Når du løser problemer i optikk, trenger du ofte å vite brytningsindeksen til glass, vann eller et annet stoff. Dessuten, i ulike situasjoner Både absolutte og relative verdier av denne mengden kan brukes.

To typer brytningsindeks

Først, la oss snakke om hva dette tallet viser: hvordan retningen for lysutbredelse endres i et eller annet gjennomsiktig medium. Dessuten kan en elektromagnetisk bølge komme fra et vakuum, og da vil brytningsindeksen til glass eller annet stoff bli kalt absolutt. I de fleste tilfeller ligger verdien i området fra 1 til 2. Bare i svært sjeldne tilfeller er brytningsindeksen større enn to.

Hvis det foran objektet er et medium tettere enn vakuum, snakker de om en relativ verdi. Og det beregnes som forholdet mellom to absolutte verdier. For eksempel vil den relative brytningsindeksen til vannglass være lik kvotienten av de absolutte verdiene for glass og vann.

I alle fall er det betegnet med den latinske bokstaven "en" - n. Denne verdien oppnås ved å dele de samme verdiene med hverandre, derfor er det ganske enkelt en koeffisient som ikke har noe navn.

Hvilken formel kan du bruke for å beregne brytningsindeksen?

Hvis vi tar innfallsvinkelen som "alfa" og brytningsvinkelen som "beta", så ser formelen for den absolutte verdien av brytningsindeksen slik ut: n = sin α/sin β. I engelskspråklig litteratur kan man ofte finne en annen betegnelse. Når innfallsvinkelen er i, og brytningsvinkelen er r.

Det er en annen formel for hvordan man beregner lysbrytningsindeksen i glass og andre transparente medier. Det er relatert til lysets hastighet i et vakuum og det samme, men i stoffet som vurderes.

Da ser det slik ut: n = c/νλ. Her er c lysets hastighet i et vakuum, ν er hastigheten i et transparent medium, og λ er bølgelengden.

Hva er brytningsindeksen avhengig av?

Det bestemmes av hastigheten som lyset forplanter seg med i mediet som vurderes. Luft i denne forbindelse er veldig nær et vakuum, så lysbølger forplanter seg i den praktisk talt uten å avvike fra sin opprinnelige retning. Derfor, hvis brytningsindeksen til glass-luft eller et annet stoff som grenser til luft bestemmes, blir sistnevnte konvensjonelt tatt som et vakuum.

Ethvert annet miljø har sitt eget egne egenskaper. Det har de forskjellige tettheter, de har egen temperatur, samt elastiske påkjenninger. Alt dette påvirker resultatet av lysbrytning av stoffet.

Lysets egenskaper spiller en viktig rolle i å endre retningen på bølgeutbredelsen. Hvitt lys består av mange farger, fra rødt til fiolett. Hver del av spekteret brytes på sin egen måte. Dessuten vil verdien av indikatoren for bølgen til den røde delen av spekteret alltid være mindre enn de andre. For eksempel varierer brytningsindeksen til TF-1-glass fra henholdsvis 1,6421 til 1,67298, fra den røde til den fiolette delen av spekteret.

Eksempler på verdier for ulike stoffer

Her er verdiene av absolutte verdier, det vil si brytningsindeksen når en stråle passerer fra et vakuum (som tilsvarer luft) gjennom et annet stoff.

Disse tallene vil være nødvendige hvis det er nødvendig å bestemme brytningsindeksen til glass i forhold til andre medier.

Hvilke andre mengder brukes til å løse problemer?

Total refleksjon. Det observeres når lys går fra et tettere medium til et mindre tett medium. Her kl en viss verdi innfallsvinkel, brytning skjer i rette vinkler. Det vil si at strålen glir langs grensen til to medier.

Begrens vinkel total refleksjon- dette er hans minimumsverdi, der lyset ikke slipper ut i et mindre tett medium. Mindre av det betyr brytning, og mer betyr refleksjon inn i det samme mediet som lyset beveget seg fra.

Oppgave nr. 1

Betingelse. Brytningsindeksen til glass har en verdi på 1,52. Det er nødvendig å bestemme den begrensende vinkelen ved hvilken lys reflekteres fullstendig fra grensesnittet til overflater: glass med luft, vann med luft, glass med vann.

Du må bruke brytningsindeksdataene for vann gitt i tabellen. Det tas lik enhet for luft.

Løsningen i alle tre tilfellene kommer ned til beregninger ved hjelp av formelen:

sin α 0 /sin β = n 1 /n 2, hvor n 2 refererer til mediet som lyset forplanter seg fra, og n 1 hvor det trenger inn.

Bokstaven α 0 angir grensevinkelen. Verdien av vinkelen β er 90 grader. Det vil si at dens sinus vil være én.

For det første tilfellet: sin α 0 = 1 /n glass, så viser den begrensende vinkelen seg å være lik arcsinen til 1 /n glass. 1/1,52 = 0,6579. Vinkelen er 41,14º.

I det andre tilfellet, når du bestemmer arcsine, må du erstatte verdien av brytningsindeksen til vann. Fraksjonen 1 /n av vann vil ha verdien 1/1,33 = 0,7519. Dette er buevinkelen til vinkelen 48,75º.

Det tredje tilfellet er beskrevet av forholdet mellom n vann og n glass. Arcsinus må beregnes for brøken: 1,33/1,52, det vil si tallet 0,875. Vi finner verdien av grensevinkelen ved dens bue: 61,05º.

Svar: 41.14º, 48.75º, 61.05º.

Oppgave nr. 2

Betingelse. Et glassprisme nedsenkes i et kar med vann. Dens brytningsindeks er 1,5. Et prisme er basert på en rettvinklet trekant. Det større benet er plassert vinkelrett på bunnen, og det andre er parallelt med det. En lysstråle faller normalt på oversiden av prismet. Hva må være den minste vinkelen mellom et horisontalt ben og hypotenusen for at lys skal nå benet som ligger vinkelrett på bunnen av karet og gå ut av prismet?

