Når man løser problemer i optik, er det ofte nødvendigt at kende brydningsindekset for glas, vand eller et andet stof. Desuden kan både absolutte og relative værdier af denne mængde være involveret i forskellige situationer.

To slags brydningsindeks

For det første om, hvad dette tal viser: hvordan dette eller det gennemsigtige medium ændrer retningen af ​​lysets udbredelse. Desuden kan en elektromagnetisk bølge komme fra et vakuum, og så vil brydningsindekset for glas eller et andet stof blive kaldt absolut. I de fleste tilfælde ligger dens værdi i området fra 1 til 2. Kun i meget sjældne tilfælde er brydningsindekset større end to.

Hvis der foran objektet er et medium tættere end vakuum, så taler man om en relativ værdi. Og det beregnes som forholdet mellem to absolutte værdier. For eksempel vil det relative brydningsindeks for vandglas være lig med kvotienten af ​​absolutte værdier for glas og vand.

Under alle omstændigheder er det betegnet med det latinske bogstav "en" - n. Denne værdi opnås ved at dividere værdierne af samme navn med hinanden, derfor er det simpelthen en koefficient, der ikke har et navn.

Hvad er formlen til at beregne brydningsindekset?

Hvis vi tager indfaldsvinklen som "alfa", og betegner brydningsvinklen som "beta", så ser formlen for den absolutte værdi af brydningsindekset således ud: n = sin α / sin β. I engelsksproget litteratur kan man ofte finde en anden betegnelse. Når indfaldsvinklen er i, og brydningsvinklen er r.

Der er en anden formel for, hvordan man beregner lysets brydningsindeks i glas og andre gennemsigtige medier. Det er forbundet med lysets hastighed i vakuum og med det, men allerede i det stof, der overvejes.

Så ser det sådan ud: n = c/νλ. Her er c lysets hastighed i vakuum, ν er dets hastighed i et transparent medium, og λ er bølgelængden.

Hvad afhænger brydningsindekset af?

Det bestemmes af den hastighed, hvormed lyset forplanter sig i det pågældende medium. Luft i denne henseende er meget tæt på et vakuum, så lysbølger forplanter sig i det praktisk talt ikke afviger fra deres oprindelige retning. Derfor, hvis brydningsindekset for glas-luft eller et andet stof, der støder op til luft, bestemmes, tages sidstnævnte betinget som vakuum.

Ethvert andet medie har sine egne karakteristika. De har forskellige tætheder, de har deres egen temperatur, samt elastiske spændinger. Alt dette påvirker resultatet af lysets brydning af et stof.

Ikke den mindste rolle i at ændre retningen af ​​bølgeudbredelsen spilles af lysets karakteristika. Hvidt lys består af mange farver, fra rød til lilla. Hver del af spektret brydes på sin egen måde. Desuden vil værdien af ​​indikatoren for bølgen af ​​den røde del af spektret altid være mindre end resten. For eksempel varierer brydningsindekset for TF-1-glas fra henholdsvis 1,6421 til 1,67298 fra den røde til den violette del af spektret.

Eksempelværdier for forskellige stoffer

Her er værdierne for absolutte værdier, det vil sige brydningsindekset, når en stråle passerer fra et vakuum (som svarer til luft) gennem et andet stof.

Disse tal vil være nødvendige, hvis det er nødvendigt at bestemme brydningsindekset for glas i forhold til andre medier.

Hvilke andre mængder bruges til at løse problemer?

Fuld refleksion. Det opstår, når lys går fra et tættere medium til et mindre tæt medium. Her, ved en bestemt værdi af indfaldsvinklen, sker brydningen i en ret vinkel. Det vil sige, at strålen glider langs grænsen af ​​to medier.

Den begrænsende vinkel for total refleksion er dens minimumsværdi, ved hvilken lys ikke slipper ud i et mindre tæt medium. Mindre end det - brydning forekommer, og mere - refleksion i det samme medium, hvorfra lyset bevægede sig.

Opgave #1

Tilstand. Glasets brydningsindeks er 1,52. Det er nødvendigt at bestemme den begrænsende vinkel, hvor lyset reflekteres fuldstændigt fra grænsefladen mellem overflader: glas med luft, vand med luft, glas med vand.

Du skal bruge brydningsindeksdataene for vand i tabellen. Det tages lig med enhed for luft.

Løsningen i alle tre tilfælde reduceres til beregninger ved hjælp af formlen:

sin α 0 / sin β = n 1 / n 2, hvor n 2 refererer til det medium, hvorfra lyset forplanter sig, og n 1, hvor det trænger ind.

Bogstavet α 0 angiver den begrænsende vinkel. Værdien af ​​vinklen β er 90 grader. Det vil sige, at dens sinus vil være enhed.

For det første tilfælde: sin α 0 = 1 /n glas, så er grænsevinklen lig med arcsinus af 1 /n glas. 1/1,52 = 0,6579. Vinklen er 41,14º.

I det andet tilfælde, når du bestemmer arcsine, skal du erstatte værdien af ​​brydningsindekset for vand. Fraktionen 1 / n af vand vil tage værdien 1 / 1,33 \u003d 0. 7519. Dette er arcsinus af vinklen 48,75º.

Det tredje tilfælde er beskrevet ved forholdet mellem n vand og n glas. Arcsinus skal beregnes for brøken: 1,33 / 1,52, det vil sige tallet 0,875. Vi finder værdien af ​​grænsevinklen ved dens bue: 61,05º.

Svar: 41,14º, 48,75º, 61,05º.

Opgave #2

Tilstand. Et glasprisme nedsænkes i en beholder fyldt med vand. Dens brydningsindeks er 1,5. Prismet er baseret på en retvinklet trekant. Det større ben er placeret vinkelret på bunden, og det andet er parallelt med det. En lysstråle falder normalt ind på oversiden af ​​et prisme. Hvad skal være den mindste vinkel mellem det vandrette ben og hypotenusen, for at lyset når benet vinkelret på bunden af ​​karret og forlader prismet?

