Ono što se naziva relativnim indeksom loma. Zakoni odbijanja i loma svjetlosti. Indeks loma. Efekt loma svjetlosnog snopa

Digitalni izvor može se koristiti za obuku u okviru osnovnih i Srednja škola(osnovna razina).

Model je animirana ilustracija na temu “Zakon loma svjetlosti”. Razmatra se sustav voda-zrak. Crta se tijek upadne, odbijene i lomljene zrake.

Kratka teorija

Zakon loma svjetlosti objašnjava se u fizici valova. Prema valnim pojmovima, lom je posljedica promjene brzine širenja valova pri prijelazu iz jednog medija u drugi. Fizičko značenje indeksa loma je omjer brzine širenja valova u prvom mediju υ 1 i brzine njihovog širenja u drugom mediju υ 2:

Rad s modelom

Gumb Start/Stop omogućuje pokretanje ili pauziranje eksperimenta, gumb Reset omogućuje pokretanje novog eksperimenta.

Ovaj se model može koristiti kao ilustracija u lekcijama za proučavanje novog materijala na temu "Zakon loma svjetlosti". Koristeći ovaj model kao primjer, možete s učenicima razmotriti putanju zrake pri prijelazu s optički manje gusti medij u optički gušći.

Primjer planiranja nastave pomoću modela

Tema “Lom svjetlosti”

Svrha lekcije: razmotriti fenomen loma svjetlosti, putanju zrake pri prelasku iz jednog medija u drugi.

Primjeri pitanja i zadataka

• Svjetlost prelazi iz vakuuma u staklo, s kutom upada jednakim α i kutom loma β. Kolika je brzina svjetlosti u staklu ako je brzina svjetlosti u vakuumu c?
• Indeksi loma vode, stakla i dijamanta u odnosu na zrak su 1,33, 1,5, odnosno 2,42. U kojoj od ovih tvari granični kut potpune refleksije ima najmanju vrijednost?
• Ronilac gleda iz vode u svjetiljku obješenu na visini od 1 m iznad površine vode. Kolika je prividna visina svjetiljke pod vodom?

Ne postoji ništa više od omjera sinusa upadnog kuta i sinusa kuta loma

Indeks loma ovisi o svojstvima tvari i valnoj duljini zračenja; za neke tvari indeks loma dosta se mijenja s promjenama frekvencije Elektromagnetski valovi od niskih frekvencija do optičkih i izvan njih, a također se mogu čak dramatičnije promijeniti u određenim područjima frekvencijske ljestvice. Zadana vrijednost obično se odnosi na optički raspon ili raspon određen kontekstom.

Vrijednost n, pod jednakim uvjetima, obično je manja od jedan kada zraka prelazi iz gušćeg medija u manje gusti medij, a veća od jedan kada zraka prelazi iz manje gušćeg medija u gušći medij (npr. , iz plina ili iz vakuuma u tekućinu ili čvrsta). Postoje iznimke od ovog pravila i stoga je uobičajeno medij nazivati ​​optički gušćim ili manje gustim od drugoga (ne brkati s optičkom gustoćom kao mjerom neprozirnosti medija).

Tablica prikazuje neke vrijednosti indeksa loma za neke medije:

Medij s većim indeksom loma naziva se optički gušći. Obično se mjeri indeks loma različite sredine u odnosu na zrak. Apsolutni indeks loma zraka je . Dakle, apsolutni indeks loma bilo kojeg medija povezan je s njegovim indeksom loma u odnosu na zrak formulom:

Indeks loma ovisi o valnoj duljini svjetlosti, odnosno o njezinoj boji. Različite boje odgovaraju različitim indeksima loma. Ovaj fenomen, nazvan disperzija, ima važnu ulogu u optici.

Prijeđimo na detaljnije razmatranje indeksa loma, koji smo uveli u §81 pri formuliranju zakona loma.

Indeks loma ovisi o optičkim svojstvima medija iz kojeg zraka pada i medija u koji prodire. Indeks loma dobiven kada svjetlost iz vakuuma padne na bilo koji medij naziva se apsolutni indeks loma tog medija.