For at strålen skal gå ut av prismet på den måten som er beskrevet, må den falle i en maksimal vinkel på den indre overflaten (den som er hypotenusen til trekanten i tverrsnittet av prismet). Denne begrensningsvinkelen viser seg å være lik ønsket vinkel rettvinklet trekant. Fra loven om lysbrytning viser det seg at sinusen til den begrensende vinkelen delt på sinusen på 90 grader er lik forholdet mellom to brytningsindekser: vann til glass.

Beregninger fører til følgende verdi for grensevinkelen: 62º30´.

Fenomenet lysbrytning.

Hvis en lysstråle faller på en overflate som skiller to transparente medier med forskjellige optiske tettheter, for eksempel luft og vann, reflekteres en del av lyset fra denne overflaten, og den andre delen trenger inn i det andre mediet. Når den går fra et medium til et annet, endrer en lysstråle retning ved grensen til disse mediene. Dette fenomenet kalles lysbrytning.

La oss se nærmere på lysbrytningen. Figur n viser: innfallende stråle JSC, brutt stråle OB og vinkelrett CD, gjenopprettet fra treffpunktet OM til overflaten som skiller to forskjellige miljøer. Hjørne AOC- innfallsvinkel, vinkel DOB- brytningsvinkel. Brytningsvinkel DOB mindre enn innfallsvinkelen AOC.

Stråle av lys på overgang fra luft til vann endrer retning, nærmer seg vinkelrett CD. Vann er et medium optisk tettere enn luft. Hvis vannet erstattes av et annet gjennomsiktig medium, optisk tettere enn luft, vil den refrakterte strålen også nærme seg perpendikulæren. Derfor kan vi si: hvis lys kommer fra et medium som er optisk mindre tett til et mer tett medium, så er brytningsvinkelen alltid mindre enn innfallsvinkelen.

Eksperimenter viser at ved samme innfallsvinkel er brytningsvinkelen mindre, jo mer optisk tettere mediet som strålen trenger inn i.
Hvis et speil plasseres på banen til den brutte strålen vinkelrett på strålen, vil lyset reflekteres fra speilet og komme ut av vannet i luften i retning av den innfallende strålen. Følgelig er innfallende og brutte stråler reversible på samme måte som innfallende og reflekterte stråler er reversible.
Hvis lys kommer fra et mer optisk tett medium til et mindre tett medium, så er brytningsvinkelen til strålen større enn innfallsvinkelen.

La oss gjøre et lite eksperiment hjemme. m hjemme et lite eksperiment. er Hvis du legger en blyant i et glass vann, vil den virke ødelagt. E dette kan bare forklares med at lysstrålene som kommer fra blyanten har en annen retning i vann enn i luft, dvs. lys brytes på grensen mellom luft og vann. Når lys går fra et medium til et annet, reflekteres en del av lyset som faller inn på det ved grensesnittet. Resten av lyset trenger inn i det nye miljøet. Hvis lys faller i en annen vinkel til grensesnittet enn rett, endrer lysstrålen retning fra grensesnittet.
Dette kalles fenomenet lysbrytning. Fenomenet lysbrytning observeres ved grensen til to gjennomsiktige medier og forklares av den forskjellige hastigheten på lysutbredelsen i ulike miljøer. I et vakuum er lysets hastighet omtrent 300 000 km/s, i alle andre

Med edah den er mindre.

Bildet under viser en stråle som beveger seg fra luft til vann. Vinkelen kalles innfallsvinkel for strålen, A - brytningsvinkel. Legg merke til at i vann nærmer strålen seg normalen. Dette skjer når strålen treffer et medium der lyshastigheten er lavere. Hvis lys forplanter seg fra et medium til et annet, hvor lyshastigheten er større, avviker det fra normalen.

Refraksjon skyldes en rekke kjente optiske illusjoner. For eksempel, for en observatør på kysten, ser det ut til at en person som har gått inn i midjedypt vann har kortere ben.

Lover for lysbrytning.

Fra alt som er sagt konkluderer vi:
1 . I grensesnittet mellom to medier med forskjellige optiske tettheter, endrer en lysstråle retning når den går fra ett medium til et annet.
2. Når en lysstråle går over i et medium med en størrebrytningsvinkel for optisk tetthetmindre innfallsvinkel; når en lysstråle passererfra et optisk tettere medium til et mindre tett mediumtett brytningsvinkel større enn innfallsvinkelennia.
Brytningen av lys er ledsaget av refleksjon, og med en økning i innfallsvinkelen øker lysstyrken til den reflekterte strålen, og den brutte strålen svekkes. Dette kan sees ved å eksperimentere vist i figuren. MED Derfor bærer den reflekterte strålen bort mer lysenergi, jo større innfallsvinkelen er.

La MN- grensesnittet mellom to gjennomsiktige medier, for eksempel luft og vann, JSC- hendelsesstråle, OB- brutt stråle, - innfallsvinkel, - brytningsvinkel, - lysets forplantningshastighet i det første mediet, - lysets forplantningshastighet i det andre mediet.

Den første brytningsloven høres slik ut: forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er en konstant verdi for disse to mediene:

, hvor er den relative brytningsindeksen (brytningsindeksen til det andre mediet i forhold til det første).

Den andre loven om lysbrytning er veldig lik den andre loven om lysrefleksjon:

den innfallende strålen, den refrakterte strålen og perpendikulæren trukket til innfallspunktet for strålen ligger i samme plan.

Absolutt brytningsindeks.

Lysets hastighet i luft er nesten den samme som lysets hastighet i vakuum: med m/s.