For at strålen kan forlade prismet på den beskrevne måde, skal den falde i en begrænsende vinkel på indersiden (den, der er trekantens hypotenus i sektionen af ​​prismet). Ved konstruktion viser denne begrænsende vinkel sig at være lig med den nødvendige vinkel i en retvinklet trekant. Fra loven om lysets brydning viser det sig, at sinus af grænsevinklen, divideret med sinus på 90 grader, er lig med forholdet mellem to brydningsindeks: vand til glas.

Beregninger fører til en sådan værdi for grænsevinklen: 62º30´.

Fænomenet lysbrydning.

Hvis en lysstråle falder på en overflade, der adskiller to transparente medier med forskellig optisk tæthed, såsom luft og vand, så reflekteres en del af lyset fra denne overflade, og den anden del trænger ind i det andet medium. Når den passerer fra et medium til et andet, ændrer en lysstråle retning ved grænsen af ​​disse medier. Dette fænomen kaldes lysbrydning.

Overvej lysets brydning mere detaljeret. Figur n viser: indfaldende stråle AO, brudt stråle OV og vinkelret CD, genoprettet fra stødpunktet OM til overfladen, der adskiller to forskellige miljøer. Indsprøjtning AOC- indfaldsvinkel, vinkel DOB- brydningsvinkel. Brydningsvinkel DOB mindre end indfaldsvinklen AOC.

En lysstråle påændrer sin retning i overgangen fra luft til vand og nærmer sig vinkelret CD. Vand er et optisk tættere medium end luft. Hvis vand erstattes af et andet transparent medium, optisk tættere end luft, så vil den brydte stråle også nærme sig vinkelret. Derfor kan vi sige: hvis lys går fra et optisk mindre tæt medium til et tættere medium, så er brydningsvinklen altid mindre end indfaldsvinklen.

Eksperimenter viser, at for den samme indfaldsvinkel, jo mindre brydningsvinklen er, jo optisk tættere er mediet, som strålen trænger ind i.
Hvis et spejl placeres vinkelret på strålen langs den brudte stråles bane, vil lyset blive reflekteret fra spejlet og forlade vandet i luften i retning af den indfaldende stråle. Derfor er de indfaldende og brudte stråler reversible på samme måde som de indfaldende og reflekterede stråler er reversible.
Hvis lys bevæger sig fra et mere optisk tæt medium til et mindre tæt medium, så er strålens brydningsvinkel større end indfaldsvinklen.

Lad os lave et lille eksperiment derhjemme. m derhjemme et lille eksperiment. er du skal putte en blyant i et glas vand, og den vil virke knust. E Dette kan kun forklares ved, at lysstrålerne, der kommer fra blyanten, har en anden retning i vand end i luft, dvs. lys brydes på grænsen mellem luft og vand. Når lys passerer fra et medium til et andet, reflekteres en del af lyset, der falder på det, ved grænsefladen. Resten af ​​lyset trænger ind i det nye miljø. Hvis lyset falder i en anden vinkel til grænsefladen end lige, ændrer lysstrålen sin retning fra grænsefladen.
Dette kaldes fænomenet lysbrydning. Fænomenet lysbrydning observeres ved grænsen af ​​to transparente medier og forklares ved den forskellige hastighed for lysudbredelse i forskellige medier. I et vakuum er lysets hastighed cirka 300.000 km/s, i alle andre

fra redah det er mindre.

Nedenstående figur viser en stråle, der passerer fra luft til vand. Vinkel kaldes strålevinkel, men - brydningsvinkel. Bemærk, at i vandet nærmer strålen sig normalen. Dette sker, når strålen rammer et medium, hvor lysets hastighed er langsommere. Hvis lys forplanter sig fra et medie til et andet, hvor lysets hastighed er større, så afviger det fra normalen.

Brydning forårsager en række velkendte optiske illusioner. For eksempel for en observatør på kysten ser det ud til, at en person, der er kommet i vandet op til taljen, har kortere ben.

Love for lysets brydning.

Ud fra alt det, der er blevet sagt, konkluderer vi:
1 . Ved grænsefladen mellem to medier med forskellig optisk tæthed ændrer en lysstråle sin retning, når den passerer fra et medium til et andet.
2. Når en lysstråle passerer ind i et medium med en størreoptisk tæthed brydningsvinkelmindre end indfaldsvinklen; når man passerer en lysstrålefra et optisk tættere medium til et mindretæt brydningsvinkel større end vinklen på pladenej.
Lysets brydning er ledsaget af refleksion, og med en stigning i indfaldsvinklen øges lysstyrken af ​​den reflekterede stråle, mens den brydte svækkes. Dette kan ses ved at eksperimentere vist på figuren. FRA Følgelig fører den reflekterede stråle med sig jo mere lysenergi, jo større indfaldsvinklen er.

Lad ske MN- grænsefladen mellem to gennemsigtige medier, for eksempel luft og vand, JSC- faldende stråle OV- brudt stråle - indfaldsvinkel - brydningsvinkel - lysets udbredelseshastighed i det første medium - lysets udbredelseshastighed i det andet medium.

Den første brydningslov lyder således: forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er en konstant for disse to medier:

hvor er det relative brydningsindeks (det andet mediums brydningsindeks i forhold til det første).

Den anden lov om lysbrydning er meget lig den anden lov om lysrefleksion:

den indfaldende stråle, den brudte stråle og den vinkelrette, der er trukket til strålens indfaldspunkt, ligger i samme plan.

Absolut brydningsindeks.

Lysets hastighed i luft er næsten den samme som lysets hastighed i vakuum: med m/s.