Riža. 184. Relativni indeks loma dvaju medija:

Neka apsolutni indeks loma prvog medija bude, a drugog sredstva - . S obzirom na lom na granici prvog i drugog medija, pazimo da indeks loma pri prijelazu iz prvog medija u drugi, tzv. relativni indeks loma, bude jednak omjeru apsolutnih indeksa loma medija. drugi i prvi medij:

(Slika 184). Naprotiv, pri prelasku iz drugog medija u prvi imamo relativni indeks loma

Utvrđena veza između relativnog indeksa loma dvaju medija i njihovih apsolutnih indeksa loma mogla bi se izvesti teorijski, bez novih pokusa, kao što se to može učiniti za zakon reverzibilnosti (§82),

Medij s većim indeksom loma naziva se optički gušći. Obično se mjeri indeks loma različitih medija u odnosu na zrak. Apsolutni indeks loma zraka je . Dakle, apsolutni indeks loma bilo kojeg medija povezan je s njegovim indeksom loma u odnosu na zrak formulom

Tablica 6. Indeks loma razne tvari u odnosu na zrak

Indeks loma ovisi o valnoj duljini svjetlosti, odnosno o njezinoj boji. Različite boje odgovaraju različitim indeksima loma. Ovaj fenomen, nazvan disperzija, ima važnu ulogu u optici. U sljedećim poglavljima više ćemo se puta baviti ovim fenomenom. Podaci navedeni u tablici. 6, odnosi se na žuto svjetlo.

Zanimljivo je primijetiti da se zakon refleksije može formalno napisati u istom obliku kao i zakon refrakcije. Prisjetimo se da smo se dogovorili da uvijek mjerimo kutove od okomice na odgovarajuću zraku. Stoga moramo smatrati da kut upada i kut refleksije imaju suprotne predznake, tj. zakon refleksije može se napisati kao

Uspoređujući (83.4) sa zakonom loma, vidimo da se zakon refleksije može smatrati posebnim slučajem zakona loma pri . Ova formalna sličnost zakona refleksije i refrakcije je od velike koristi u rješavanju praktičnih problema.

Indeks loma je u prethodnom izlaganju imao značenje konstante medija, neovisno o intenzitetu svjetlosti koja kroz njega prolazi. Ovakva interpretacija indeksa loma je sasvim prirodna, ali u slučaju visokih intenziteta zračenja, koji se mogu postići modernim laserima, nije opravdana. Svojstva medija kroz koji prolazi jako svjetlosno zračenje ovise u ovom slučaju o njegovom intenzitetu. Kako kažu, okruženje postaje nelinearno. Nelinearnost medija očituje se, posebice, u činjenici da svjetlosni val visokog intenziteta mijenja indeks loma. Ovisnost indeksa loma o intenzitetu zračenja ima oblik

Ovdje je uobičajeni indeks loma, i nelinearni indeks loma, i faktor proporcionalnosti. Dodatni član u ovoj formuli može biti pozitivan ili negativan.

Relativne promjene indeksa loma su relativno male. Na nelinearni indeks loma. No, čak i takve male promjene u indeksu loma su uočljive: očituju se u neobičnom fenomenu samofokusiranja svjetlosti.

Razmotrimo medij s pozitivnim nelinearnim indeksom loma. U tom slučaju područja povećanog intenziteta svjetlosti su istovremeno i područja povećanog indeksa loma. Obično u stvarnom lasersko zračenje Raspodjela intenziteta po presjeku snopa zraka je nejednolika: intenzitet je maksimalan duž osi i glatko opada prema rubovima snopa, kao što je prikazano na sl. 185 pune krivulje. Slična raspodjela također opisuje promjenu indeksa loma po presjeku ćelije s nelinearnim medijem duž čije se osi širi laserska zraka. Indeks loma, koji je najveći duž osi kivete, glatko opada prema njezinim stijenkama (isprekidane krivulje na sl. 185).

Snop zraka koji izlazi iz lasera paralelno s osi, ulazeći u medij s promjenjivim indeksom loma, skreće se u smjeru gdje je veći. Stoga povećani intenzitet u blizini kivete dovodi do koncentracije svjetlosnih zraka u ovom području, što je shematski prikazano u presjecima i na sl. 185, a to dovodi do daljnjeg povećanja. U konačnici, efektivni presjek svjetlosnog snopa koji prolazi kroz nelinearni medij značajno se smanjuje. Svjetlost prolazi kroz uski kanal s visokim indeksom loma. Time se laserski snop zraka sužava, a nelinearni medij pod utjecajem intenzivnog zračenja djeluje kao sabirna leća. Taj se fenomen naziva samofokusiranje. Može se uočiti, na primjer, u tekućem nitrobenzenu.