Hvis lys kommer inn fra et vakuum inn i et medium, da

hvor n er den absolutte brytningsindeksen av dette miljøet. Den relative brytningsindeksen til to medier er relatert til de absolutte brytningsindeksene til disse mediene, hvor og er henholdsvis de absolutte brytningsindeksene til det første og andre mediet.

Absolutte lysbrytningsindekser:

Stoff

Diamant 2,42. Kvarts 1,54. Luft (kl normale forhold) 1,00029. Etylalkohol 1,36. Vann 1,33. Is 1.31. Terpentin 1,47. Smelt kvarts 1,46. CZK 1,52. Lys flint 1,58. Natriumklorid (salt) 1,53.

(Som vi vil se senere, brytningsindeksen n varierer noe avhengig av lysets bølgelengde - det beholder en konstant verdi kun i et vakuum. Derfor tilsvarer dataene gitt i tabellen gult lys med en bølgelengde på .)

For eksempel, siden for en diamant beveger lyset seg i en diamant med en hastighet

Mediets optiske tetthet.

Hvis den absolutte brytningsindeksen til det første mediet er mindre enn den absolutte brytningsindeksen til det andre mediet, så har det første mediet en lavere optisk tetthet enn det andre og >. Den optiske tettheten til et medium må ikke forveksles med tettheten til et stoff.

Passering av lys gjennom en planparallell plate og et prisme.

Stor praktisk betydning har passasje av lys gjennom gjennomsiktige legemer ulike former. La oss vurdere de enkleste tilfellene.
La oss rette en lysstråle gjennom en tykk plan-parallell plate (en plate avgrenset av parallelle kanter). Når den passerer gjennom platen, brytes en lysstråle to ganger: en gang når den kommer inn i platen, den andre gangen når den kommer ut i luften.

En lysstråle som passerer gjennom platen forblir parallelt med dens opprinnelige retning og skifter bare litt. Denne forskyvningen er større jo tykkere platen er og jo større innfallsvinkel. Mengden forskyvning avhenger også av materialet som platen er laget av.
Et eksempel på en planparallell plate er vindusglass. Men når vi undersøker gjenstander gjennom glass, merker vi ikke endringer i deres plassering og form fordi glasset er tynt; lysstråler som passerer vindusglasset beveger seg litt.
Hvis du ser på en gjenstand gjennom et prisme, virker gjenstanden forskjøvet. En lysstråle som kommer fra en gjenstand faller på et prisme på et punkt EN, brytes og går inn i prismet i retningen AB Etter å ha nådd den andre flaten av prismet. lysstrålen brytes igjen, og avbøyes mot bunnen av prismet. Derfor ser det ut til at strålen kommer fra et punkt. lokalisert basert på fortsettelsen av strålen BC, det vil si at objektet ser ut til å være forskjøvet til toppen av vinkelen som dannes av de refraktive flatene til prismet.

Komplett refleksjon av lys.

Et vakkert skue er fontenen, hvis utkastede stråler er opplyst innenfra. (Dette kan avbildes under normale forhold ved å utføre følgende eksperiment nr. 1). La oss forklare dette fenomenet litt nedenfor.

Når lys går fra et optisk tettere medium til et optisk mindre tett medium, observeres fenomenet total refleksjon av lys. Brytningsvinkelen i dette tilfellet er større sammenlignet med innfallsvinkelen (fig. 141). Ettersom innfallsvinkelen til lysstråler fra kilden øker S til grensesnittet mellom to medier MN det vil komme et øyeblikk når den brutte strålen vil gå langs grensesnittet mellom to medier, det vil si = 90°.

Innfallsvinkelen som tilsvarer brytningsvinkelen = 90° kalles grensevinkelen for total refleksjon.

Hvis denne vinkelen overskrides, vil strålene ikke forlate det første mediet i det hele tatt, bare fenomenet lysrefleksjon fra grensesnittet mellom to medier vil bli observert.

Fra den første brytningsloven:

Siden da.

Hvis det andre mediet er luft (vakuum), hvor n - den absolutte brytningsindeksen til mediet som strålene kommer fra.

Forklaringen på fenomenet observert i eksperimentet ditt er ganske enkel. En lysstråle passerer langs en vannstrøm og treffer en buet overflate i en vinkel som er større enn den begrensende, opplever total indre refleksjon, og treffer så igjen den motsatte siden av strømmen i en vinkel som er større enn den begrensende. Så strålen passerer langs strålen og bøyer seg sammen med den.

Men hvis lyset ble fullstendig reflektert inne i strålen, ville det ikke vært synlig fra utsiden. En del av lyset spres av vann, luftbobler og ulike urenheter som er tilstede i det, samt på grunn av den ujevne overflaten på strålen, så det er synlig fra utsiden.

