci u tabeli za žuto svjetlo s talasnom dužinom.)

Na primjer, budući da se za dijamant svjetlost širi u dijamantu brzinom

Optička gustina medija.

Ako je apsolutni indeks loma prvog medija manji od apsolutnog indeksa prelamanja drugog medija, tada prvi medij ima nižu optičku gustoću od drugog i>. Optičku gustinu medija ne treba brkati sa gustinom supstance.

Prenos svjetlosti kroz ravnoparalelnu ploču i prizmu.

Prenos svjetlosti kroz prozirna tijela različitih oblika od velike je praktične važnosti. Razmotrimo najjednostavnije slučajeve.
Usmjerimo snop svjetlosti kroz debelu ravnoparalelnu ploču (ploča ograničena paralelnim rubovima). Prolazeći kroz ploču, svjetlosni snop se lomi dva puta: jednom kada uđe u ploču, drugi put kada izađe iz ploče u zrak.

Svjetlosni snop koji prolazi kroz ploču ostaje paralelan svom izvornom smjeru i samo je malo pomjeren. Ovaj pomak je veći, što je ploča deblja i što je veći upadni ugao. Količina pomaka također ovisi o tvari od koje je ploča napravljena.
Primjer ravnoparalelne ploče je prozorsko staklo. Ali kada gledamo predmete kroz staklo, ne primjećujemo promjene u njihovom položaju i obliku jer je staklo tanko; zraci svetlosti prolaze prozorsko staklo, blago pomaknuto.
Ako posmatramo objekat kroz prizmu, onda se čini da je predmet pomeren. Zraka svjetlosti koja izlazi iz predmeta pada na prizmu u jednoj tački A, lomi se i ide unutar prizme u pravcu AB Došavši do druge fasete prizme. svjetlosni snop se još jednom prelama, odbijajući se prema osnovi prizme. Stoga se čini da snop dolazi iz tačke. pozicioniran na nastavku BC snopa, to jest, čini se da je predmet pomaknut do vrha ugla koji formiraju prelamajuće površine prizme.

Potpuna refleksija svjetlosti.

Predivan prizor je fontana u kojoj su izbačeni mlaznici osvijetljeni iznutra. (Ovo se može prikazati u normalnim uvjetima izvođenjem sljedećeg eksperimenta br. 1). U nastavku ćemo objasniti ovaj fenomen.

Kada svjetlost prelazi iz optički gušće sredine u optički manje gusto, uočava se fenomen totalne refleksije svjetlosti. Ugao prelamanja u ovom slučaju je veći od upadnog ugla (slika 141). Sa povećanjem kuta upada svjetlosnih zraka iz izvora S na interfejs između dva medija MN doći će trenutak kada se zrak prelomi će ići duž interfejsa između dva medija, to jest, = 90 °.

Upadni ugao, koji odgovara kutu prelamanja = 90°, naziva se granični ugao ukupne refleksije.

Ako se ovaj ugao prekorači, tada zraci uopće neće napustiti prvi medij, već će se uočiti samo fenomen refleksije svjetlosti sa međuprostora između dva medija.

Iz prvog zakona refrakcije:

Od tada.

Ako je drugi medij zrak (vakum), gdje n je apsolutni indeks prelamanja medija iz kojeg dolaze zraci.

Objašnjenje fenomena koji opažate u svom iskustvu je prilično jednostavno. Zraka svjetlosti prolazi duž toka vode i udara u zakrivljenu površinu pod uglom većim od graničnog, doživljava potpunu unutrašnju refleksiju, a zatim ponovo udara na suprotnu stranu toka pod uglom opet većim od graničnog. Tako snop prolazi duž potoka, savijajući se s njim.

Ali kada bi se svjetlost u potpunosti reflektirala unutar mlaza, onda ne bi bila vidljiva izvana. Dio svjetlosti se raspršuje vodom, mjehurićima zraka i raznim nečistoćama prisutnim u njemu, kao i zbog nepravilnosti na površini mlaza, pa je vidljivo spolja.

