Obrazy v šošovkách, fungovanie prístrojov, ako sú mikroskopy a teleskopy, fenomén dúhy a klamlivé vnímanie hĺbky vodnej plochy, to všetko sú príklady fenoménu lomu svetla. Zákony popisujúce tento jav sú popísané v tomto článku.
Fenomén lomu
Skôr ako sa budeme zaoberať zákonmi lomu svetla vo fyzike, zoznámime sa s podstatou samotného javu.
Ako viete, ak je médium vo všetkých bodoch priestoru homogénne, svetlo sa v ňom bude pohybovať po priamej dráhe. Lom tejto dráhy nastáva, keď svetelný lúč pod uhlom pretína rozhranie medzi dvoma priehľadnými materiálmi, ako je sklo a voda alebo vzduch a sklo. Pri prechode do iného homogénneho média sa svetlo bude tiež pohybovať v priamom smere, ale už bude nasmerované pod určitým uhlom k svojej dráhe v prvom médiu. Toto je fenomén lomu svetelného lúča.
Video nižšie demonštruje fenomén lomu na skle ako príklad.
Dôležitým bodom je tu uhol dopadurovina rozhrania. Hodnota tohto uhla určuje, či fenomén lomu bude pozorovaný alebo nie. Ak lúč dopadne kolmo na povrch, potom sa po prechode do druhého média bude naďalej pohybovať pozdĺž rovnakej priamky. Druhým prípadom, kedy lom nenastane, sú uhly dopadu lúča prechádzajúceho z opticky hustejšieho média do média s menšou hustotou, ktoré sú väčšie ako nejaká kritická hodnota. V tomto prípade sa svetelná energia úplne odrazí späť do prvého média. Posledný efekt je popísaný nižšie.
Prvý zákon lomu
Dá sa to nazvať aj zákon troch priamok v jednej rovine. Predpokladajme, že existuje lúč svetla A, ktorý dopadá na rozhranie medzi dvoma priehľadnými materiálmi. V bode O sa lúč láme a začína sa pohybovať po priamke B, ktorá nie je pokračovaním A. Ak obnovíme kolmicu N na rovinu oddeľovania do bodu O, potom platí 1. zákon pre jav lom môže byť formulovaný nasledovne: dopadajúci lúč A, normála N a lomený lúč B ležia v rovnakej rovine, ktorá je kolmá na rovinu rozhrania.
Tento jednoduchý zákon nie je zrejmý. Jeho formulácia je výsledkom zovšeobecnenia experimentálnych údajov. Matematicky sa dá odvodiť pomocou takzvaného Fermatovho princípu alebo princípu najmenšieho času.
Druhý zákon lomu
Učitelia fyziky na školách často zadávajú študentom nasledujúcu úlohu: "Formulujte zákony lomu svetla." Uvažovali sme o jednom z nich, teraz prejdime k druhému.
Označte uhol medzi lúčom A a kolmicou N ako θ1, uhol medzi lúčom B a N sa bude nazývať θ2. Berieme tiež do úvahy, že rýchlosť lúča A v médiu 1 je v1, rýchlosť lúča B v médiu 2 je v2. Teraz môžeme dať matematickú formuláciu 2. zákona pre uvažovaný jav:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Tento vzorec získal Holanďan Snell na začiatku 17. storočia a teraz nesie jeho priezvisko.
Z výrazu vyplýva dôležitý záver: čím väčšia je rýchlosť šírenia svetla v médiu, tým bude lúč ďalej od normály (tým väčší je sínus uhla).
Koncept indexu lomu média
Vyššie uvedený vzorec Snell je momentálne napísaný v trochu inej forme, ktorá je vhodnejšia na použitie pri riešení praktických problémov. Skutočne, rýchlosť v svetla v hmote, aj keď je menšia ako vo vákuu, je stále veľká hodnota, s ktorou je ťažké pracovať. Preto bola do fyziky zavedená relatívna hodnota, ktorej rovnosť je uvedená nižšie:
n=c/v.
Tu c je rýchlosť lúča vo vákuu. Hodnota n ukazuje, koľkokrát je hodnota c väčšia ako hodnota v v materiáli. Nazýva sa to index lomu tohto materiálu.
Vzhľadom na zadanú hodnotu sa vzorec zákona lomu svetla prepíše do nasledujúceho tvaru:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
Materiál s veľkou hodnotou n,nazývaný opticky hustý. Svetlo, ktoré ním prechádza, spomalí svoju rýchlosť n-krát v porovnaní s rovnakou hodnotou pre priestor bez vzduchu.
Tento vzorec ukazuje, že lúč bude ležať bližšie k normálu v médiu, ktoré je opticky hustejšie.
Všimli sme si napríklad, že index lomu vzduchu je takmer rovný jednej (1, 00029). Pre vodu je jej hodnota 1,33.
Úplný odraz v opticky hustom prostredí
Uskutočnime nasledujúci experiment: začnime lúčom svetla z vodného stĺpca smerom k jeho povrchu. Keďže voda je opticky hustejšia ako vzduch (1, 33>1, 00029), uhol dopadu θ1 bude menší ako uhol lomu θ2. Teraz budeme postupne zvyšovať θ1, respektíve θ2, pričom nerovnosť θ1<θ2zostáva vždy pravdivé.
Príde chvíľa, keď θ1<90o a θ2=90 o. Tento uhol θ1 sa nazýva kritický pre dvojicu médií voda-vzduch. Akékoľvek uhly dopadu väčšie ako tento spôsobia, že žiadna časť lúča neprejde cez rozhranie voda-vzduch do média s menšou hustotou. Celý lúč na hranici zažije úplný odraz.
Výpočet kritického uhla dopadu θc sa vykonáva podľa vzorca:
θc=arcsin(n2/n1).
Pre médiá voda avzduch je 48, 77o.
Upozorňujeme, že tento jav nie je reverzibilný, to znamená, že keď sa svetlo pohybuje zo vzduchu do vody, neexistuje žiadny kritický uhol.
Popísaný jav sa využíva pri činnosti optických vlákien a spolu s rozptylom svetla je príčinou vzniku primárnej a sekundárnej dúhy počas dažďa.
