Fénytörés – definíció, Snell‑törvény és gyakorlati példák
Fénytörés: definíció, Snell‑törvény és gyakorlati példák — érthető magyarázatok, törésmutató, lencsék és prizma működése egy helyen.
A fénytörés a hullám irányának megváltozása, amelyet a hullám sebességének változása okoz. Hullámok példái a hanghullámok és a fényhullámok. A fénytörés leggyakrabban akkor figyelhető meg, amikor egy hullám egy átlátszó közegből egy másik átlátszó közegbe jut át. Tipikus közegek például a levegő és a víz.
Mi történik, amikor a fény megtörik?
Amikor egy hullám egyik közegből a másikba lép, megváltozik a sebessége és ezzel együtt az iránya is. Például egy fényhullám a levegőből vízbe jutva lelassul és irányt változtat. Ha a fény egy sűrűbb közegbe (nagyobb törésmutató) lép, a fénysugár a normális felé hajlik; ha kevésbé sűrű közegbe megy, a normálistól távolodik.
Egyszerű vizuális példa: ha egy szívószálat egy pohár vízbe állítunk, és egy bizonyos szögből nézzük, a szívószál a vízfelszín közelében megtörik, vagy "meghajlik". Ennek oka, hogy a levegőből a vízbe érkező fénysugarak irányt változtatnak.
Snell‑törvény (a törés törvénye)
A fénytörés mértékét a Snell törvénye adja meg. A törvény egyszerű alakja:
n1 sinθ1 = n2 sinθ2
ahol n1 és n2 a két közeg törésmutatói, θ1 az beesési szög (a felület normálisához mért szög), θ2 pedig a megtört sugár szöge. Ebből következően
sinθ1 / sinθ2 = v1 / v2 = n2 / n1
mivel a törésmutató és a fázissebesség kapcsolata:
n = c v , {\displaystyle n={\frac {\mathrm {c} }{v}},} 
ahol c a fény sebessége a vákuumban, v pedig a fény fázissebessége az adott közegben.
Gyakorlati számítás — példa
Tételezzük fel, hogy a fény a levegőből (n1 ≈ 1, pontosabban ≈ 1.0003) vízbe (n2 ≈ 1.33) lép. Ha a beesési szög θ1 = 30°, akkor a megtört szög θ2 számítható:
n1 sinθ1 = n2 sinθ2 → sinθ2 = (n1 / n2) sinθ1 ≈ (1 / 1.33) · sin30° = 0.7519 · 0.5 ≈ 0.3759
Innen θ2 ≈ arcsin(0.3759) ≈ 22.1°. Tehát a sugár a normális felé hajlik, ahogy várható, mert a víz törésmutatója nagyobb, mint a levegőé.
Teljes visszaverődés és kritikus szög
Ha a fény nagyobb törésmutatójú közegből (például vízből) lép kisebb törésmutatójú közegbe (például levegő), előfordulhat, hogy nincs megtört sugár — minden fény visszaverődik a felületről. Ezt teljes belső visszaverődésnek nevezzük. A feltételhez tartozik egy kritikus szög θc, amelyre:
θc = arcsin(n2 / n1) (ha n1 > n2)
Víznél és levegőnél: θc ≈ arcsin(1 / 1.33) ≈ 48.8°. Tehát ha a vízbéli beesési szög nagyobb, mint kb. 48.8°, akkor a fény teljesen visszaverődik és nem lép át levegőbe.
Diszperzió — a színek szétválása
A prizmában történő töréskor az szivárvány jelensége azt mutatja, hogy a különböző hullámhosszak (színek) eltérő mértékben törnek. Ennek oka, hogy a törésmutató függ a hullámhossztól (diszperzió). Rövid hullámhosszok (kék) általában nagyobb mértékben törnek, mint hosszú hullámhosszok (piros), ezért egy fehér fény színekre bomlik.
Mindennapi és technikai példák
- Szívószál pohárban: a látszólagos eltörés már említett példája.
- Medence vagy tó látszólagos sekélyebb mélysége: a fénytörés miatt a tárgyak közelebb látszanak.