Bez sumnje, znate kako su junaci romana Žila Verna "Misteriozno ostrvo", napušteni na nenaseljenoj zemlji, proizvodili vatru bez šibica i kremena. Munje su pritekle u pomoć Robinzonu, paleći drvo, ali novi Robinzoni od Julesa Verneu je pomogla ne slučajno, već snalažljivost upućenog inženjera i njegovo čvrsto poznavanje zakona fizike. Sjetite se kako je naivni mornar Pencroff bio iznenađen kada je, vraćajući se iz lova, zatekao inženjera i novinara ispred rasplamsana vatra.
"Ali ko je zapalio vatru?", upitao je mornar.
"Sunce", odgovorio je Spilett.
Novinar se nije šalio. Zaista, sunce je dalo vatru kojoj se mornar toliko divio. Nije mogao vjerovati svojim očima i bio je toliko zadivljen da nije mogao ni ispitati inženjera.
- Dakle, imao si zapaljeno staklo? upitao je Herbert inženjera.
- Ne, ali uspeo sam.
I on je to pokazao. Inženjer je skinuo samo dvije čaše sa svog sata i sa Spilettovog. Njihove rubove spojio je glinom, prethodno ih je napunio vodom, i tako je dobio pravu zapaljivu leću, uz pomoć koje je, koncentrišući sunčeve zrake na suhu mahovinu, inženjer proizveo vatru."
Čitalac će, mislim, poželeti da zna zašto je potrebno da se prostor između stakla satova ispuni vodom: ne koncentriše li zrake bikonveksno sočivo ispunjeno vazduhom?
Ne, nije. Staklo sata ograničeno je sa dvije paralelne (koncentrične) površine – vanjskom i unutrašnjom; a iz fizike je poznato da, prolazeći kroz sredinu omeđenu takvim površinama, zraci jedva mijenjaju svoj smjer. Zatim, prolazeći kroz drugu čašu iste vrste, ni ovdje ne odstupaju, pa se stoga ne skupljaju u fokusu. Za fokusiranje zraka u jednu tačku potrebno je popuniti prostor između čaša nekom prozirnom tvari koja bi prelamala zrake više od zraka. To je upravo ono što je inženjer uradio u romanu Žila Verna.
Običan bokal vode, ako ima sferni oblik, može poslužiti i kao zapaljivo sočivo. To su znali već stari ljudi, koji su također primijetili da sama voda ostaje hladna. Dešavalo se čak i da je dekanter vode koji je stajao na otvorenom prozoru zapalio zavese, stolnjak i ugljenisao sto. Te ogromne kugle sa vodom u boji, kojima su, po starom običaju, ukrašavali izloge apoteka, ponekad su mogle biti uzrok pravih katastrofa, izazivajući paljenje zapaljivih materija koje se nalaze u blizini.
Uz malu okruglu tikvicu napunjenu vodom, čak i uz malu tikvicu, možete dovesti vodu izlivenu na staklo sata da proključa: za to je dovoljna tikvica prečnika 12 centimetara. Na 15 cm u fokusu [Fokus je postavljen vrlo blizu sijalice], postiže se temperatura od 120°. Lako je zapaliti cigaretu čuturom vode kao i staklenim sočivom, o čemu je Lomonosov napisao u svojoj pesmi „O upotrebi stakla“:

Mi smo plamen solarnog stakla
A Prometej tako udobno oponaša.
Zaklinjem se u podlost ovih nezgodnih laži,
Pušimo duhan nebeskom vatrom bez grijeha.

Međutim, treba napomenuti da je zapaljivi efekat vodenih sočiva mnogo slabiji od staklenih. To je zbog, prvo, činjenice da je lom svjetlosti u vodi mnogo manji nego u staklu, a drugo, voda snažno apsorbira infracrvene zrake, koje igraju važnu ulogu u zagrijavanju tijela.
Zanimljivo je da su zapaljivi efekti staklene leće bili poznati starim Grcima, više od jednog milenijuma prije pronalaska naočala i teleskopa. Pominje ga Aristofan u poznatoj komediji "Oblaci." Sokrat nudi Streptiji problem:
„Kada bi vam neko napisao obavezu u pet talenata, kako biste je uništili?
Streptidi. Našao sam kako da uništim obavezu, ali tako da i sami priznate lukavo! Jeste li, naravno, vidjeli u ljekarnama lijep, prozirni kamen kojim svijetle?
Sokrat. Zapaljivo staklo?
Streptidi. Upravo.
Sokrat. Šta je sledeće?
Streptidi. Dok notar piše, ja ću, stojeći iza njega, usmjeriti zrake Sunca na obavezu, ali riječi će sve otopiti..."
Podsjećam radi pojašnjenja da su Grci Aristofanovog vremena pisali na voštanim pločama, koje su se lako topile od vrućine.