Hvis lys kommer ind i et medium fra et vakuum, så

hvor n er det absolutte brydningsindeks dette miljø. Det relative brydningsindeks for to medier forbundet med disse mediers absolutte brydningsindeks, hvor og er henholdsvis de absolutte brydningsindekser for det første og andet medie.

Absolutte brydningsindeks:

Stof

Diamant 2,42. Kvarts 1,54. Luft (under normale forhold) 1,00029. Ethylalkohol 1,36. Vand 1,33. Is 1.31. Terpentin 1,47. Smelt kvarts 1,46. 1,52 CZK. Lys flint 1,58. Natriumchlorid (salt) 1,53.

(Som vi skal se senere, brydningsindekset n varierer noget afhængigt af lysets bølgelængde - det bevarer kun en konstant værdi i et vakuum. Derfor svarer dataene i tabellen til gult lys med en bølgelængde på .)

For eksempel, da lyset for en diamant forplanter sig i en diamant med en hastighed

Mediets optiske tæthed.

Hvis det absolutte brydningsindeks for det første medium er mindre end det absolutte brydningsindeks for det andet medium, så har det første medium en lavere optisk tæthed end det andet og >. Den optiske densitet af et medium må ikke forveksles med densiteten af ​​et stof.

Passage af lys gennem en plan-parallel plade og et prisme.

Af stor praktisk betydning er passagen af ​​lys gennem gennemsigtige legemer af forskellige former. Lad os overveje de enkleste tilfælde.
Lad os lede en lysstråle gennem en tyk plan-parallel plade (en plade afgrænset af parallelle flader). Når den passerer gennem pladen, brydes lysstrålen to gange: én gang, når den kommer ind i pladen, anden gang, når pladen forlades i luften.

En lysstråle, der passerer gennem pladen, forbliver parallel med dens oprindelige retning og forskydes kun lidt. Denne forskydning er større, jo tykkere pladen og jo større indfaldsvinklen. Mængden af ​​forskydning afhænger også af hvilket materiale pladen er lavet af.
Et eksempel på en plan-parallel plade er vinduesglas. Men ser vi på genstande gennem glas, bemærker vi ikke ændringer i deres arrangement og form, fordi glasset er tyndt; lysstråler passerer vinduesglas, flyt lidt.
Hvis du ser på en genstand gennem et prisme, ser det ud til, at objektet er forskudt. En lysstråle, der kommer fra et objekt, falder ind på et prisme i et punkt MEN, bryder og går inde i prismet i en retning AB Efter at have nået den anden side af prismet. lysstrålen brydes igen og afviger til bunden af ​​prismet. Derfor ser det ud til, at strålen kommer fra et punkt. placeret på fortsættelsen af ​​strålen BC, det vil sige, at objektet synes at være forskudt til toppen af ​​den vinkel, der dannes af prismets brydende flader.

Fuld refleksion af lys.

Et smukt syn er et springvand, hvori de udstødte stråler belyses indefra. (Dette kan afbildes under normale forhold ved at udføre følgende eksperiment nr. 1). Vi vil forklare dette fænomen nedenfor.

Når lys går fra et optisk tættere medium til et optisk mindre tæt medium, observeres fænomenet med total refleksion af lys. Brydningsvinklen er i dette tilfælde større end indfaldsvinklen (fig. 141). Forøgelse af indfaldsvinklen for lysstråler fra kilden S på grænsefladen mellem to medier MN der vil komme et øjeblik, hvor den brydte stråle vil gå langs grænsefladen mellem to medier, dvs. = 90°.

Indfaldsvinklen, som svarer til brydningsvinklen \u003d 90 °, kaldes grænsevinklen for total refleksion.

Hvis denne vinkel overskrides, vil strålerne slet ikke forlade det første medium, kun fænomenet med lysrefleksion fra grænsefladen mellem de to medier vil blive observeret.

Fra den første brydningslov:

Siden da .

Hvis det andet medium er luft (vakuum), hvor så n - det absolutte brydningsindeks for mediet, hvorfra strålerne kommer.

Forklaringen på det fænomen, du observerer i erfaring, er ret enkel. Lysstrålen passerer langs vandstrålen og rammer den buede overflade i en vinkel, der er større end grænsen, oplever total indre refleksion og rammer så igen den modsatte side af strålen i en vinkel, der er større end grænsen. Så strålen passerer langs strålen og bøjer sammen med den.

Men hvis lyset blev fuldstændig reflekteret inde i strålen, så ville det ikke være synligt udefra. En del af lyset spredes af vand, luftbobler og forskellige urenheder, der er til stede i det, samt på grund af strålens ujævne overflade, så det er synligt udefra.