Uten tvil vet du hvordan heltene i Jules Vernes roman "Den mystiske øya", forlatt på et ubebodd land, gjorde ild uten fyrstikker eller flint Robinson, som antente et tre, men Jules Vernes nye Robinsons. ble ikke hjulpet ved en tilfeldighet, men av en kunnskapsrik ingeniørs oppfinnsomhet og hans solide kunnskap om fysikkens lover. Husk hvor overrasket den naive sjømannen Pencroft ble da han kom tilbake fra en jakt, fant ingeniøren og journalisten foran en flammende. ild.
«Men hvem tente på bålet?» spurte sjømannen.
«Solen,» svarte Spilett.
Journalisten spøkte ikke. Faktisk leverte solen ilden som sjømannen beundret så mye. Han trodde ikke sine egne øyne og var så forbløffet at han ikke engang kunne stille spørsmål ved ingeniøren.
– Så du hadde et brennende glass? – spurte Herbert ingeniøren.
- Nei, men jeg klarte det.
Og han viste det. Det var rett og slett to glass tatt av ingeniøren fra klokken hans og Spiletts klokke. Han koblet kantene deres med leire, etter å ha fylt den med vann, og dermed ble det oppnådd en ekte brennende linse, ved hjelp av hvilken ingeniøren konsentrerte solstrålene på tørr mose og produserte ild.»
Leseren tror jeg vil vite hvorfor det er nødvendig å fylle rommet mellom klokkeglassene med vann: konsentrerer ikke en bikonveks linse fylt med luft strålene?
Nøyaktig nei. Klokkeglasset er begrenset av to parallelle (konsentriske) overflater - ytre og indre; og det er kjent fra fysikken at stråler nesten ikke endrer retning når de passerer gjennom et medium begrenset av slike overflater. Når de deretter passerer gjennom et andre glass av samme type, avviker de heller ikke her, og kommer derfor ikke i fokus. For å konsentrere strålene på ett punkt, er det nødvendig å fylle rommet mellom glassene med noe gjennomsiktig stoff som vil bryte strålene sterkere enn luft. Dette er hva ingeniøren gjorde i romanen til Jules Verne.
En vanlig vannkaraffel, hvis den er sfærisk i form, kan også tjene som brennende linse. De gamle visste dette allerede, og de la også merke til at vannet i seg selv forble kaldt. Det skjedde til og med å stå på åpent vindu en karaffel med vann satte fyr på gardinene og duken og forkullet bordet. De enorme sfæriske flaskene med farget vann, som i henhold til gammel skikk pleide å dekorere apotekvinduer, kan noen ganger være årsaken til virkelige katastrofer, og forårsake brann av brennbare stoffer i nærheten.
En liten rund kolbe fylt med vann kan til og med små størrelser kolbe, kok opp vannet hellet på et urglass: en kolbe på 12 centimeter i diameter er tilstrekkelig for dette. Ved 15 cm ved fokus [Fokus er plassert svært nær kolben] er temperaturen 120°. Å tenne en sigarett med en flaske med vann er like enkelt som med glasslinser, som Lomonosov skrev om i diktet sitt "On the Benefits of Glass":

Her tar vi imot solens flamme med glass
Og så imiterer vi komfortabelt Prometheus.
Banner på ondskapen i disse klønete løgnene,
Vi røyker tobakk med himmelsk ild uten synd.

Det skal imidlertid bemerkes at den brennende effekten av vannlinser er mye svakere enn glass. Dette skyldes for det første det faktum at lysbrytningen i vann er mye mindre enn i glass, og for det andre absorberer vann sterkt infrarøde stråler, som spiller en stor rolle i oppvarming av legemer.
Det er merkelig at den brennende effekten av glasslinser var kjent for de gamle grekerne, mer enn et årtusen før oppfinnelsen av glass og spotting-skop. Aristophanes nevner ham i den berømte komedien "Clouds" tilbyr Streptidade en oppgave:
«Hvis noen skrev en forpliktelse på deg i fem talenter, hvordan ville du ødelegge den?
Streptiades. Jeg fant en måte å utrydde en forpliktelse på, og en slik måte at du selv gjenkjenner det som utspekulert! Har du selvfølgelig sett på apotek den vakre, gjennomsiktige steinen som brukes til belysning?
Sokrates. Brennende glass?
Streptiades. Akkurat sånn.
Sokrates. Hva er neste?
Streptiades. Mens notarius skriver, vil jeg, som står bak ham, rette solens stråler mot forpliktelsen og smelte alle ordene...»
La meg minne deg for klargjøring om at grekerne på Aristofanes tid skrev på voksede tabletter, som lett ble smeltet av varmen.

Hvordan lage ild med is?

Is kan også tjene som materiale for en bikonveks linse, og derfor for å lage ild, hvis den er tilstrekkelig gjennomsiktig. Samtidig blir isen, som bryter strålene, ikke oppvarmet og smelter ikke. Brytningsindeksen til is er bare litt mindre enn vann, og hvis det, som vi har sett, er mulig å lage ild med en kule fylt med vann, er det også mulig å gjøre det med en linse laget av is.
Islinser tjente godt i Jules Vernes "The Voyage of Captain Hatteras."
"Det er en ulykke," sa Hatteras til legen.
"Ja," svarte han.
"Vi har ikke engang et teleskop som vi kan fjerne linsene med og lage ild med."
"Jeg vet," svarte legen, "og det er synd at ikke: Solens stråler er sterke nok til å tenne tinder."
"Hva kan vi gjøre, vi må stille sulten vår med rått bjørnekjøtt," sa Hatteras.
"Ja," sa legen ettertenksomt, "som en siste utvei." Men hvorfor gjør vi ikke...
-Hva planlegger du? – Hatteras var nysgjerrig.
- En tanke kom til meg...
- Tenkte? – utbrøt båtsmannen. – Hvis en tanke har falt deg opp, betyr det at vi er frelst!
«Jeg vet ikke hvordan det vil fungere,» nølte legen.
– Hva kom du på? – spurte Hatteras.
– Vi har ikke linser, men vi skal lage dem.
- Hvordan? – spurte båtsmannen.
- La oss pusse den fra et stykke is.
- Tror du virkelig...
– Hvorfor ikke? Tross alt er det bare nødvendig at solens stråler bringes til ett punkt, og for dette formål kan is erstatte den beste krystallen. Bare jeg foretrekker et stykke ferskvann is: den er sterkere og mer gjennomsiktig.
"Her, hvis jeg ikke tar feil, denne isblokken," pekte båtsmannen på isflaket omtrent hundre skritt fra de reisende, "etter fargen å dømme, er det akkurat det du trenger."
- Du har rett. Ta øksen din. La oss gå mine venner.
Alle tre satte kursen mot den indikerte isblokken. Isen viste seg å være ferskvann.
Legen beordret å kutte av et isstykke som var en fot i diameter og begynte å trimme det med en øks. Så trimmet han den med en kniv, og polerte den til slutt gradvis med hånden. Resultatet ble gjennomsiktige linser, som om de var laget av den beste krystallen. Solen var ganske sterk. Legen utsatte linsene for strålene og fokuserte dem på tinderen. I løpet av sekunder tok tinderen fyr."