Kako zapaliti vatru ledom?

Led može poslužiti i kao materijal za bikonveksno sočivo, a samim tim i za paljenje vatre, ako je dovoljno providan. U ovom slučaju, led, prelamajući zrake, sam se ne zagrijava i ne topi. Indeks loma leda je tek nešto manji od vode, a ako je, kao što smo vidjeli, moguće proizvesti vatru kuglom ispunjenom vodom, onda je to moguće i uz pomoć ledenog sočiva.
Ledeno sočivo dobro je poslužilo u "Putovanju kapetana Haterasa" Žila Verna. Dr. Kloboni je na ovaj način zapalio vatru kada su putnici izgubili kremen i ostali bez vatre, na strašnom mrazu od 48 stepeni.
"Ovo je nesreća", rekao je Hatteras doktoru.
- Da - odgovorio je.
“Nemamo čak ni teleskop kojim bismo mogli ukloniti sočivo i dobiti vatru.
„Znam“, odgovorio je doktor, „i šteta nije: sunčevi zraci su dovoljno jaki da zapale trutu.
„Šta da radimo, moraćemo da utažimo glad sirovim medvjeđim mesom“, rekao je Hatteras.
„Da“, reče doktor zamišljeno, „kao poslednje sredstvo. Ali zašto ne bismo...
- Šta namjeravaš? upita Hatteras radoznalo.
- Pade mi na pamet jedna misao...
- Mislio? - uzviknuo je čamac. - Ako vam padne na pamet, onda smo spašeni!
„Ne znam kako će to biti moguće“, oklevao je doktor.
- Šta si smislio? - upitao je Hatteras.
- Nemamo sočivo, ali napravićemo ga.
- Kako? - upitao je bocman.
- Sameljite ga iz komadića leda.
“Pretpostavljate li...
- Zašto ne? Uostalom, potrebno je samo da su sunčeve zrake dovedene u jednu tačku, a u tu svrhu led može zamijeniti najbolji kristal za nas. Samo bih više volio komad slatkovodnog leda: jači je i prozirniji.
- Evo, ako se ne varam, ovaj blok leda - pokazao je čamac na ledenu plohu stotinu koraka od putnika - sudeći po njenoj boji, ima baš ono što vam treba.
- Upravu si. Uzmi svoju sjekiru. Hajde, prijatelji moji.
Sva trojica su otišla do naznačenog bloka leda. Zaista, ispostavilo se da je led slatkovodan.
Doktor je naredio da se odsiječe komad leda prečnika metar i počeše ga sjeći sjekirom. Zatim ga je dovršio nožem, na kraju ga je postepeno brusio rukom. Rezultat je prozirno sočivo, kao iz najboljeg kristala. Sunce je bilo prilično sjajno. Doktor je izložio sočivo svojim zracima i usredsredio ih na ljusku. Nekoliko sekundi kasnije tinder se zapalio.”

Fig. 113. "Doktor je usredsredio sunčeve zrake na tinder."
Priča Žila Verna nije baš fantastična: eksperimenti sa paljenjem drveta ledenom sočivom, prvi put uspešno izvedeni u Engleskoj sa veoma velikom sočivom još 1763. godine, od tada su u više navrata s punim uspehom. Naravno, teško je napravititransparentanledeno sočivo pomoću alata poput sjekire, noža i "samo ruke" (na mrazu od 48 stepeni!), ali ledeno sočivo možete olakšati: nalijte vodu u pravilno oblikovanu čašu i zamrznite, a zatim, nakon laganog zagrijavanja šolju, izvadite iz nje gotovu sočivo.

Rice. 114. Čaša za pravljenje ledenog sočiva.
Kada radite takav eksperiment, nemojte zaboraviti da on uspijeva samo po vedrom mraznom danu i na otvorenom, ali ne i u prostoriji iza prozorskog okna: staklo upija značajan dio energije sunčevih zraka i ostaje nedovoljno da izazove značajno zagrevanje.