Uden tvivl ved du, hvordan heltene i Jules Vernes roman "Den mystiske ø", forladt på ubeboet land, fik ild uden tændstikker og flint. Lynet kom Robinson til hjælp og tændte et træ, men de nye Robinsons af Jules Verne blev ikke hjulpet tilfældigt, men af ​​en kyndig ingeniørs opfindsomhed og hans solide viden om fysikkens love. Husk, hvor overrasket den naive sømand Pencroft var, da han vendte tilbage fra en jagt og fandt en ingeniør og en journalist foran en flammende ild.
"Men hvem tændte bålet?" spurgte sømanden.
"Solen," svarede Spilett.
Journalisten lavede ikke sjov. Faktisk leverede Solen ilden, som sømanden beundrede så meget. Han troede ikke sine egne øjne og var så forbløffet, at han ikke engang kunne stille spørgsmålstegn ved ingeniøren.
"Så du fik et brændende glas?" spurgte Herbert ingeniøren.
Nej, men jeg klarede det.
Og han viste det. Det var simpelthen to glas taget af ingeniøren fra hans ur og Spiletts. Han forbandt deres kanter med ler, idet han forinden havde fyldt det med vand, og derved opnåedes en rigtig brændende linse, ved hjælp af hvilken ingeniøren ved at koncentrere solens stråler på tørt mos lavede ild.
Læseren vil, tror jeg, ønske at vide, hvorfor det er nødvendigt at fylde rummet mellem urglassene med vand: Koncentrerer en bikonveks linse fyldt med luft ikke stråler?
Præcis nej. Urglasset er begrænset af to parallelle (koncentriske) overflader - ydre og indre; og det er kendt fra fysikken, at når strålerne passerer gennem et medium, der er afgrænset af sådanne overflader, ændrer strålerne næsten ikke deres retning. Når de så passerer et andet glas af samme type, afviger de heller ikke her og samler sig derfor ikke i fokus. For at koncentrere strålerne på et punkt, er det nødvendigt at fylde rummet mellem glassene med noget gennemsigtigt stof, der ville bryde strålerne stærkere end luft. Det samme gjorde ingeniøren i Jules Vernes roman.
En almindelig karaffel med vand, hvis den er kugleformet, kan også tjene som brændende linser. Dette var allerede kendt af de gamle, som også bemærkede, at vandet i sig selv forbliver koldt. Det skete endda, at en karaffel med vand, der stod på et åbent vindue, tændte gardinerne, dugen og forkullede bordet. Disse enorme sfæriske flasker med farvet vand, som ifølge gammel skik plejede at dekorere vinduerne på apoteker, kunne nogle gange forårsage virkelige katastrofer, hvilket forårsagede antændelse af brændbare stoffer i nærheden.
Med en lille rund kolbe fyldt med vand, selvom kolben er lille, er det muligt at bringe vand hældt på et urglas i kog: En kolbe på 12 centimeter i diameter er tilstrækkelig til dette. Ved 15 cm ved fokus [fokus placeres meget tæt på pæren] opnås en temperatur på 120°. Det er lige så let at tænde en cigaret med en kolbe med vand som med glaslinser, som Lomonosov skrev om i sit digt "Om fordelene ved glas":

Vi får en flamme af solrigt glas her
Og vi efterligner Prometheus komfortabelt.
At forbande ondskaben af ​​disse klodsede løgne,
Vi ryger tobak med himmelsk ild uden synd.

Det skal dog bemærkes, at vandlinsernes brandeffekt er meget svagere end glaslinsernes. Dette skyldes for det første, at lysets brydning i vand er meget mindre end i glas, og for det andet absorberer vand kraftigt infrarøde stråler, som spiller en vigtig rolle ved opvarmning af legemer.
Det er mærkeligt, at den brandhæmmende effekt af glaslinser var kendt af de gamle grækere, mere end et årtusinde før opfindelsen af ​​briller og spotting scope. Aristofanes nævner ham i den berømte komedie "Skyer". Sokrates tilbyder Streptias en opgave:
"Hvis nogen skrev en forpligtelse på dig i fem talenter, hvordan ville du så ødelægge den?
Streptiad. Jeg har fundet ud af, hvordan man ødelægger en forpligtelse, og det på en sådan måde, at man selv anerkender det som snedigt! Har du selvfølgelig set på apoteker en smuk, gennemsigtig sten, der er tændt?
Sokrates. Ildglas?
Streptiad. Nemlig.
Sokrates. Hvad er det næste?
Streptiad. Mens notaren skriver, vil jeg, der står bag ham, lede solens stråler til forpligtelsen, og ordene vil smelte alt ... ”
Lad mig minde dig om, at grækerne på Aristofanes' tid skrev på voksede tabletter, som let smeltede af varme.

Hvordan laver man ild med is?

Is kan også tjene som materiale til en bikonveks linse og dermed til at lave ild, hvis den er tilstrækkelig gennemsigtig. Samtidig bliver isen, der bryder strålerne, ikke opvarmet og smelter ikke. Isens brydningsindeks er kun lidt mindre end vands, og hvis det, som vi har set, er muligt at lave ild med en kugle vand, er det muligt at gøre det med linser af is.
Islinser gjorde et godt stykke arbejde i Jules Vernes rejse af kaptajn Hatteras. Dr. Clouboni tændte bålet på denne måde, da de rejsende mistede deres flint og befandt sig uden ild, i en frygtelig frost på 48 grader.
"Det er en katastrofe," sagde Hatteras til lægen.
"Ja," svarede han.
”Vi har ikke engang et kikkertglas, som vi kan tage linser med og lave ild med.
"Jeg ved det," svarede lægen, "og det er ærgerligt, at jeg ikke gør det: Solens stråler er stærke nok til at tænde tinder."
- Hvad skal man gøre, man skal stille sin sult med råt bjørnekød, - sagde Hatteras.
"Ja," sagde lægen eftertænksomt, "i det mindste. Men hvorfor gør vi ikke...
- Hvad troede du? spurgte Hatteras.
"Jeg kom på en idé...
- Tanke? udbrød bådsmanden. - Hvis du har en tanke, så er vi reddet!
"Jeg ved ikke, hvordan det vil være muligt," tøvede lægen.
– Hvad fandt du på? spurgte Hatteras.
Vi har ikke linser, men vi laver dem.
- Hvordan? spurgte bådsmanden.
- Vi maler af et stykke is.
- Tror du...
- Hvorfor ikke? Det er trods alt kun nødvendigt, at solens stråler bringes til ét punkt, og til dette formål kan is erstatte den bedste krystal for os. Kun jeg ville foretrække et stykke ferskvandsis: det er stærkere og mere gennemsigtigt.
"Her, hvis jeg ikke tager fejl, denne isblok," påpegede bådsmanden ved en isflage omkring hundrede skridt fra de rejsende, "at dømme efter dens farve, er der lige hvad du har brug for."
- Du har ret. Tag din økse. Lad os gå mine venner.
Alle tre gik til den angivne isblok, og isen viste sig at være ferskvand.
Lægen beordrede, at et stykke is, en fod i diameter, skulle skæres af, og han begyndte at trimme det med en økse. Så trimmede han det med en kniv og pudsede det til sidst gradvist med hånden. Det viste sig gennemsigtige linser, som fra den bedste krystal. Solen var ret skarp. Lægen blottede linserne for hans stråler og fokuserede dem på tinderen. Et par sekunder senere brød tinderen i brand."

