Линзалардағы кескіндер, микроскоптар мен телескоптар сияқты құралдардың жұмысы, кемпірқосақ құбылысы және су айдынының тереңдігін алдамшы қабылдау - барлығы жарықтың сыну құбылысының мысалдары. Бұл құбылысты сипаттайтын заңдар осы мақалада талқыланады.
Сыну құбылысы
Физикадағы жарықтың сыну заңдарын қарастырмас бұрын, құбылыстың өзінің мәнімен танысып алайық.
Өздеріңіз білетіндей, егер орта кеңістіктің барлық нүктелерінде біртекті болса, онда жарық онда түзу жолмен қозғалады. Бұл жолдың сынуы жарық сәулесі шыны мен су немесе ауа мен шыны сияқты екі мөлдір материал арасындағы интерфейсті бұрышпен кесіп өткенде орын алады. Басқа біртекті ортаға ауысқанда, жарық та түзу сызықпен қозғалады, бірақ ол бірінші ортада өзінің траекториясына белгілі бір бұрышпен бағытталады. Бұл жарық сәулесінің сыну құбылысы.
Төмендегі бейнеде сыну құбылысы мысал ретінде әйнек арқылы көрсетілген.
Бұл жерде маңызды сәт - түсу бұрышыинтерфейс жазықтығы. Бұл бұрыштың мәні сыну құбылысының байқалатынын немесе байқалмайтынын анықтайды. Егер сәуле бетіне перпендикуляр түссе, онда екінші ортаға өткеннен кейін ол сол түзу бойымен қозғала береді. Екінші жағдай, сыну болмайтын кезде, оптикалық тығызырақ ортадан тығыздығы азырақ ортаға өтетін сәуленің түсу бұрыштары кейбір критикалық мәннен үлкен болады. Бұл жағдайда жарық энергиясы бірінші ортаға толығымен қайтарылады. Соңғы әсер төменде талқыланады.
Сынудың бірінші заңы
Оны бір жазықтықтағы үш түзудің заңы деп те атауға болады. Екі мөлдір материал арасындағы интерфейске түсетін А сәулесі бар делік. О нүктесінде сәуле сынған және В түзуінің бойымен қозғала бастайды, бұл А-ның жалғасы емес. Егер бөлу жазықтығына N перпендикулярын О нүктесіне қайтарсақ, онда құбылыс үшін 1-ші заң шығады. сынуды келесідей тұжырымдауға болады: түскен сәуле A, нормаль N және сынған сәуле В интерфейс жазықтығына перпендикуляр бір жазықтықта жатады.
Бұл қарапайым заң анық емес. Оның тұжырымы эксперименттік мәліметтерді жалпылаудың нәтижесі болып табылады. Математикалық тұрғыдан оны Ферма принципі деп аталатын немесе ең аз уақыт принципі арқылы шығаруға болады.
Сынудың екінші заңы
Мектеп физика мұғалімдері оқушыларға жиі мынадай тапсырма береді: «Жарықтың сыну заңдарын тұжырымда». Біз олардың біреуін қарастырдық, енді екіншісіне көшейік.
А сәулесі мен перпендикуляр N арасындағы бұрышты θ1 деп белгілеңіз, B және N сәулелерінің арасындағы бұрыш θ2 деп аталады.. Сондай-ақ 1 ортадағы А сәулесінің жылдамдығы v1, 2-ортадағы В сәулесінің жылдамдығы v2 екенін ескереміз. Енді қарастырылып отырған құбылыс үшін 2-ші заңның математикалық тұжырымын беруге болады:
sin(θ1)/v1=sin(θ2)/ v2.
Бұл формуланы 17 ғасырдың басында голландиялық Снелл алған және қазір оның фамилиясын алып жүр.
Өрнектен маңызды қорытынды шығады: ортадағы жарықтың таралу жылдамдығы неғұрлым үлкен болса, сәуле қалыптыдан алысырақ болады (бұрыштың синусы соғұрлым үлкен).
Ортаның сыну көрсеткіші туралы түсінік
Жоғарыдағы Snell формуласы қазіргі уақытта практикалық есептерді шешу кезінде қолдануға ыңғайлырақ сәл өзгеше түрде жазылған. Шынында да, материядағы жарық жылдамдығы v вакуумдағыдан аз болса да, әлі де үлкен мән болып табылады, онымен жұмыс істеу қиын. Сондықтан физикаға салыстырмалы шама енгізілді, оның теңдігі төменде берілген:
n=c/v.
Мұндағы c – сәуленің вакуумдегі жылдамдығы. n мәні c мәні материалдағы v мәнінен неше есе үлкен екенін көрсетеді. Бұл материалдың сыну көрсеткіші деп аталады.
Енгізілген мәнді ескере отырып, жарықтың сыну заңының формуласы келесі түрде қайта жазылады:
sin(θ1)n1=sin(θ2) n2.
n үлкен мәні бар материал,оптикалық тығыз деп аталады. Ол арқылы өткенде жарық ауасыз кеңістіктегі бірдей мәнмен салыстырғанда жылдамдығын n есе баяулатады.
Бұл формула сәуленің оптикалық жағынан тығызырақ ортада қалыптыға жақынырақ жатқанын көрсетеді.
Мысалы, ауаның сыну көрсеткіші бір (1, 00029) дерлік тең екенін ескереміз. Су үшін оның мәні 1,33.
Оптикалық тығыз ортадағы толық шағылысу
Келесі тәжірибені орындайық: су бағанынан оның бетіне қарай жарық сәулесін бастайық. Су оптикалық тұрғыдан ауадан тығыз болғандықтан (1, 33>1, 00029), θ1 түсу бұрышы θ2 сыну бұрышынан аз болады.. Енді біз біртіндеп θ1 көбейтеміз, сәйкесінше θ2 да артады, ал θ1 теңсіздігі.<θ2әрдайым шынайы болып қалады.
θ1<90o және θ2=90 болатын сәт келеді o. Бұл бұрыш θ1 жұп су-ауа тасымалдағышы үшін критикалық деп аталады. Бұдан артық кез келген түсу бұрыштары сәуленің су-ауа интерфейсі арқылы тығыздығы азырақ ортаға өтпеуіне әкеледі. Шекарадағы бүкіл сәуле толық шағылыстырады.
Критикалық түсу бұрышын есептеу θc мына формула бойынша орындалады:
θc=arcsin(n2/n1).
Баспа суына жәнеауа бұл 48, 77o.
Бұл құбылыс қайтымсыз екенін ескеріңіз, яғни жарық ауадан суға ауысқанда критикалық бұрыш болмайды.
Сипатталған құбылыс оптикалық талшықтардың жұмысында қолданылады және жарықтың дисперсиясымен бірге жаңбыр кезінде бастапқы және қосалқы кемпірқосақтардың пайда болуының себебі болып табылады.