Sa sunčevim zracima

Isprobajte još jedan eksperiment, koji se također lako izvodi zimi. Stavite dva komada tkanine jednake veličine, svijetlu i crnu, na snijeg preplavljen sunčevom svjetlošću. Nakon sat-dva vidjet ćete da je crna mrlja utonula u snijeg, dok je svijetla ostala na istom nivou. Nije teško otkriti razlog ove razlike: ispod crne mrlje snijeg se jače topi, jer tamna tkanina upija većinu sunčevih zraka koji padaju na nju; svjetlost, naprotiv, raspršuje većinu njih i stoga se zagrijava manje od crne.
Ovaj poučni eksperiment prvi je izveo čuveni borac za nezavisnost Sjedinjenih Država Benjamin Franklin, koji se ovjekovječio kao fizičar izumom gromobrana. "Uzeo sam od krojača nekoliko četvrtastih komada platna raznih boja", napisao je. "Među njima su bile: crna, tamnoplava, svijetloplava, zelena, ljubičasta, crvena, bijela i razne druge boje i nijanse. Jednog blistavog sunčanog jutra Sve te komade sam stavio na snijeg. Nakon nekoliko sati, crni komad, koji je bio topliji od ostalih, potonuo je toliko duboko da ga zraci sunca vise nisu dopirali; tamnoplava je potonula skoro koliko i crna; svijetlo plave mnogo manje; druge boje što su svjetlije to su se manje spuštale. Bijela je ostala na površini, odnosno nije se uopće spuštala."
„Čemu bi teorija bila dobra da iz nje nema koristi?“ , budući da ona više zagreva naše telo na suncu, a ako pri tome još uvek pravimo pokrete koji nas sami greju, onda su prekomerni stvara se toplota? Zar muške i ženske ljetne kape ne bi trebale biti bijele da eliminišu tu vrućinu koja kod nekih izaziva sunčanicu?... Dalje, pocrnjeli zidovi ne mogu apsorbirati toliko sunčeve topline tokom dana da ostaju nešto topli noću i štite voće od mraza? važnost?"
Kakvi bi ti zaključci i korisne primjene mogli biti, pokazuje primjer njemačke ekspedicije na Južni pol 1903. godine na brodu „Gauss.“ Brod se ukočio u led, a sve uobičajene metode oslobađanja nisu dovele do rezultata. , uklonili su samo nekoliko stotina kubika leda i nisu oslobodili brod, a zatim su se okrenuli pomoći sunčevim zrakama: od tamnog pepela i uglja napravili su traku na ledu dugu 2 km i široku deset metara; vodio od broda do najbližeg širokog jaza u ledu.vedri dugi dani polarnog ljeta, a sunčevi zraci su činili ono što dinamit i vidjela nisu mogli.Led se otopio i lomio duž posute trake, i brod je oslobođen od leda.

Staro i novo o fatamorganama

Vjerovatno svi znaju koji je fizički uzrok obične fatamorgane. Pustinjski pijesak zagrijan toplinom dobija svojstva poput zrcala jer susjedni zagrijani sloj zraka ima manju gustinu od slojeva iznad njih. Kosi snop svjetlosti iz veoma udaljenog objekta, došavši do ovog sloja zraka, savija svoj put u njemu tako da se u svom daljem praćenju ponovo udaljava od tla i pada u oko posmatrača, kao da se odbija od ogledala u veoma veliki upadni ugao. I posmatraču se čini da se ispred njega nalazi vodena površina u pustinji, koja odražava obalne objekte (Sl. 115).

Rice. 115. Kako se fatamorgana pojavljuje u pustinji. Ovaj crtež, koji se obično reprodukuje u udžbenicima, predstavlja putanju svetlosnog snopa nagnutog prema tlu na preterano strm način.
Ispravnije bi, međutim, bilo reći da zagrijani sloj zraka u blizini vrućeg tla odbija zrake ne kao ogledalo, već kao vodena površina gledana iz dubine vode. Ovdje nije riječ o jednostavnoj refleksiji, već o onome što se na jeziku fizike zove "unutrašnja refleksija", granični ugao "upada zraka", a bez toga se ne postiže unutrašnja refleksija.
Zabilježimo usput jednu tačku ove teorije koja bi mogla dovesti do nesporazuma. Prethodno objašnjenje zahtijeva takav raspored zračnih slojeva u kojem bi gušći slojevi bili viši od onih manje gustih. Znamo, međutim, da gusti, teški vazduh teži da se spusti i pomeri laki sloj gasa ispod njega prema gore. Kako može postojati onaj raspored slojeva gustog i razrijeđenog zraka, koji je neophodan za pojavu fatamorgane?