Figur 113. "Lægen koncentrerede solens stråler på tinder."
Jules Vernes historie er ikke helt fantastisk: Eksperimenter med at tænde et træ med iskolde linser, der først med succes blev udført i England med meget store linser allerede i 1763, er siden blevet udført gentagne gange med fuld succes. Det er selvfølgelig svært at lavegennemsigtigislinser ved hjælp af redskaber som en økse, en kniv og "bare en hånd" (i 48 graders frost!), men du kan gøre islinser nemmere: Hæld vand i en kop af den rigtige form og frys ned, og så efter lidt opvarmning af koppen, fjern den fra hendes kogte linser.

Ris. 114. Kop til fremstilling af islinser.
Når du laver et sådant eksperiment, skal du ikke glemme, at det kun er muligt på en klar frostdag og i fri luft, men ikke i et rum bag et vinduesglas: glasset absorberer en betydelig del af energien fra solens stråler og ikke nok tilbage til at forårsage betydelig opvarmning.

Ved hjælp af solens stråler

Lav et andet eksperiment, også let at lave om vinteren. Læg dig på sneen, oversvømmet med sollys, to stykker stof af samme størrelse, lys og sort. Efter en time eller to vil du se, at den sorte plet er sunket ned i sneen, mens den lyse er forblevet på samme niveau. Det er ikke svært at finde årsagerne til en sådan forskel: under en sort plet smelter sneen stærkere, da det mørke stof absorberer de fleste af solens stråler, der falder på det; lys spreder tværtimod de fleste af dem og opvarmes derfor mindre end sort.
Dette lærerige eksperiment blev først udført af den berømte kæmper for USA's uafhængighed, Benjamin Franklin, der udødeliggjorde sig selv som fysiker ved at opfinde en lynafleder. "Jeg tog fra skrædderen flere firkantede stykker stof i forskellige farver," skrev han. "I mellem var: sort, mørkeblå, lyseblå, grøn, lilla, rød, hvid og forskellige andre farver og nuancer. En lys solrig morgen lagde jeg alle disse stykker på sneen. Efter et par timer sank det sorte stykke, som var blevet mere opvarmet end de andre, så dybt, at solens stråler ikke længere kunne nå det; det mørkeblå sank næsten lige så meget som den sorte; den lyseblå meget mindre; de ​​andre farver sank jo mindre, jo lysere de var, mens hvid forblev på overfladen, dvs. sank slet ikke."
”Hvad nytte ville en teori være, hvis den ikke kunne gøres brug af den?” udbryder han ved denne lejlighed og fortsætter: ”Kan vi ikke udlede af denne erfaring, at en sort kjole i et varmt solrigt klima er mindre egnet end hvid, fordi i solen varmer vores krop mere, og hvis vi stadig laver bevægelser, der varmer os i sig selv, så dannes der overdreven varme?som giver solstik hos nogle?... Kan de sorte vægge desuden ikke optage så meget solvarme i løbet af dagen som at forblive varm til en vis grad om natten og beskytte frugten mod frost? betydning?
Hvad disse konklusioner og nyttige anvendelser kan være, viser eksemplet med den tyske sydpolar-ekspedition på skibet Gauss i 1903. Skibet var frosset i is, og alle de sædvanlige metoder til frigivelse førte ikke til nogen resultater. , kun fjernet et par hundrede kubikmeter is og frigjorde ikke skibet. Så vendte de sig mod solens stråler: de lavede en stribe mørk aske og kul på isen 2 km lang og ti meter bred, den førte fra skibet til den nærmeste brede spalte i isen, polarsommerens klare lange dage og solens stråler gjorde, hvad dynamit og sav ikke kunne: isen smeltede og brød langs den stablede stribe, og skibet blev befriet for isen.

Gammelt og nyt om luftspejlinger

Sandsynligvis ved alle, hvad den fysiske årsag til et almindeligt fatamorgana er. Ørkenens varme sand får spejlegenskaber, fordi det opvarmede luftlag, der støder op til det, har en lavere tæthed end de overliggende lag. En skrå lysstråle fra et meget fjernt objekt, der har nået dette luftlag, bøjer sin vej i det, så det i sin videre bevægelse igen bevæger sig væk fra jorden og rammer iagttagerens øje, som om det reflekteres fra et spejl ved en meget stor indfaldsvinkel. Og det forekommer iagttageren, at en vandoverflade breder sig ud foran ham i ørkenen og reflekterer kystobjekter (fig. 115).

Ris. 115. Hvordan et fatamorgana opstår i ørkenen. Denne tegning, der almindeligvis er gengivet i lærebøger, repræsenterer lysstrålens vej, der skråner mod jorden på en overdrevent stejl måde.
Det ville dog være mere korrekt at sige, at det opvarmede luftlag nær den varme jord reflekterer strålerne ikke som et spejl, men som en vandoverflade set fra vandets dybde. Det, der sker her, er ikke en simpel refleksion, men det, der på fysikkens sprog kaldes "intern refleksion".Det kræver, at lysstrålen trænger meget blidt ind i luftlagene - mere skånsomt end vist i vores forenklede figur 115; ellers vil ikke blive overgået "begrænsende vinkel" for indfaldsvinkel for strålen, og uden dette opnås intern refleksion ikke.
Vi bemærker i forbifarten et punkt i denne teori, som kan give anledning til en misforståelse. Ovenstående forklaring kræver et sådant arrangement af luftlagene, hvor de tættere lag ville være højere end de mindre tætte. Vi ved dog, at tæt, tung luft har en tendens til at synke og tvinge det underliggende lette gaslag opad. Hvordan kan der være det arrangement af lag af tæt og fortærnet luft, som er nødvendigt for udseendet af et fatamorgana?

