Beelden in lenzen, de werking van instrumenten zoals microscopen en telescopen, het fenomeen van regenbogen en de bedrieglijke waarneming van de diepte van een watermassa zijn allemaal voorbeelden van het fenomeen van lichtbreking. De wetten die dit fenomeen beschrijven, worden in dit artikel besproken.
Het fenomeen van breking
Voordat we de wetten van lichtbreking in de natuurkunde beschouwen, laten we eerst kennis maken met de essentie van het fenomeen zelf.
Zoals je weet, als het medium op alle punten in de ruimte homogeen is, zal het licht erin langs een recht pad bewegen. Breking van dit pad treedt op wanneer een lichtstraal onder een hoek het grensvlak tussen twee transparante materialen kruist, zoals glas en water of lucht en glas. Als het naar een ander homogeen medium gaat, zal het ook in een rechte lijn bewegen, maar het zal al onder een bepaalde hoek zijn gericht op zijn baan in het eerste medium. Dit is het fenomeen van breking van de lichtstraal.
De onderstaande video demonstreert het fenomeen van breking met glas als voorbeeld.
Het belangrijke punt hier is de invalshoek opinterface vlak. De waarde van deze hoek bepa alt of het fenomeen van breking zal worden waargenomen of niet. Als de straal loodrecht op het oppervlak v alt, zal hij, nadat hij in het tweede medium is gepasseerd, langs dezelfde rechte lijn blijven bewegen. Het tweede geval, wanneer breking niet optreedt, zijn de invalshoeken van een bundel die van een optisch dichter medium naar een minder dicht medium gaat, die groter zijn dan een bepaalde kritische waarde. In dit geval wordt de lichtenergie volledig teruggekaatst in het eerste medium. Het laatste effect wordt hieronder besproken.
Eerste wet van breking
Het kan ook de wet van drie lijnen in één vlak worden genoemd. Stel dat er een lichtstraal A is die op het grensvlak tussen twee transparante materialen v alt. In het punt O wordt de bundel gebroken en begint te bewegen langs de rechte lijn B, die geen voortzetting is van A. Als we de loodrechte N op het scheidingsvlak herstellen naar het punt O, dan is de 1e wet voor het fenomeen van breking kan als volgt worden geformuleerd: de invallende bundel A, de normaal N en de gebroken bundel B liggen in hetzelfde vlak, dat loodrecht staat op het interfacevlak.
Deze simpele wet is niet duidelijk. De formulering is het resultaat van een generalisatie van experimentele gegevens. Wiskundig kan het worden afgeleid met behulp van het zogenaamde Fermat-principe of het principe van de minste tijd.
Tweede brekingswet
Natuurkundeleraren op school geven leerlingen vaak de volgende taak: "Formuleer de wetten van breking van licht." We hebben er een overwogen, laten we nu verder gaan met de tweede.
Geef de hoek tussen straal A en loodrechte N aan als θ1, de hoek tussen straal B en N wordt θ2 genoemd. We houden er ook rekening mee dat de snelheid van straal A in medium 1 v1 is, de snelheid van straal B in medium 2 is v2. Nu kunnen we een wiskundige formulering geven van de 2e wet voor het fenomeen in kwestie:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Deze formule werd aan het begin van de 17e eeuw verkregen door de Nederlander Snell en draagt nu zijn achternaam.
Een belangrijke conclusie volgt uit de uitdrukking: hoe groter de voortplantingssnelheid van het licht in het medium, hoe verder van de normaal de bundel zal zijn (hoe groter de sinus van de hoek).
Het concept van de brekingsindex van het medium
De bovenstaande Snell-formule is momenteel in een iets andere vorm geschreven, wat handiger is om te gebruiken bij het oplossen van praktische problemen. Inderdaad, de snelheid v van licht in materie, hoewel minder dan die in vacuüm, is nog steeds een grote waarde waar moeilijk mee te werken is. Daarom werd in de natuurkunde een relatieve waarde geïntroduceerd, waarvan de gelijkheid hieronder wordt weergegeven:
n=c/v.
Hier is c de snelheid van de straal in vacuüm. De waarde van n geeft aan hoe vaak de waarde van c groter is dan de waarde van v in het materiaal. Het wordt de brekingsindex van dit materiaal genoemd.
Rekening houdend met de ingevoerde waarde, zal de formule van de brekingswet van het licht worden herschreven in de volgende vorm:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materiaal met een grote waarde van n,optisch dicht genoemd. Als het er doorheen gaat, vertraagt het licht zijn snelheid met n keer vergeleken met dezelfde waarde voor luchtloze ruimte.
Deze formule laat zien dat de straal dichter bij de normaal zal liggen in het medium dat optisch dichter is.
We merken bijvoorbeeld op dat de brekingsindex voor lucht bijna gelijk is aan één (1, 00029). Voor water is de waarde 1,33.
Totale reflectie in een optisch dicht medium
Laten we het volgende experiment uitvoeren: laten we een lichtstraal starten vanuit de waterkolom naar het oppervlak. Aangezien water optisch dichter is dan lucht (1, 33>1, 00029), zal de invalshoek θ1 kleiner zijn dan de brekingshoek θ2. Nu zullen we 1 geleidelijk verhogen, respectievelijk θ2 zal ook toenemen, terwijl de ongelijkheid θ1<θ2blijft altijd waar.
Er komt een moment dat θ1<90o en θ2=90 o. Deze hoek θ1 wordt kritiek genoemd voor een paar water-luchtmedia. Elke invalshoek die groter is, zal ertoe leiden dat geen enkel deel van de bundel door het water-lucht-interface gaat in een minder dicht medium. De hele straal aan de grens zal totale reflectie ervaren.
Berekening van de kritische invalshoek θc wordt uitgevoerd met de formule:
θc=arcsin(n2/n1).
Voor media water enlucht het is 48, 77o.
Merk op dat dit fenomeen niet omkeerbaar is, dat wil zeggen, wanneer licht van lucht naar water beweegt, is er geen kritische hoek.
Het beschreven fenomeen wordt gebruikt bij de werking van optische vezels en is samen met de verspreiding van licht de oorzaak van het verschijnen van primaire en secundaire regenbogen tijdens regen.