Rice. 116. Miraž na asfaltu.
Ključ leži u činjenici da potreban raspored vazdušnih slojeva nije u mirnom vazduhu, već u vazduhu u pokretu. Sloj zraka koji se zagrijava tlom ne leži na njemu, već se neprekidno pomiče prema gore i odmah zamjenjuje novim slojem zagrijanog zraka. Kontinuirana promjena dovodi do činjenice da se određeni sloj razrijeđenog zraka uvijek nalazi uz vrući pijesak, iako ne isti, ali to je već indiferentno za put zraka.
Vrsta fatamorgane koju razmatramo poznata je još od antike. U modernoj meteorologiji naziva se "donja" fatamorgana (za razliku od "gornje" fatamorgane koja nastaje refleksijom svjetlosnih zraka od slojeva razrijeđenog zraka u gornjim dijelovima atmosfere). Većina ljudi je uvjerena da se ova klasična fatamorgana može promatrati samo u sparnom zraku južnih pustinja i da se ne događa u sjevernijim geografskim širinama.
U međuvremenu, inferiorna fatamorgana se često uočava na našim prostorima. Ovakve pojave posebno su česte ljeti na asfaltnim i asfaltnim putevima, koji zbog svoje tamne boje postaju jako vrući na suncu. Tupa površina puta tada se iz daljine čini kao da je polivena vodom i reflektuje udaljene objekte. Putanja svetlosnih zraka tokom ove fatamorgane prikazana je na Sl. 116. Uz određena zapažanja, takve se pojave ne mogu vidjeti tako rijetko kao što ljudi misle.
Postoji i vrsta fatamorgane - fatamorganastrana, za čije postojanje se obično i ne sumnja. Ovo je odraz zagrijanog strmog zida. Takav slučaj je opisao jedan francuski autor. Približavajući se tvrđavi, primijetio je da je ravan betonski zid utvrde odjednom zasjao kao ogledalo, odražavajući okolni pejzaž, tlo, nebo. Nakon što je napravio još nekoliko koraka, primijetio je istu promjenu i na drugom zidu utvrde. Činilo se kao da je sivu, neravnu površinu odjednom zamijenila uglačana. Bio je sparan dan, a zidovi su trebali postati jako vrući, što je bio ključ njihove spekulativnosti. Na sl. 117 prikazuje položaj zidina utvrde (F i F") i lokaciju posmatrača (A i A"). Ispostavilo se da se fatamorgana uočava kad god je zid dovoljno zagrejan sunčevim zracima, čak je bilo moguće i fotografisati ovaj fenomen.
Na sl. 118 prikazuje (lijevi) zid F utvrde, prvo mat, a zatim sjajan (desno), kao ogledalo (preuzeto iz tačke A"). Na lijevoj fotografiji je običan sivi beton, u kojem, naravno, dvije figure stoje blizu zid se ne može reflektovati vojnik Desno - isti zid je najvećim delom dobio zrcalna svojstva, a najbliža vojnička figura u njemu daje svoju simetričnu sliku.

Rice. 117. Plan utvrde na kojoj je uočena fatamorgana. Zid F izgleda preslikan iz tačke A, zid F "- iz tačke A"

Rice. 118. Sivi neravni zid (lijevo) odjednom se pojavljuje uglačan, reflektirajući (desno).
U vrelim ljetnim danima treba obratiti pažnju na zagrijane zidove velikih zgrada i tražiti fenomene fatamorgane. Bez sumnje, uz određenu pažnju, broj uočenih slučajeva fatamorgane trebao bi se značajno povećati.

"Zeleni zrak"

"Da li ste ikada posmatrali kako Sunce zalazi ispod morskog horizonta? Da, bez sumnje. Da li ste ga pratili sve dok gornja ivica diska ne dodirne liniju horizonta, a zatim nestane? Verovatno da. Ali jeste li primetili fenomen, šta se dešava na trenutak kada blistavo svjetiljko baci svoju posljednju zraku, ako je nebo oslobođeno oblaka i potpuno prozirno, boja koju nijedan umjetnik ne može dobiti na svojoj paleti i koju sama priroda ne reprodukuje, bilo u raznim nijansama vegetacije, bilo u boja najprozirnijeg mora."
Sličan članak u engleskim novinama oduševio je mladu junakinju romana Julesa Vernea "Zeleni zrak" i potaknuo je na niz putovanja s jedinim ciljem da svojim očima vidi zeleni zrak. Ali on i dalje postoji. Zeleni ray nije legenda, iako se uz njega vežu mnoge legendarne stvari.To je fenomen kojem se može diviti svaki zaljubljenik u prirodu ako je potraži sa odgovarajućim strpljenjem.