Fig. 113. «Doktoren fokuserte solstrålene på tinderen.»
Jules Vernes historie er ikke helt fantastisk: Eksperimenter med å tenne et tre ved hjelp av islinser, først vellykket utført i England med veldig store linser tilbake i 1763, har siden blitt utført gjentatte ganger med full suksess. Selvfølgelig er det vanskelig å lagegjennomsiktigislinser ved hjelp av verktøy som en øks, en kniv og "bare en hånd" (ved 48 minusgrader!), men du kan gjøre islinser enklere: hell vann i en kopp med riktig form og frys, og deretter, etter litt oppvarming av koppen, fjern den fra hennes tilberedte linser.

Ris. 114. Beger for å lage isde linser.
Når du utfører et lignende eksperiment, ikke glem at det bare kan gjøres på en klar frostdag og i friluft, men ikke i et rom utenfor. vindusglass: glass absorberer en betydelig mengde energi solstråler og ikke nok gjenværende til å forårsake betydelig oppvarming.

Ved hjelp av solens stråler

Gjør et nytt eksperiment, som også er enkelt å gjøre i vintertid. Plasser to like store stykker stoff, lys og svart, på snøen, oversvømmet av sollys. Etter en time eller to vil du være overbevist om at den svarte biten har sunket ned i snøen, mens den lyse har holdt seg på samme nivå. Det er ikke vanskelig å finne ut årsaken til denne forskjellen: under et svart stykke tøy smelter snøen mer, siden det mørke stoffet absorberer de fleste solstrålene som faller på det; den lyse tvert imot sprer de fleste av dem og varmes derfor opp mindre enn den svarte.
Dette lærerike eksperimentet ble først utført av den berømte jageren for USAs uavhengighet, Benjamin Franklin, som udødeliggjorde seg selv som fysiker med oppfinnelsen av lynavlederen. «Jeg tok noen firkantede tøystykker fra skredderen ulike farger, skrev han. – Mellom var: svart, mørkeblå, lyseblå, grønn, lilla, rød, hvit og diverse andre farger og nyanser. En strålende solrik morgen la jeg alle disse bitene på snøen. Etter noen timer sank det svarte stykket, som varmet opp mer enn de andre, så dypt at solstrålene ikke lenger nådde det; den mørkeblå sank nesten like mye som den svarte; lyseblå mye mindre så; de resterende fargene falt mindre jo lysere de var. Den hvite ble liggende på overflaten, det vil si at den ikke sank i det hele tatt.»
"Hva ville en teori være bra for hvis ingen fordel kunne hentes ut av den?", utbryter han ved denne anledningen og fortsetter: "Kan vi ikke utlede det fra denne erfaringen svart kjole i et varmt solrikt klima er det mindre egnet enn hvitt, siden det varmer opp kroppen vår sterkere i solen, og hvis vi i tillegg gjør bevegelser som i seg selv varmer oss opp, vil det dannes overskuddsvarme? Skal ikke herre og dame sommerhatter være det hvitå eliminere varmen som noen mennesker føler solstikk?... Videre, kan ikke svertede vegger absorbere så mye solvarme i løpet av dagen for å holde seg litt varme om natten og beskytte frukt mot frost? Kan ikke en oppmerksom observatør komme over andre detaljer av større eller mindre betydning?»
Hva disse konklusjonene og nyttige anvendelsene kan være, viser eksemplet fra den tyske sydpolekspedisjonen i 1903 på skipet "Gauss". Skipet var frosset i is, og det er alt vanlige måter frigjøringene førte ikke til noen resultater. Sprengstoffet og sagene som ble brukt fjernet bare noen hundre kubikkmeter is og frigjorde ikke skipet. Så vendte de seg til hjelp av solstrålene: av mørk aske og kull laget de en stripe på isen 2 km lang og ti meter bred; den førte fra skipet til nærmeste brede sprekk i isen. Det var klare, lange dager med polarsommeren, og solstrålene gjorde det dynamitt og sager ikke klarte. Isen, etter å ha smeltet, brøt langs vollstripen, og skipet ble frigjort fra isen.

Gammelt og nytt om luftspeilinger

Sannsynligvis vet alle hva den fysiske årsaken til en vanlig luftspeiling er. Ørkensanden, oppvarmet av varmen, får speillignende egenskaper fordi det oppvarmede luftlaget ved siden av har lavere tetthet enn de overliggende lagene. En skrå lysstråle fra et veldig fjernt objekt, etter å ha nådd dette luftlaget, bøyer banen i det slik at det i videre bevegelse igjen beveger seg bort fra bakken og kommer inn i observatørens øye, som om det reflekteres fra et speil ved en veldig stor innfallsvinkel. Og for observatøren ser det ut til at en vannflate strekker seg ut foran ham i ørkenen, og reflekterer kystobjekter (fig. 115).

Ris. 115. Hvordan en luftspeiling dukker opp i ørkenen. Denne tegningen, vanligvis gjengitt i lærebøker, representerer banen til lysstrålen som skråner mot bakken på en overdreven måte.
Det ville imidlertid være mer riktig å si at det oppvarmede luftlaget nær den varme jorda reflekterer strålene ikke som et speil, men som en vannoverflate sett fra vanndypene. Det som skjer her er ikke enkel refleksjon, men det som på fysikkspråket kalles "intern refleksjon." ellers vil den ikke overgås "begrensningsvinkelen" for innfallsvinkelen til strålen, og uten denne interne refleksjonen oppstår ikke.
La oss i forbifarten merke seg ett punkt i denne teorien som kan føre til misforståelser. Forklaringen som presenteres krever denne ordningen luftlag, hvor tettere lag ville være høyere enn mindre tette. Vi vet imidlertid at tett, tung luft har en tendens til å synke og skyve det underliggende lette laget av gass oppover. Hvordan kan arrangementet av lag med tett og sjeldnet luft som er nødvendig for utseendet til en luftspeiling eksistere?