Ris. 116. Mirage på asfalten.
Svaret ligger i, at det nødvendige arrangement af luftlag ikke er i stille luft, men i luft i bevægelse. Det luftlag, der opvarmes af jorden, hviler ikke på det, men tvinges løbende opad og erstattes straks af et nyt lag opvarmet luft. Kontinuerlig forandring bestemmer, at et bestemt lag af fortærnet luft altid støder op til det varme sand, selvom det ikke er det samme, men dette er allerede ligegyldigt med strålernes forløb.
Den slags fatamorgana, som vi overvejer, har været kendt siden antikken. I moderne meteorologi kaldes det den "nedre" luftspejling (i modsætning til den "øvre" luftspejling, genereret af refleksion af lysstråler fra lag af fortærnet luft i den øvre atmosfære). De fleste mennesker er overbevist om, at denne klassiske fatamorgana kun kan observeres i den lune luft i de sydlige ørkener og ikke forekommer på mere nordlige breddegrader.
I mellemtiden er den nedre luftspejling ofte observeret i vores område. Sådanne fænomener er især hyppige om sommeren på asfalt- og asfaltveje, som på grund af deres mørke farve bliver meget varme i solen. Den matte overflade af vejen virker så langvejs fra, som om den er hældt med vand og reflekterer fjerne objekter. Lysstrålernes vej i denne fatamorgana er vist i fig. 116. Med nogle iagttagelser kan sådanne fænomener ikke ses så sjældent, som man almindeligvis tror.
Der er en anden slags fatamorgana - et fatamorganaside, hvis eksistens normalt ikke engang mistænkes. Dette er en refleksion fra en opvarmet ren væg. Sådan et tilfælde er beskrevet af en fransk forfatter. Da han nærmede sig fæstningens fort, lagde han mærke til, at fortets jævne betonmur pludselig skinnede som et spejl og reflekterede det omgivende landskab, jord, himmel. Han tog et par skridt mere og bemærkede den samme ændring i fortets anden mur. Det virkede, som om den grå ujævne overflade pludselig blev erstattet af en poleret. Det var en lummer dag, og væggene må være blevet meget varme, hvilket var nøglen til deres spekularitet. På fig. 117 viser placeringen af ​​fortets mure (F og F") og placeringen af ​​observatøren (A og A"). Det viste sig, at der observeres et fatamorgana, hver gang væggen er opvarmet nok af solens stråler. Det lykkedes endda at fotografere dette fænomen.
På fig. 118 viser (til venstre) væg F af fortet, først mat, og derefter skinnende (til højre), som et spejl (taget fra punkt A"). Det venstre billede viser almindelig grå beton, hvori naturligvis bl.a. figurerne af to til højre - den samme væg har for det meste fået spejlegenskaber, og den nærmeste figur af en soldat giver sit symmetriske billede i. Det er selvfølgelig ikke selve væggens overflade, der reflekterer strålerne , men kun det lag af opvarmet luft, der støder op til det.

Ris. 117. Plan over fortet, hvor luftspejlingen blev observeret. Væg F virkede spejlet fra punkt A, væg F" - fra punkt A"

Ris. 118. En grå ujævn væg (venstre) bliver pludselig som poleret, reflekterende (højre).
På varme sommerdage bør man være opmærksom på de opvarmede vægge i store bygninger og kigge efter fatamorgana-fænomener. Uden tvivl, med en vis opmærksomhed, bør antallet af observerede tilfælde af fatamorgana stige mærkbart.

"Grøn stråle"

"Har du nogensinde observeret solen gå ned under havets horisont? Ja, uden tvivl. Har du fulgt den indtil det øjeblik, hvor den øverste kant af skiven rører horisonten og derefter forsvinder? Sandsynligvis ja. Men har du bemærket fænomen, hvad sker der i det øjeblik, hvor det lysende lys kaster sin sidste stråle, hvis himlen er skyfri og fuldstændig gennemsigtig?en farve, som ingen kunstner kan få på sin palet, og som naturen selv ikke reproducerer, hverken i de forskellige nuancer af vegetation, eller i farven af ​​det mest gennemsigtige hav.
En lignende note i en engelsk avis førte den unge heltinde i Jules Vernes roman "Den grønne stråle" ind i en begejstret tilstand og fik hende til at foretage en række ture med det ene formål at se den grønne stråle med sine egne øjne.Den unge skotte var ikke i stand til, som forfatteren fortæller, at observere dette smukke naturfænomen. Men det eksisterer stadig.Den grønne stråle er ikke en legende, selvom der er mange legendariske ting forbundet med den.Det er et fænomen, som enhver naturelsker kan beundre hvis han søger efter det med behørig tålmodighed.

Hvorfor vises den grønne stråle?