Zašto postoji zeleni zrak?

Razumjet ćete razlog fenomena ako se prisjetite kako nam se objekti čine kada ih gledamo kroz staklenu prizmu. Isprobajte ovaj eksperiment: držite prizmu vodoravno preko oka, širokom stranom prema dolje, i pogledajte kroz komad papira zakačen za zid. Primijetit ćete da se list, kao prvo, podigao znatno više od svog pravog položaja, a drugo, ima ljubičasto-plavi obrub na vrhu, a žuto-crveni obrub na dnu. Podizanje zavisi od prelamanja svetlosti, od toga zavise obojene ivicevarijansastaklo, odnosno svojstva staklanejednakoprelamaju zrake različitihboje.Ljubičaste i plave zrake prelamaju se jače od drugih, tako da vidimo ljubičasto-plavu granicu na vrhu; crvene se najmanje lome od svih, pa stoga donja ivica našeg papirnog lista ima crveni obrub.
Za bolje razumijevanje onoga što slijedi, potrebno je zadržati se na porijeklu ovih obojenih granica. Prizma razlaže bijelu svjetlost koja izlazi iz papira na sve boje spektra, dajući mnoge slike u boji papirnog lista, raspoređenih, djelomično preklapajući jedna drugu, po redu prelamanja. Od istovremenog djelovanja ovih superponiranih. jedna na drugu kolor slike oka dobijaju osećaj bele (dodatak spektralnih boja), ali iznad i ispod ivice koje se ne mešaju vire. Čuveni pesnik Gete, koji je izveo ovaj eksperiment i nije razumeo njegovo značenje, zamislio je da je na taj način razotkrio lažnost Newtonove teorije cveća, a zatim napisao sopstvenu Nauku o cveću, koja je skoro u potpunosti zasnovana na zabludama. zablude velikog pesnika i nece ocekivati ​​da prizma preoboji sve objekte umesto njega. Zemljina atmosfera je za nase oci kao ogromna vazdusna prizma sa bazom nadole. Gledajuci Sunce na horizontu, gledamo ga kroz gas prizma.Disk Sunca prima na vrhu se nalazi granica plave i zelene boje,na dnu -crveno-žute.Dok je Sunce iznad horizonta,svjetlost diska prekida svojim sjajem mnogo manje jarke boje pruge, a mi ih uopšte ne primjećujemo.Ali u trenucima izlaska i zalaska sunca, kada je gotovo sav njegov disk sakriven ispod horizonta, možemo vidjeti plavu ivicu gornje ivice. čiji. Kada je zrak blizu horizonta potpuno čist i proziran, vidimo plavu granicu - "plavi zrak". Ali češće se plavi zraci raspršuju u atmosferi i ostaje samo jedna zelena granica: fenomen "zelenog zraka" . Konačno, u većini slučajeva, plave i zelene zrake također su raspršene zamućenom atmosferom - tada se ivica ne primjećuje: sunce se kotrlja u grimiznu kuglu.
Astronom iz Pulkova G. A. Tikhov, koji je posvetio posebnu studiju "zelenom zraku", izvještava o nekim znakovima vidljivosti ovog fenomena. Razlog je jasan: crvena boja solarnog diska ukazuje na snažno rasipanje plavih i zelenih zraka atmosferom, odnosno čitavom gornjom ivicom diska. „Naprotiv“, nastavlja astronom, „ako se Sunce malo promijenilo od svoje uobičajene bjelkasto-žute boje i zalazi vrlo svijetlo (to jest, ako je apsorpcija svjetlosti atmosfere mala. -NS.), vjerovatno će se očekivati ​​zeleni zrak. Ali ovdje je samo bitno da horizont predstavlja oštru liniju, bez ikakvih nepravilnosti, obližnjih šuma, objekata itd. Ovi uvjeti se najbolje ispunjavaju na moru; zato je zeleni zrak tako dobro poznat pomorcima.”
Dakle, da biste videli "zeleni zrak", potrebno je da posmatrate Sunce u vreme zalaska ili izlaska sunca sa veoma vedrim nebom. U južnim zemljama nebo blizu horizonta je transparentnije od našeg, pa je fenomen " tamo se češće primećuje zeleni zrak. Ali kod nas to nije tako retko kako mnogi misle, verovatno pod uticajem romana Žila Verna. Uporna potraga za "zelenim zrakom" prije ili kasnije je nagrađena uspjehom. Dešavalo se da se ovaj prekrasni fenomen uhvati čak i kroz teleskop. Dva alzaška astronoma ovo zapažanje opisuju na sljedeći način:
"... U poslednjem trenutku koji prethodi zalasku sunca, kada se, dakle, još uvek vidi njegov primetan deo, disk, koji ima talasastu, pokretnu, ali oštro ocrtanu granicu, okružen je zelenim obodom. Sve do Sunca potpuno zalegao ovaj rub nije vidljiv golim okom.Postaje vidljiv tek u trenutku potpunog nestanka Sunca iza horizonta.Ako pogledate kroz teleskop sa dovoljno jakim uvećanjem (oko 100 puta), možete detaljno pratiti sve pojave: zelena ivica postaje uočljiva najkasnije 10 minuta prije zalaska sunca, ograničava gornji dio diska, dok je odozdo crveni obrub. Širina obruba u početku vrlo mala (samo nekoliko sekundi luka), povećava se sa zalaskom sunca; ponekad doseže i do pola minute luka. kao da klize duž njegove ivice do najviše tačke; ponekad se skidaju s ruba i svijetle nekoliko sekundi odvojeno, dok ne izađu ”(sl. 119).