- Optikai lencsék: a lencsék a fénytörés szabályait használják fókuszálásra szemüvegekben, kamerákban és mikroszkópokban.
- Optikai kábelek: a teljes belső visszaverődés elvén működnek, így a fény hosszú távon, kis veszteséggel terjed.
- Spektrum és prizmák: a diszperzió segítségével állítanak elő színes spektrumokat laborban és műszerekben.
- Mirage-ok (délibáb): a levegő hőmérséklet- és sűrűséggradienséből adódó fokozatos törés is eltérítheti a fényt, és optikai illúziókat hoz létre.
További megjegyzések
A tényleges anyagok törésmutatója a hullámhossz, a hőmérséklet és a közegben lévő anyag összetételének függvénye. Gyakorlatban a levegő vákuumbeli fénysebességhez képest kicsivel lassítja a fényt, ezért gyakran az egyszerűség kedvéért n≈1-et használunk levegőre. A optikában a törésmutató alapvető mennyiség, amelyet a tervezésnél és a fény viselkedésének megértésénél használnak.
Az itt bemutatott elvek és példák segítenek megérteni, hogyan és miért változik a fény iránya különböző közegek határán, valamint milyen gyakorlati alkalmazásai vannak a fénytörésnek a mindennapi életben és a technikában.
A fénytörés diagramja
Bizonyos szögből nézve a szalma a levegőben mozgó fény megtörése miatt meghajlik.
Egy fénysugár megtörik egy műanyagtömbben.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a fénytörés?
V: A fénytörés a hullám irányának megváltozása, amelyet a hullám sebességének változása okoz. A hullámok példái közé tartoznak a hanghullámok és a fényhullámok. A fénytörés leggyakrabban akkor figyelhető meg, amikor egy hullám egy átlátszó közegből egy másik átlátszó közegbe jut át.
K: Hogyan működik a fénytörés?
V: Amikor egy hullám egy átlátszó közegből egy másik átlátszó közegbe jut, a hullám sebessége és iránya megváltozik. Például, amikor egy fényhullám a levegőben halad át, majd vízbe jut, a hullám lelassul és irányt változtat. Ebben a tulajdonságban, amikor a fény áthalad egy közegen, az elektronok polarizációja zajlik, ami viszont csökkenti a fény sebességét, így a fény iránya megváltozik. Ahogy a fény olyan közegbe jut, amely sűrűbb, a fénysugár a normális felé "hajlik". Amikor visszamegy a kevésbé sűrű (alacsonyabb törésmutatójú) közegbe, ugyanabban a szögben hajlik vissza, mint amikor belépett (ha a kilépő felület párhuzamos a belépő felülettel).
K: Milyen példák vannak a fénytörés működésére?
V: A fénytörés működésének egyik példája, ha egy szívószálat helyezünk egy pohár vízbe úgy, hogy a szívószál egy része a vízben van. Ha egy bizonyos szögből nézzük, a szívószál a víz felszínén meghajlik, mivel a levegő és a víz sűrűségének változása miatt a fénysugarak elhajlanak, amikor az egyik közegből a másikba haladnak. Egy másik példa a fénytöréssel működő lencsék; amikor a fény megtörik a prizmában, akkor színekre oszlik, mert egyes hullámhosszak jobban elhajlanak, mint mások, mivel a közegek közötti különböző sűrűségek miatt az egyes hullámhosszak esetében eltérő mértékű elhajlást okoznak.
K: Mi az optikai index vagy törésmutató?
V: Az optikában az optikai index vagy a törésmutató n leírja, hogy a sugárzás, például a fény hogyan mozog az adott anyagon vagy anyagon keresztül. Ez a következőképpen határozható meg: n = c/v , ahol c a sebességet jelenti, ha a fény vákuumban van, és v a fázissebességet, ha az adott anyagban vagy anyagban van fény.
K:Milyen törvény használja az optikai indexeket ?
V: A Snell-törvény optikai indexeket vagy indexeket használ az iffrefaction mennyiségének kiszámításához.
Keres