Riža. 185. Raspodjela intenziteta zračenja i indeksa loma po presjeku laserske zrake zraka na ulazu u kivetu (a), blizu ulaznog kraja (), u sredini (), blizu izlaznog kraja kivete ( )

Zakoni fizike igraju vrlo važnu ulogu pri provođenju izračuna za planiranje specifične strategije za proizvodnju bilo kojeg proizvoda ili pri izradi projekta za izgradnju struktura za različite namjene. Mnoge količine se izračunavaju, pa se mjerenja i izračuni rade prije početka planiranja. Na primjer, indeks loma stakla jednak je omjeru sinusa upadnog kuta i sinusa kuta loma.

Dakle, prvo je proces mjerenja kutova, zatim se izračuna njihov sinus, a tek onda se može dobiti željena vrijednost. Unatoč dostupnosti tabličnih podataka, svaki put vrijedi izvršiti dodatne izračune, budući da referentne knjige često koriste idealne uvjete koji se mogu postići u stvaran život skoro nemoguće. Stoga će se u stvarnosti indikator nužno razlikovati od tablice, au nekim situacijama to je od temeljne važnosti.

Apsolutni pokazatelj

Apsolutni indeks loma ovisi o marki stakla, jer u praksi postoji ogroman broj opcija koje se razlikuju po sastavu i stupnju prozirnosti. U prosjeku iznosi 1,5 i fluktuira oko te vrijednosti za 0,2 u jednom ili drugom smjeru. U rijetkim slučajevima može doći do odstupanja od ove brojke.

Opet, ako je važan točan pokazatelj, ne mogu se izbjeći dodatna mjerenja. Ali oni također ne daju 100% pouzdan rezultat, budući da će na konačnu vrijednost utjecati položaj sunca na nebu i naoblaka na dan mjerenja. Srećom, u 99,99% slučajeva dovoljno je jednostavno znati da je indeks loma materijala kao što je staklo veći od jedan i manji od dva, a sve ostale desetinke i stotinke nisu bitne.

Na forumima koji pomažu u rješavanju problema iz fizike često se postavlja pitanje: koliki je indeks loma stakla i dijamanta? Mnogi ljudi misle da, budući da su ove dvije tvari slične po izgledu, njihova bi svojstva trebala biti približno ista. Ali ovo je pogrešno mišljenje.

Maksimalni lom stakla bit će oko 1,7, dok za dijamant ovaj pokazatelj doseže 2,42. Ovaj dragi kamen je jedan od rijetkih materijala na Zemlji čiji indeks loma prelazi 2. To je zbog njegove kristalne strukture i visoke razine raspršenja svjetlosnih zraka. Rez igra minimalnu ulogu u promjenama tablične vrijednosti.

Relativni pokazatelj

Relativni pokazatelj za neka okruženja može se okarakterizirati na sljedeći način:

• - indeks loma stakla u odnosu na vodu je približno 1,18;
• - indeks loma istog materijala u odnosu na zrak jednak je 1,5;
• - indeks loma u odnosu na alkohol - 1,1.

Mjerenja indikatora i izračuni relativne vrijednosti provode se prema dobro poznatom algoritmu. Da biste pronašli relativni parametar, trebate podijeliti jednu vrijednost tablice drugom. Ili napravite eksperimentalne izračune za dvije okoline, a zatim podijelite dobivene podatke. Takve se operacije često provode u laboratorijskoj nastavi fizike.

Određivanje indeksa loma

Određivanje indeksa loma stakla u praksi je prilično teško, jer su za mjerenje početnih podataka potrebni instrumenti visoke preciznosti. Svaka pogreška će se povećati, budući da se izračun koristi složenim formulama koje zahtijevaju odsutnost pogrešaka.

Općenito, ovaj koeficijent pokazuje koliko puta se usporava brzina širenja svjetlosnih zraka pri prolasku kroz određenu prepreku. Stoga je tipično samo za prozirne materijale. Kao referentna vrijednost, odnosno jedinica, uzima se indeks loma plinova. To je učinjeno tako da je bilo moguće krenuti od neke vrijednosti prilikom izrade izračuna.