Ris. 116. Mirage på asfalt.
Svaret ligger i det faktum at det nødvendige arrangementet av luftlag ikke skjer i stille luft, men i luft i bevegelse. Luftlaget som varmes opp av jorda hviler ikke på det, men tvinges kontinuerlig oppover og erstattes umiddelbart med et nytt lag med oppvarmet luft. Kontinuerlig endring bestemmer at et visst lag med forseldet luft alltid er ved siden av den varme sanden, om enn ikke den samme, men dette er ikke lenger viktig for strålenes bane.
Typen luftspeiling som vi vurderer har vært kjent siden antikken. I moderne meteorologi kalles det den "nedre" luftspeilingen (i motsetning til den "øvre" luftspeilingen, generert av refleksjon av lysstråler av lag av forseldet luft i de øvre delene av atmosfæren). De fleste er overbevist om at denne klassiske luftspeilingen bare kan observeres i den lune luften i de sørlige ørkenene og ikke forekommer på mer nordlige breddegrader.
I mellomtiden skjer ofte den mindreverdige luftspeilingen i vårt område. Slike fenomener er spesielt hyppige om sommeren på asfalt- og asfaltveier, som på grunn av sin mørke farge blir veldig varme i solen. Den matte overflaten på veien fremstår på avstand som om den er vannet og reflekterer fjerne objekter. Banen til lysstråler under denne luftspeilingen er vist i fig. 116. Med noen observasjoner kan slike fenomener ikke sees så sjeldent som man vanligvis tror.
Det er en annen form for luftspeiling - en luftspeilingside, hvis eksistens vanligvis ikke engang mistenkes. Dette er en refleksjon fra en oppvarmet vertikal vegg. En slik sak er beskrevet av en fransk forfatter. Da han nærmet seg festningen, la han merke til at den glatte betongveggen til fortet plutselig lyste som et speil, og reflekterte det omkringliggende landskapet, jorda og himmelen. Da han tok noen flere skritt, la han merke til den samme forandringen med den andre veggen av fortet. Det virket som om den grå, ujevne overflaten plutselig ble erstattet av en polert. Det var en varm dag, og veggene må ha blitt veldig varme, noe som var nøkkelen til deres speiling. I fig. 117 viser plasseringen av fortveggene (F og F") og plasseringen av observatøren (A og A"). Det viste seg at en luftspeiling observeres hver gang veggen er tilstrekkelig oppvarmet av solens stråler. Det var til og med mulig å fotografere dette fenomenet.
I fig. 118 viser (til venstre) vegg F av fortet, først matt og deretter skinnende (til høyre), som et speil (tatt fra punkt A"). Bildet til venstre viser vanlig grå betong, der selvfølgelig figurer av to som står nær veggen kan ikke reflekteres soldat Til høyre - den samme veggen for det meste har fått speilegenskaper, og den nærmeste figuren av soldaten gir sitt eget symmetriske bilde i den overflaten av selve veggen som reflekterer strålene, men bare laget av oppvarmet luft ved siden av den.

Ris. 117. Plan over fortet der luftspeilingen ble observert. Vegg F virket speilvendt fra punkt A, vegg F" - fra punkt A"

Ris. 118. Den grå, ujevne veggen (til venstre) blir plutselig polert og reflekterende (til høyre).
På varme sommerdager bør man være oppmerksom på de oppvarmede veggene i store bygninger og se etter tegn på luftspeiling. Uten tvil, med litt oppmerksomhet, bør antallet observerte tilfeller av luftspeiling øke merkbart.

"Grønn stråle"

"Har du noen gang observert solen gå ned under havets horisont? Ja, uten tvil. Har du fulgt den til det øyeblikket da den øvre kanten av skiven berører horisonten og deretter forsvinner? Sannsynligvis ja. Men har du lagt merke til fenomen hva skjer i øyeblikket når den strålende lyskilden kaster sin siste stråle, hvis himmelen samtidig er fri for skyer og helt gjennomsiktig Kanskje ikke gå glipp av muligheten til å gjøre en slik observasjon: ikke en rød stråle vil treffe din? øye, men en grønn, vidunderlig grønn farge som ingen kunstner kan oppnå på paletten sin, og som naturen selv ikke reproduserer i de ulike vegetasjonsnyansene eller i fargen til det mest gjennomsiktige havet.»
Et lignende notat i en engelsk avis gledet den unge heltinnen i Jules Vernes roman "The Green Ray" og fikk henne til å gjennomføre en rekke turer med det eneste formål å se den grønne strålen med sine egne øyne sier romanforfatteren, for å observere dette vakre naturfenomenet. Men den grønne strålen er ikke en legende, selv om det er mange legendariske ting knyttet til det tilbørlig tålmodighet.

Hvorfor vises den grønne strålen?