Rice. 119. Dugotrajno posmatranje "zelene grede", posmatrač je vidio "zelenu gredu" preko grebena 5 minuta. Gore desno - "zeleni zrak" gledan kroz teleskop. Sunčev disk ima nepravilne konture. U poziciji 1, odsjaj solarnog diska zasljepljuje oko i sprečava oči da vide zelenu ivicu. U poziciji 2, kada disk Sunca gotovo nestaje, "zeleni zrak" postaje dostupan jednostavnom oku.
Obično fenomen traje sekundu ili dvije. Ali u izuzetnim okolnostima, njegovo trajanje se značajno produžava. Zabilježen je slučaj kada je "zeleni zrak" posmatran duže od 5 minuta! Sunce je zalazilo iza daleke planine, a brzi posmatrač je vidio zelenu ivicu Sunčevog diska, kao da klizi duž planine (Sl. 119).
Veoma su poučni slučajevi posmatranja "zelenog zraka" kadaizlazak suncaSunce, kada gornja ivica zvijezde počinje da se pojavljuje ispod horizonta. Ovo opovrgava često izgovaranu pretpostavku da je "zeleni zrak" optička varka, kojoj podleže oko, umorno od blještavila sunca koje tek zalazi.
Sunce nije jedina svjetiljka koja šalje “zeleni zrak”. Dogodilo se vidjeti ovu pojavu generiranu Venerom u zalasku [O fatamorganama i zelenom zraku možete naučiti iz izvrsne knjige M. Minnarta “Svjetlo i boja u prirodi”. Fizmatgiz, 1958Pribl. ed.].

U prethodnim paragrafima proučavali smo fenomen refleksije svjetlosti. Hajde da se sada upoznamo sa drugom pojavom, u kojoj zraci menjaju smer svog širenja. Ovaj fenomen - prelamanje svjetlosti na granici između dva medija. Pogledajte grede i crteže akvarijuma u § 14-b. Laserski zrak je bio ravan, ali kada je stigao do staklene stijenke akvarija, zrak je promijenio smjer - prelomljena.

Refrakcija svjetlosti naziva se promjena smjera zraka na granici između dva medija, u kojoj svjetlost prelazi u drugu sredinu(uporedi sa refleksijom). Na primjer, na slici smo prikazali primjere prelamanja svjetlosnog snopa na granicama zraka i vode, zraka i stakla, vode i stakla.