Ako sunčeva zraka padne na površinu stakla s indeksom loma koji je jednak tabličnoj vrijednosti, tada se on može promijeniti na nekoliko načina:

• 1. Na vrh zalijepite film čiji će indeks loma biti veći od indeksa loma stakla. Ovo se načelo koristi u zatamnjivanju stakala automobila kako bi se poboljšala udobnost putnika i omogućilo vozaču jasniji pregled stanja u prometu. Film će također spriječiti ultraljubičasto zračenje.
• 2. Obojite staklo bojom. Proizvođači jeftinih sunčanih naočala to rade, ali vrijedi uzeti u obzir da to može biti štetno za vid. U dobrim modelima, staklo se odmah proizvodi u boji posebnom tehnologijom.
• 3. Uronite čašu u malo tekućine. Ovo je korisno samo za eksperimente.

Ako zraka svjetlosti prolazi kroz staklo, tada se indeks loma na sljedećem materijalu izračunava pomoću relativnog koeficijenta, koji se može dobiti usporedbom tabličnih vrijednosti. Ovi proračuni su vrlo važni u dizajnu optičkih sustava koji nose praktična ili eksperimentalna opterećenja. Ovdje su pogreške neprihvatljive, jer će dovesti do neispravnog rada cijelog uređaja, a tada će svi podaci dobiveni uz njegovu pomoć biti beskorisni.

Da biste odredili brzinu svjetlosti u staklu s indeksom loma, trebate apsolutnu vrijednost brzine u vakuumu podijeliti s indeksom loma. Vakuum se koristi kao referentni medij jer tamo ne djeluje refrakcija zbog nepostojanja bilo kakvih tvari koje bi mogle ometati glatko kretanje svjetlosnih zraka duž zadane putanje.

U svim izračunatim pokazateljima, brzina će biti manja nego u referentnom mediju, budući da je indeks loma uvijek veći od jedinice.

Refrakcija ili refrakcija je pojava u kojoj se mijenja smjer zrake svjetlosti ili drugih valova kada prijeđu granicu koja razdvaja dva medija, oba prozirna (propuštaju te valove) i unutar medija u kojem se svojstva neprestano mijenjaju.

S fenomenom refrakcije susrećemo se dosta često i doživljavamo ga kao svakodnevnu pojavu: možemo vidjeti da se štapić koji se nalazi u prozirnoj čaši s obojenom tekućinom “slomi” na mjestu razdvajanja zraka i vode (slika 1). Kad se svjetlost tijekom kiše lomi i odbija, radujemo se kad vidimo dugu (slika 2).

Indeks loma je važna karakteristika tvari povezana s njezinim fizikalno-kemijskim svojstvima. Ovisi o vrijednostima temperature, kao io valnoj duljini svjetlosti na kojoj se provodi određivanje. Prema podacima kontrole kvalitete u otopini, na indeks loma utječe koncentracija tvari otopljene u njoj, kao i priroda otapala. Konkretno, na indeks loma krvnog seruma utječe količina proteina koji sadrži. To je zato što kada različite brzineširenje svjetlosnih zraka u sredinama sa različite gustoće, njihov smjer se mijenja na mjestu razdvajanja dva medija. Podijelimo li brzinu svjetlosti u vakuumu s brzinom svjetlosti u proučavanoj tvari, dobivamo apsolutni indeks loma (indeks loma). U praksi se određuje relativni indeks loma (n), koji je omjer brzine svjetlosti u zraku i brzine svjetlosti u ispitivanoj tvari.

Indeks loma se određuje kvantitativno pomoću posebnog uređaja - refraktometra.

Refraktometrija je jedna od najlakših metoda fizička analiza i može se koristiti u laboratorijima za kontrolu kvalitete u proizvodnji kemijskih, prehrambenih, biološki aktivnih dodataka hrani, kozmetike i drugih vrsta proizvoda uz minimalno vrijeme i broj uzoraka koji se ispituju.

Dizajn refraktometra temelji se na činjenici da se svjetlosne zrake potpuno reflektiraju kada prolaze kroz granicu dva medija (jedan od njih je staklena prizma, drugi je ispitna otopina) (slika 3).

Riža. 3. Dijagram refraktometra

Iz izvora (1) svjetlosni snop pada na površinu zrcala (2), zatim reflektirajući se prelazi u gornju rasvjetnu prizmu (3), zatim u donju mjernu prizmu (4) koja je izrađena od stakla s visok indeks refrakcije. Kapilarom se nanesu 1–2 kapi uzorka između prizmi (3) i (4). Kako bi se izbjeglo mehaničko oštećenje prizme, potrebno je kapilarom ne dodirivati ​​njezinu površinu.