Du vil forstå årsaken til fenomenet hvis du husker hvordan gjenstander ser ut for oss når vi ser på dem gjennom et glassprisme. Gjør dette eksperimentet: Hold et prisme horisontalt nær øyet med den brede siden ned og se gjennom det på et stykke papir som er festet på veggen. Du vil legge merke til at bladet for det første har hevet seg betydelig over sin sanne posisjon, og for det andre har det en fiolettblå kant på toppen og en gul-rød kant nederst. Heving avhenger av brytningen av lys, fargede grenser - påavvikglass, dvs. egenskapene til glassuliktbryte forskjellige strålerfarger.Fiolette og blå stråler brytes sterkere enn andre, så vi ser en fiolettblå kant på toppen; røde bryter svakest, og derfor har den nederste kanten av papiret en rød kant.
For en bedre forståelse av det som følger, er det nødvendig å dvele ved opprinnelsen til disse fargede kantene. Prismet dekomponerer det hvite lyset som kommer fra papiret til alle fargene i spekteret, og gir mange fargede bilder av papirarket, arrangert, delvis overlappende hverandre, i rekkefølgen av brytning. Fra den samtidige handlingen av disse overliggende. Fargebilder av øynene på hverandre får en følelse av hvit farge (tilsetning av spektralfarger), men grenser av ikke-blandbare farger stikker ut øverst og nederst. Den berømte poeten Goethe, som utførte dette eksperimentet og ikke forsto dets betydning, forestilte seg at han dermed hadde avslørt falskheten i Newtons lære om farger, og skrev deretter sin egen "Science of Colors", som nesten utelukkende er basert på falske ideer. Leseren vil antagelig ikke gjenta vrangforestillingene til den store dikteren og vil ikke forvente at prismet vil omfarge alle objekter for ham. Jordens atmosfære er for våre øyne som et stort luftprisme, som ser på solen i horisonten. vi ser på det gjennom et gassprisme på toppen er det en kant av blå og grønne farger, nederst - rødt og gult Mens solen er over horisonten, avbryter lyset på skiven med dens lysstyrke lyse fargede striper, og vi legger ikke merke til dem i det hele tatt. Men i øyeblikkene med soloppgang og solnedgang, når nesten hele disken er skjult under horisonten, kan vi se den blå kanten på den øvre kanten. det er en blå stripe over, og en blå stripe under, fra en blanding av blå og grønne stråler. Når luften nær horisonten er helt ren og gjennomsiktig, ser vi en blå kant - en "blå stråle". . Til slutt, i de fleste tilfeller spres også blå og grønne stråler av den overskyede atmosfæren - da blir ingen kant lagt merke til: Solen går ned i en rød kule.
Pulkovo-astronomen G. A. Tikhov, som dedikerte en spesiell studie til den "grønne strålen", rapporterer noen tegn på synligheten til dette fenomenet "Hvis solen har en rød farge ved solnedgang og er lett å se på med et enkelt øye, så vi kan med sikkerhet si at det ikke vil være noen grønn stråle " Årsaken er klar: den røde fargen på solskiven indikerer sterk spredning av blå og grønne stråler av atmosfæren, det vil si hele den øvre kanten av skiven. "Tvert imot," fortsetter astronomen, "hvis solen har endret seg lite fra sin vanlige hvitgule farge og går veldig lyst (det vil si hvis absorpsjonen av lys av atmosfæren er liten. -Ja.P.), så kan du mest sannsynlig forvente en grønn stråle. Men her er det nettopp viktig at horisonten er en skarp linje, uten uregelmessigheter, nærliggende skog, bygninger osv. Disse forholdene oppfylles best til havs; det er derfor den grønne strålen er så godt kjent for sjømenn.»
Så for å se den "grønne strålen", må du observere solen i øyeblikket av solnedgang eller soloppgang på en veldig klar himmel. sørlige land himmelen nær horisonten er mer gjennomsiktig enn her, så fenomenet "den grønne strålen" observeres oftere der, men her er det ikke så sjeldent som mange tror, ​​sannsynligvis under påvirkning av romanen av Jules The vedvarende søken etter den "grønne strålen" blir før eller siden belønnet med suksess . Det fanget tilfeldigvis dette vakre fenomenet selv gjennom et spotting-skop. To Alsace-astronomer beskriver en slik observasjon som følger:
"...I siste minutt før solnedgang, når derfor en merkbar del av den fremdeles er synlig, er skiven, som har en bølget bevegelig, men skarpt definert kant, omgitt av en grønn kant. Inntil solen har gått helt ned , denne kanten er ikke synlig for det blotte øye. Den blir først synlig i det øyeblikket solen forsvinner bak horisonten. fenomenene i detalj: den grønne grensen blir merkbar senest 10 minutter før solnedgang; øverste del disk, mens en rød kant er observert fra bunnen. Bredden på grensen, først veldig liten (bare noen få sekunder med bue), øker når solen går ned; noen ganger når den opp til et halvt bueminutt. Over den grønne kanten observeres ofte grønne fremspring, som med solens gradvise forsvinning ser ut til å gli langs kanten til det høyeste punktet; noen ganger kommer de av felgen og lyser hver for seg i flere sekunder til de slukker» (fig. 119).

Ris. 119. Langtidsobservasjon av en "grønn stråle" observatøren så en "grønn stråle" bak en fjellkjede i 5 minutter. Over til høyre er en "grønn stråle" synlig gjennom et teleskop. Solskiven har uregelmessige konturer. I posisjon 1 blender gjenskinnet fra solskiven øyet og gjør det vanskelig å se den grønne kanten med det blotte øye. I posisjon 2, når solskiven nesten forsvinner, blir den "grønne strålen" tilgjengelig for det vanlige øye.
Vanligvis varer fenomenet i et sekund eller to. Men under eksepsjonelle omstendigheter er varigheten merkbart forlenget. Det var et tilfelle da en "grønn stråle" ble observert i mer enn 5 minutter Solen gikk ned bak et fjerntliggende fjell, og en raskt gående observatør så den grønne kanten av solskiven, som om den gled langs fjellsiden (fig. 119).
Tilfeller av observasjon av en "grønn stråle" undersoloppgangSolen, når den øvre kanten av armaturet begynner å dukke opp under horisonten. Dette tilbakeviser den ofte uttrykte formodningen om at den "grønne strålen" er en optisk illusjon som øyet, lei av den lyse glansen fra den nettopp nedgående solen, bukker under.
Solen er ikke den eneste lyskilden som sender ut en "grønn stråle." ” Fizmatgiz, 1958Note utg.].