Du vil forstå årsagen til fænomenet, hvis du husker, i hvilken form genstande optræder for os, når vi ser på dem gennem et glasprisme. Udfør dette eksperiment: Hold prismet i nærheden af ​​øjet vandret med den brede side nedad, og se gennem det på et stykke papir, der er fastgjort til væggen. Du vil bemærke, at bladet for det første er steget meget højere end dets sande position, og for det andet har det en violet-blå kant øverst og en gul-rød forneden. Hævning afhænger af lysets brydning, farvede grænser - påspredningglas, altså glasegenskaberuligebryde stråler af forskelligefarver.Violette og blå stråler brydes stærkere end andre, så vi ser en violetblå kant øverst; røde brydes svagest, og derfor har den nederste kant af vores papirark en rød kant.
For en bedre forståelse af det følgende, er det nødvendigt at dvæle ved oprindelsen af ​​disse farvede kanter. Prismet nedbryder det hvide lys, der kommer fra papiret, til alle spektrets farver, hvilket giver mange farvebilleder af et papirark, arrangeret, delvist overlejret på hinanden, i brydningsrækkefølgen. Fra den samtidige handling af disse overlejrede. Oven på hinanden af ​​farvebilleder får øjnene en fornemmelse af hvid farve (tilsætning af spektralfarver), men øverst og nederst er der kanter af ublandbare farver. Den berømte digter Goethe, der gennemgik dette eksperiment og ikke forstod dets betydning, forestillede sig, at han således havde afsløret falskheden i Newtons farvelære, og skrev derefter sin egen "Farvevidenskab", som næsten udelukkende er baseret på falske ideer. Læseren vil formodentlig ikke gentage den store digters vrangforestillinger og vil ikke forvente, at prismet vil omfarve alle objekter for ham. Jordens atmosfære er for vores øjne som et stort luftprisme, der er vendt nedad. Ser på Solen i horisonten ser vi på det gennem et gasprisme. Solens skive modtager i toppen er en kant af blå og grøn, nederst - rød-gul. Mens Solen er over horisonten, er lyset fra disken med sin lysstyrke afbryder meget mindre lyse farvede striber, og vi bemærker dem slet ikke. Men i øjeblikke med solopgang og solnedgang, hvor næsten hele disken er skjult under horisonten, kan vi se den blå kant af den øvre kant. Den er tofarvet: over er en blå stribe, under - blå, fra en blanding af blå og grønne bjælker hvis. Når luften nær horisonten er helt klar og gennemsigtig, ser vi en blå rand - den "blå stråle". Men oftere spredes de blå stråler af atmosfæren, og der er kun én grøn rand tilbage: fænomenet "den grønne stråle" . Endelig spredes blå og grønne stråler i de fleste tilfælde også af den overskyede atmosfære - så bemærkes ingen grænse: Solen går ned i en karminrød kugle.
Pulkovo-astronomen GA Tikhov, der viede en særlig undersøgelse til den "grønne stråle", rapporterer nogle tegn på synligheden af ​​dette fænomen. "Hvis Solen har en rød farve ved solnedgang, og det er let at se på det med et enkelt øje, så kan vi med tillid sige, at der ikke vil være nogen grøn stråle". Årsagen er klar: Solskivens røde farve indikerer en stærk spredning af blå og grønne stråler af atmosfæren, det vil sige hele den øvre kant af skiven. "Tværtimod," fortsætter astronomen, "hvis Solen kun lidt har ændret sin sædvanlige hvidgule farve og sætter meget lys (det vil sige, hvis absorptionen af ​​lys i atmosfæren er lille). -I.P.), så kan vi højst sandsynligt forvente en grøn stråle. Men her er det bare vigtigt, at horisonten er en skarp linje, uden uregelmæssigheder, nærliggende skov, bygninger osv. Disse betingelser opfyldes bedst til søs; det er grunden til, at den grønne stråle er så velkendt af sømænd."
Så for at se den "grønne stråle", skal du observere solen på tidspunktet for solnedgang eller solopgang med en meget klar himmel. I sydlige lande er himlen nær horisonten mere gennemsigtig end vores, så den "grønne beam” fænomen observeres der oftere. Men i vores land er det ikke så sjældent, som mange tror, ​​sikkert under indflydelse af Jules Vernes roman. Vedholdende søgninger efter den "grønne stråle" bliver før eller siden belønnet med succes. Det skete for at fange dette smukke fænomen selv med et teleskop. To Alsace-astronomer beskriver en sådan observation som følger:
"... I det sidste minut før solnedgang, hvor en mærkbar del af den derfor stadig er synlig, er skiven, som har en bølget bevægende, men skarpt defineret kant, omgivet af en grøn rand. Indtil Solen har helt indstillet, er denne rand ikke synlig for det blotte øje. Den bliver først synlig i det øjeblik, hvor Solen forsvinder fuldstændigt bag horisonten. Hvis du ser gennem et teleskop med en tilstrækkelig stærk forstørrelse (ca. 100 gange), kan du spore i detaljer alle fænomenerne: den grønne kant bliver mærkbar senest 10 minutter før solnedgang, den begrænser den øvre del af skiven, mens der fra bunden er en rød kant.Breden af ​​grænsen, først meget lille (kun få buesekunder), øges efterhånden som solen går ned; den når nogle gange op til et halvt minut af buen. Grønne fremspring observeres ofte over den grønne rand, som med Solens gradvise forsvinden, som om de glider langs dens kant for at det højeste punkt; nogle gange kommer de af fælgen og lyser hver for sig i flere sekunder, indtil de går ud” (Fig. 119).

Ris. 119. Langtidsobservation af den "grønne stråle", observatøren så den "grønne stråle" bag bjergkæden i 5 minutter. Ovenfor til højre ses den "grønne stråle" set gennem et teleskop Solens skive har uregelmæssige konturer. I position 1 blænder solskivens glans øjet og forhindrer den grønne kant i at ses med det blotte øje. I position 2, når Solens skive næsten forsvinder, bliver den "grønne stråle" tilgængelig for det blotte øje.
Normalt varer fænomenet et sekund eller to. Men under ekstraordinære omstændigheder forlænges dens varighed mærkbart. Et tilfælde blev bemærket, da en "grøn stråle" blev observeret i mere end 5 minutter! Solen var ved at gå ned bag et fjernt bjerg, og en hurtig observatør så en grøn kant af solskiven, som om den gled langs bjergsiden (fig. . 119).
Meget lærerige tilfælde af observation af den "grønne stråle" klsolopgangSol, når den øverste kant af armaturet begynder at dukke op under horisonten. Dette afviser den ofte udtrykte formodning om, at den "grønne stråle" er en optisk illusion, som øjet bukker under for, når det er træt af den lyse glans fra den netop nedgående sol.
Solen er ikke den eneste lyskilde, der udsender en "grøn stråle". Det skete for at se dette fænomen genereret af indstillingen Venus [Om luftspejlinger og en grøn stråle, kan du lære af den fremragende bog af M. Minnart "Lys og farve" i naturen". Fizmatgiz, 1958Bemærk. udg.].