Iz poređenja crteža s lijeve strane slijedi da par medija "vazduh-staklo" jače lomi svjetlost od para medija "vazduh-voda". Iz poređenja crteža na desnoj strani može se vidjeti da se pri prelasku iz zraka u staklo, svjetlost lomi jače nego pri prelasku iz vode u staklo. To je, pare medija, prozirne za optičko zračenje, imaju različitu moć prelamanja, koju karakteriše relativni indeks prelamanja. Izračunava se pomoću formule na sljedećoj stranici, tako da se može eksperimentalno izmjeriti. Ako je vakuum odabran kao prvi medij, dobiju se sljedeće vrijednosti:

Ove vrijednosti se mjere na 20°C za žuto svjetlo. Na drugoj temperaturi ili drugoj boji svjetla, indikatori će biti drugačiji (vidi § 14-h). Uz kvalitativni pregled tabele, napominjemo: što se indeks prelamanja više razlikuje od jedinice, veći je ugao kroz koji se snop odbija, prelazeći iz vakuuma u medij. Budući da se indeks prelamanja zraka gotovo ne razlikuje od jedinice, utjecaj zraka na širenje svjetlosti je gotovo neprimjetan.

Zakon prelamanja svjetlosti. Da bismo razmotrili ovaj zakon, uvodimo definicije. Ugao između upadne zrake i okomite na međuprostor između dva medija u tački savijanja zraka naziva se upadni ugao(a). Slično tome, ugao između prelomljenog zraka i okomice na međuprostor između dva medija u tački savijanja zraka će se zvati ugao prelamanja(g).

Kada se svjetlost lomi, zakoni koji čine zakon prelamanja svetlosti: 1. Upadna zraka, prelomljena zraka i okomita na granicu između medija u tački savijanja zraka leže u istoj ravni. 2. Omjer sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja je konstanta, neovisna o uglovima:

Primjenjuje se i kvalitativna interpretacija zakona prelamanja svjetlosti: kada svjetlost prođe u optički gušći medij, snop se odbija prema okomici na međuprostor između medija. I obrnuto.

Princip reverzibilnosti svetlosnih zraka. Kada se svjetlost reflektira ili lomi, upadne i reflektirane zrake uvijek se mogu obrnuti. To znači da putanja zraka se neće promijeniti ako im promijenite smjer u suprotnom smjeru. Brojni eksperimenti potvrđuju: u ovom slučaju se "puta" putanje zraka ne mijenja (vidi crtež).

Refrakcija svjetlosti je promjena smjera zraka na granici dva medija različite gustine.

Objašnjenje: zraka svjetlosti, padajući u vodu, mijenja svoj smjer na granici dva medija (tj. na površini vode). Zraka se doslovno lomi. Ova pojava se naziva prelamanjem svjetlosti. Nastaje zbog činjenice da voda i zrak imaju različite gustine. Voda je gušća od zraka, a brzina zraka svjetlosti koji pada na njenu površinu se usporava. Dakle, voda je optički gušći medij.

Optička gustoća medija karakterizira različita brzina širenja svjetlosti.

Ugao prelamanja (ϒ) je ugao koji formira prelomljena zraka i okomita na tačku upada zraka na granici između dva medija.

Objašnjenje:

Zraka je u određenoj tački pala na površinu vode i prelomila se. Nacrtajmo okomicu iz ove točke u istom smjeru kao i prelomljena zraka "lijevo" - u našem slučaju, okomica je usmjerena prema dnu rezervoara. Ugao koji formiraju ova okomita i prelomljena zraka naziva se ugao prelamanja.

Ako svjetlost dolazi iz optički manje guste sredine u optički gušću sredinu, tada je ugao prelamanja uvijek manji od upadnog ugla.

Na primjer, svjetlost koja pada u vodu ima upadni ugao veći od ugla prelamanja. Razlog je taj što je voda gušći medij od zraka.

Za bilo koja dva medija različite optičke gustoće, formula je ispravna:

grijeh α
--- = n
grijehϒ

gdje n Je konstantna vrijednost koja ne ovisi o upadnom kutu.

Objašnjenje:

Uzmite tri zraka koji padaju u vodu.

Njihovi upadni uglovi su 30°, 45° i 60°.

Uglovi prelamanja ovih zraka biće 23°, 33° i 42°, respektivno.

Ako sastavimo omjer upadnih uglova i uglova prelamanja, onda ćemo dobiti isti broj:

sin 30 ° sin 45 ° sin 60 °
--- = --- = --- ≅ 1,3
sin 23 ° sin 33 ° sin 42 °

Dakle, ako podijelimo ugao upada zraka u vodu i ugao njegovog prelamanja, dobićemo 1,3. Ovo je konstanta ( n ), koji se nalazi pomoću gornje formule.

Upadna zraka, prelomljena zraka i okomica povučena iz tačke upada zraka leže u istoj ravni.