I de foregående avsnittene studerte vi fenomenet lysrefleksjon. La oss nå bli kjent med det andre fenomenet, der strålene endrer retningen på deres forplantning. Dette fenomenet er lysbrytning ved grensesnittet mellom to medier. Ta en titt på tegningene med stråler og et akvarium i § 14-b. Strålen som kom ut av laseren var rett, men da den nådde glassveggen i akvariet, endret strålen retning - brutt.

Ved brytning av lys kalt en endring i retningen til en stråle ved grensesnittet mellom to medier, hvor lyset passerer inn i det andre mediet(sammenlign med refleksjon). For eksempel, i figuren skildret vi eksempler på brytningen av en lysstråle ved grensene mellom luft og vann, luft og glass, vann og glass.

Fra en sammenligning av de venstre tegningene følger det at et par luftglassmedier bryter lys sterkere enn et par luft-vannmedier. Fra en sammenligning av tegningene til høyre kan man se at når man går fra luft til glass, brytes lys sterkere enn når man går fra vann til glass. det vil si mediapar, transparente for optisk stråling, har forskjellige brytningsevner, karakterisert ved relativ brytningsindeks. Det beregnes ved hjelp av formelen gitt på neste side, slik at det kan måles eksperimentelt. Hvis vakuum er valgt som det første mediet, oppnås følgende verdier:

Disse verdiene er målt ved 20 °C for gult lys. Ved en annen temperatur eller en annen lysfarge vil indikatorene være forskjellige (se § 14-h). Ved å ta en kvalitativ titt på tabellen, bemerker vi: Jo mer brytningsindeksen avviker fra enhet, desto større vinkel blir strålen avbøyd med når den går fra vakuum til medium. Siden brytningsindeksen til luft er nesten lik enhet, er påvirkningen av luft på forplantningen av lys praktisk talt umerkelig.

Loven om lysbrytning. For å vurdere denne loven introduserer vi definisjoner. Vinkelen mellom den innfallende stråle og perpendikulæren til grensesnittet mellom de to mediene ved bruddpunktet for strålen vil kalles innfallsvinkel(en). På samme måte vil vinkelen mellom den brutte strålen og vinkelrett på grensesnittet mellom to medier ved bruddpunktet for strålen kalles brytningsvinkel(g).

Når lys brytes, er følgende lover alltid oppfylt: lov om lysbrytning: 1. Den innfallende strålen, den refrakterte strålen og perpendikulæren til grensesnittet mellom media ved bøyepunktet til strålen ligger i samme plan. 2. Forholdet mellom sinusen til innfallsvinkelen og sinusen til brytningsvinkelen er en konstant verdi som ikke er avhengig av vinklene:

En kvalitativ tolkning av loven om lysbrytning brukes også: Når lys passerer inn i et optisk tettere medium, avbøyes strålen vinkelrett på grensesnittet mellom mediene. Og omvendt.

Prinsippet om reversibilitet av lysstråler. Når lys reflekteres eller brytes, kan de innfallende og reflekterte strålene alltid byttes. Dette betyr det forløpet til strålene vil ikke endres hvis retningene deres endres til motsatt. Tallrike eksperimenter bekrefter: i dette tilfellet endres ikke "banen" til strålene (se tegning).

Lysbrytning er en endring i retningen til en stråle ved grensen til to medier med forskjellig tetthet.

Forklaring: en lysstråle som faller i vann, endrer retning ved grensen til to medier (det vil si på overflaten av vannet). Strålen brytes bokstavelig talt. Dette fenomenet kalles lysbrytning. Det oppstår fordi vann og luft har ulik tetthet. Vann er tettere enn luft, og en lysstråle som faller på overflaten bremser ned. Dermed er vann et optisk tettere medium.

Den optiske tettheten til mediet er preget av forskjellige hastigheter for lysutbredelse.

brytningsvinkel (ϒ) er vinkelen som dannes av den brutte strålen og vinkelrett på innfallspunktet for strålen ved grensesnittet mellom de to mediene.

Forklaring:

Strålen falt på overflaten av vannet på et visst tidspunkt og ble brutt. La oss tegne en vinkelrett fra dette punktet i samme retning som den brutte strålen "gikk" - i vårt tilfelle er vinkelrett rettet mot bunnen av reservoaret. Vinkelen som dannes av denne perpendikulæren og den brutte strålen kalles brytningsvinkelen.

Hvis lys kommer fra et optisk mindre tett medium til et optisk tettere medium, så er brytningsvinkelen alltid mindre enn innfallsvinkelen.

For eksempel har lys som faller i vann en innfallsvinkel som er større enn brytningsvinkelen. Årsaken er at vann er et tettere medium enn luft.

For alle to medier med forskjellige optiske tettheter er formelen riktig:

synd α
--- = n
syndϒ

Hvor n – en konstant verdi uavhengig av innfallsvinkelen.

Forklaring:

La oss ta tre stråler som faller i vann.

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

Brytningsvinklene til disse strålene vil være henholdsvis 23°, 33° og 42°.

Hvis vi sammenligner innfallsvinklene og brytningsvinklene, får vi samme tall:

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

Dermed, hvis vi deler innfallsvinkelen til strålen i vann og brytningsvinkelen, får vi 1,3. Dette er en konstant verdi ( n ), som er funnet ved hjelp av formelen ovenfor.

Den innfallende strålen, den brutte strålen og den perpendikulære trukket fra innfallspunktet for strålen ligger i samme plan.