I de foregående afsnit har vi studeret fænomenet lysreflektion. Lad os nu stifte bekendtskab med det andet fænomen, hvor strålerne ændrer retningen af ​​deres udbredelse. Dette fænomen er lysbrydning ved grænsefladen mellem to medier. Tag et kig på tegningerne med stråler og et akvarium i § 14-b. Strålen, der forlod laseren, var lige, men da den nåede akvariets glasvæg, ændrede strålen retning - brydes.

lysets brydning kaldet en ændring i strålens retning ved grænsefladen mellem to medier, hvor lyset passerer ind i det andet medium(sammenlign med refleksion). For eksempel har vi i figuren vist eksempler på brydningen af ​​en lysstråle ved grænserne mellem luft og vand, luft og glas, vand og glas.

Af sammenligningen af ​​de venstre tegninger følger det, at medieparret "luft-glas" bryder lyset stærkere end medieparret "luft-vand". Ud fra sammenligningen af ​​de rigtige tegninger kan det ses, at når man går fra luft til glas, brydes lys kraftigere, end når man går fra vand til glas. dvs. par af medier, der er transparente for optisk stråling, har forskellige brydningsevner, karakteriseret ved relative brydningsindeks. Det beregnes ved hjælp af formlen på næste side, så det kan måles eksperimentelt. Hvis vakuum vælges som det første medium, opnås følgende værdier:

Disse værdier er målt ved 20°C for gult lys. Ved en anden temperatur eller en anden lysfarve vil indikatorerne være anderledes (se § 14-h). Ved en kvalitativ undersøgelse af tabellen bemærker vi: jo mere brydningsindekset adskiller sig fra enhed, jo større er den vinkel, som strålen afviger fra, og går fra vakuum til mediet. Da luftens brydningsindeks er næsten det samme som enhed, er luftens indflydelse på lysets udbredelse næsten umærkelig.

Loven om lysets brydning. For at overveje denne lov introducerer vi definitioner. Vinklen mellem den indfaldende stråle og vinkelret på grænsefladen mellem to medier ved strålens knækpunkt kaldes indfaldsvinkel(en). Tilsvarende kaldes vinklen mellem den brudte stråle og vinkelret på grænsefladen mellem to medier ved strålens knækpunkt. brydningsvinkel(g).

Når lyset brydes, er de love, der udgør lov om lysets brydning: 1. Den indfaldende stråle, den brudte stråle og vinkelret på grænsefladen mellem medierne ved strålens brudpunkt ligger i samme plan. 2. Forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen er en konstant værdi uafhængig af vinklerne:

En kvalitativ fortolkning af loven om lysbrydning bruges også: når lys passerer ind i et optisk tættere medium, afviger strålen mod vinkelret på grænsefladen mellem mediet. Og omvendt.

Princippet om reversibilitet af lysstråler. Når lys reflekteres eller brydes, kan de indfaldende og reflekterede stråler altid ombyttes. Det betyder at strålernes forløb vil ikke ændre sig, hvis deres retninger vendes. Talrige eksperimenter bekræfter: i dette tilfælde ændres "banen" af strålernes vej ikke (se tegning).

Brydning af lys er en ændring i strålens retning ved grænsen af ​​to medier med forskellig tæthed.

Forklaring: en lysstråle, der falder i vandet, ændrer retning ved grænsen af ​​to medier (det vil sige på overfladen af ​​vandet). Strålen er bogstaveligt talt brudt. Dette fænomen kaldes lysets brydning. Dette sker, fordi vand og luft har forskellige tætheder. Vand er tættere end luft, og hastigheden af ​​en lysstråle, der falder på dens overflade, aftager. Vand er således et optisk tættere medium.

Mediets optiske tæthed er karakteriseret ved forskellige hastigheder af lysudbredelse.

brydningsvinkel (ϒ) er vinklen dannet af den brudte stråle og vinkelret på strålens indfaldspunkt ved grænsefladen mellem to medier.

Forklaring:

Strålen faldt på vandoverfladen på et bestemt tidspunkt og blev brudt. Lad os tegne en vinkelret fra dette punkt i samme retning, som den brudte stråle "forlod" - i vores tilfælde er vinkelret rettet mod bunden af ​​reservoiret. Vinklen dannet af denne vinkelrette og den brydte stråle kaldes brydningsvinklen.

Hvis lys bevæger sig fra et optisk mindre tæt medium til et optisk tættere medium, så er brydningsvinklen altid mindre end indfaldsvinklen.

For eksempel har lys, der falder i vand, en indfaldsvinkel, der er større end brydningsvinklen. Årsagen er, at vand er et tættere medium end luft.

For to medier med forskellig optisk tæthed gælder følgende formel:

synd α
--- = n
syndϒ

hvor n er en konstant værdi uafhængig af indfaldsvinklen.

Forklaring:

Lad os tage tre stråler, der falder i vandet.

Deres indfaldsvinkler er 30°, 45° og 60°.

Brydningsvinklerne for disse stråler vil være henholdsvis 23°, 33° og 42°.

Hvis vi laver forholdet mellem indfaldsvinklerne og brydningsvinklerne, får vi det samme tal:

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

Hvis vi således deler indfaldsvinklen for strålen i vandet og brydningsvinklen, får vi 1,3. Dette er en konstant ( n ), som findes ved hjælp af ovenstående formel.

Den indfaldende stråle, den brudte stråle og den vinkelrette tegnet fra strålens indfaldspunkt ligger i samme plan.