Kroz okular (9) vidi se polje s prekriženim linijama za uspostavljanje sučelja. Pri pomicanju okulara točka sjecišta polja mora biti poravnata sa sučeljem (sl. 4).Ulogu sučelja ima ravnina prizme (4) na čijoj se površini lomi svjetlosni snop. Budući da su zrake raspršene, granica između svjetla i sjene ispada mutna, prelijepa. Ova pojava se otklanja pomoću kompenzatora disperzije (5). Zraka se zatim propušta kroz leću (6) i prizmu (7). Ploča (8) ima vizirajuće crte (dvije ravne crte križane poprečno), kao i skalu s indeksima loma, koja se promatra kroz okular (9). Iz njega se izračunava indeks loma.

Razdjelna crta između granica polja će odgovarati kutu unutrašnje totalne refleksije, koji ovisi o indeksu loma uzorka.

Refraktometrija se koristi za određivanje čistoće i autentičnosti tvari. Ovom se metodom također utvrđuje koncentracija tvari u otopinama tijekom kontrole kakvoće, koja se izračunava pomoću kalibracijskog grafa (graf koji prikazuje ovisnost indeksa loma uzorka o njegovoj koncentraciji).

U KorolevPharmu se indeks loma određuje u skladu s odobrenom regulatornom dokumentacijom tijekom ulaznog pregleda sirovina, u ekstraktima vlastite proizvodnje, kao i tijekom puštanja gotovih proizvoda. Određivanje provode kvalificirani zaposlenici akreditiranog fizičko-kemijskog laboratorija pomoću refraktometra IRF-454 B2M.

Ako, prema rezultatima ulazne kontrole sirovina, indeks loma ne odgovara potrebne zahtjeve, odjel kontrole kvalitete izdaje Izvješće o nesukladnosti, na temelju kojeg se ova serija sirovina vraća dobavljaču.

Metoda određivanja

1. Prije početka mjerenja provjerava se čistoća površina prizmi u međusobnom kontaktu.

2. Provjera nulte točke. Nanesite 2÷3 kapi destilirane vode na površinu mjerne prizme i pažljivo je prekrijte svjetlećom prizmom. Otvaramo prozor za rasvjetu i pomoću ogledala postavljamo izvor svjetlosti u najintenzivnijem smjeru. Okretanjem vijaka okulara dobivamo jasnu, oštru razliku između tamnih i svijetlih polja u njegovom vidnom polju. Zakrenemo vijak i usmjerimo liniju sjene i svjetla tako da se podudara s točkom u kojoj se linije sijeku u gornjem prozoru okulara. Na okomitoj crti u donjem prozorčiću okulara vidimo željeni rezultat - indeks loma destilirane vode na 20°C (1,333). Ako se očitanja razlikuju, vijkom namjestite indeks loma na 1,333 i pomoću ključa (uklonite vijak za podešavanje) dovedite granicu sjene i svjetla do točke gdje se linije sijeku.

3. Odredite indeks loma. Podignemo komoru rasvjetne prizme i odstranimo vodu filter papirom ili gazom. Zatim nanesite 1-2 kapi ispitne otopine na površinu mjerne prizme i zatvorite komoru. Okrećite vijke dok se granice sjene i svjetla ne poklope s točkom sjecišta linija. Na okomitoj liniji u donjem prozorčiću okulara vidimo željeni rezultat - indeks loma uzorka za ispitivanje. Indeks loma izračunavamo pomoću skale u donjem prozoru okulara.

4. Pomoću kalibracijskog grafa utvrđujemo odnos između koncentracije otopine i indeksa loma. Za konstruiranje grafa potrebno je pripremiti standardne otopine nekoliko koncentracija pomoću pripravaka kemijski čistih tvari, izmjeriti njihove indekse loma i dobivene vrijednosti nanijeti na ordinatnu os, a odgovarajuće koncentracije otopina na apscisnu os. Potrebno je odabrati koncentracijske intervale pri kojima se uočava linearni odnos između koncentracije i indeksa loma. Mjerimo indeks loma uzorka koji proučavamo i pomoću grafikona određujemo njegovu koncentraciju.