Brydning: Definition, Snells Law & Refractive Index

Når en lysstråle passerer fra et medium til et andet - såsom når det kommer ud af en dam med vand, eller når det passerer gennem dine briller - har du måske bemærket, at det bøjer sig. Dette kaldes brydning, og det sker i forskellige vinkler afhængigt af det indfaldende lys og materialet. Det er også, hvordan øjne kan se og overføre billeder til hjernen.
Refraktion af lys

Brydning er bøjning af lysstråler, når de passerer fra et medium til et andet medium. Det skyldes, at lys bevæger sig i lidt forskellige hastigheder i forskellige medier. Hvor meget en lysstråle brydes, afhænger af, hvor forskellig dens hastighed er i det andet medium fra det første. Jo større forskel i hastigheder, desto større er refraktionsvinklen.

Du kan tænke over dette ved hjælp af princippet om mindstetid. Forestil dig en livredder, der prøver at nå en svømmer langt nede på kysten og ude i vandet på den kortest mulige tid. Hun ved, at hun kan løbe meget hurtigere, end hun kan svømme. At prøve at komme til svømmeren ved at rejse i en lige linje ville være ineffektivt på grund af hendes langsomme svømmehastighed i forhold til hendes løbshastighed; i stedet løber hun ned ad stranden, indtil hun er næsten foran svømmeren og springer derefter i vandet.

Afstanden hun rejser er længere, men den rejste tid er kortere på grund af hendes forskellige hastigheder i forskellige medier. Dette er, hvad lys gør, når det brydes.

Vandbølger kan også brydes, når man rejser mellem områder med forskellige dybder, fordi bølger bevæger sig i forskellige hastigheder afhængigt af om de er i lavt vand eller dybt vand.
Brydningsindeks

Brydningsindekset for et givet medium er et enhedsløst tal n
hvor n \u003d c /v
, hvor c
er lysets hastighed i et vakuum, og v
er lysets hastighed i mediet. Jo langsommere lys bevæger sig i et medium, jo højere er mediumets brydningsindeks. Hastigheden af en lysbølge i et medium vil afhænge af dens bølgelængde, og derfor vil også brydningsindekset være.

Dette fører til et fænomen kaldet spredning
, som kan ses i lyset prismer: Når hvidt lys, der indeholder lysbølger med mange forskellige bølgelængder, kommer ind i et prisme, brydes hver komponentlysbølge i en anden vinkel afhængigt af dens bølgelængde. Dette skaber udseendet af en regnbue.

Brydningsindekset i luft er afhængig af mange faktorer, herunder tryk og temperatur. De "bølger", der ses fra varme genstande som fortov om sommeren, opstår, fordi lys bryder anderledes gennem varmere luft end køligere luft, hvilket forårsager forvrængede billeder.

Derudover kan luft i nærheden af en varm vej om sommeren faktisk afspejle lys der kommer hen imod en observatør i en lav vinkel, der får det til at se ud som om der var et spejl eller en reflekterende vandoverflade på vejen.
Snell's Law

Snells lov vedrører indekserne for brydning af to medier , såvel som forekomstsvinklen θ _{i
til brydningsvinklen θ r
, til hvordan lyset bøjes, når det passerer fra et medium ind i den anden.
n_i \\ sin (\\ theta_i) \u003d n_r \\ sin (\\ theta_r)}

Denne ligning kan forudsige den vinkel, hvormed lys vil bryde i et givet medium, hvis indekserne for brydning af begge medier og hændelsesvinklen er kendt. Det gælder i enhver situation, der involverer brydning af lys, med to medier.
Total intern reflektion

Hvis lysbølger passerer fra et medium med et højt brydningsindeks til et medium med et lavere indeks på brydning, der er en kritisk vinkel, over hvilken lyset bliver bøjet nok til, at ingen af det bevæger sig ind i det andet medium. Dette kaldes total intern reflektion.

Den kritiske vinkel er den indfaldsvinkel, for hvilken den udgående stråle har en brydningsvinkel på 90 grader. Så θ _{i
\u003d sin ^{-1 ( n i /n r
). I vinkler over den kritiske vinkel gennemgår alt lys total intern reflektion.}}

Total intern reflektion forklarer, hvorfor vand /luftoverfladen fra en bestemt vinkel, når den observeres nedenunder, ser ud som et perfekt spejl . Luft har et meget lavere brydningsindeks end vand, og lysbølger i en lav vinkel til overfladen nedenfra reflekteres af overfladen i stedet for at bryde gennem den og skabe et spejl.

Total intern reflektion kan forekommer også i vandbølger og lydbølger.
Objektiver

Brydning af lys i et medium kan ændre sig, når overfladen mellem medierne er buet. Faktisk vil lys, der kommer fra samme retning, bryde i forskellige vinkler, afhængigt af hvor på den buede overflade det rammer.

Linser er stykker af gennemsigtigt materiale med buede sider, der bruger brydning til at påvirke lysbanen . En konvergerende linse er tykkere i midten, så lysstråler, der kommer ind fra den ene side af linsen, konvergerer til et fokuspunkt på den anden side. Dette er hvad forstørrelsesglass og nogle teleskoper bruger.

En konkav linse er tyndere i midten end det er ved kanterne, og lysstråler, der kommer ind fra den ene side, brydes udad og spreder sig, når de dukker op på den anden side.

Begge slags linser bruges i korrigerende syn, hvad enten det er i briller eller kontakter, afhængigt af hvad problemet i øjet er.
Eksempler

Vores øjne fortolker lys ved hjælp af brydning . Lys kommer ind i hornhinden og derefter i linsen og bryder ind i et præcist punkt ved nethinden. Billedet overføres derefter til hjernen gennem synsnerven. Trætte øjne fører til sløret syn på grund af tårernes brydningsegenskaber.

Alt, der indeholder optiske fibre, er afhængig af total intern reflektion. Fibrene har et højt brydningsindeks og er omgivet af materiale med et meget lavt brydningsindeks. Når lys bevæger sig gennem fiberen, er dens vinkel med fiberens yderside lav nok til at forhindre, at den slipper ud. Dette gør det muligt for fiberen at bære meget fokuseret lys en stor afstand. Fiberoptik bruges primært inden for internet- og telefontjenester.

Regnbuer skyldes brydning og reflektion af sollys fra vanddråber i luften. Dette kan ske efter regnvejr eller i tågeforhold, men også nær vandfald og springvand. Som nævnt tidligere har forskellige bølgelængder (farver) af lys lidt forskellige brydningsindekser for et givet materiale, hvilket får dem til at bryde i forskellige vinkler. En observatør ser derefter en regnbue med farver i rækkefølge af bølgelængde.

Brydning er grunden til, at vand i en dam ser ud over det, det virkelig er. Så snart lys i luft kommer ind i vand, bøjer det sig i en lavere vinkel til overfladen på grund af brydning. For en observatør på "luft" -siden af overfladen ser det ud til, at alt under overfladen er lavere, fordi lyset er bøjet under lavere vinkler.

Den kritiske vinkel har også indflydelse på, hvordan ædelsten skæres. En ædelsten kan skæres således, at lys, der kommer ind i den, gennemgår total indre refleksion, når den rammer de bageste facetter, og dukker ud foran på stenen igen for at få den til at virke lysere. Diamant, med et højt brydningsindeks, er især ideel til dette, hvilket gør den til en populær ædelsten.