Ono što se zove relativni indeks loma. Zakoni refleksije i loma svjetlosti. indeks loma. Efekt loma svjetlosnog snopa

Digitalni resurs može se koristiti za obuku u okviru osnovne i Srednja škola(bazna razina).

Model je animirana ilustracija na temu "Zakon loma svjetlosti". Razmatra se sustav voda-zrak. Ucrtan je tijek incidenta, reflektirane i lomljene zrake.

Kratka teorija

Zakon loma svjetlosti nalazi objašnjenje u fizici valova. Prema valnim konceptima, lom je posljedica promjene brzine širenja valova tijekom prijelaza 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 vam pokretanje ili pauziranje eksperimenta, gumb Reset omogućuje vam pokretanje novog eksperimenta.

Ovaj model se može koristiti kao ilustracija u nastavi proučavanja novog materijala na temu "Zakon loma svjetlosti". Koristeći ovaj model kao primjer, učenici mogu razmotriti putanju snopa kada se kreću od optički manje gusto okruženje u optički gušći.

Primjer planiranja lekcije pomoću modela

Tema "Refrakcija svjetlosti"

Svrha lekcije: razmotriti fenomen loma svjetlosti, putanju snopa tijekom prijelaza iz jednog medija u drugi.

Primjeri pitanja i zadataka

• Svjetlost prelazi iz vakuuma u staklo, dok je upadni kut α, a kut 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, 2,42, redom. U kojoj od ovih tvari granični kut ukupne refleksije ima najmanju vrijednost?
• Ronilac promatra odozdo prema gore iz vode svjetiljku obješenu na visini od 1 m iznad površine vode. Kolika je prividna visina svjetiljke pod vodom?

Ne postoji ništa drugo osim omjera sinusa upadnog kuta i sinusa kuta loma

Indeks loma ovisi o svojstvima tvari i valnoj duljini zračenja, za neke tvari indeks loma mijenja se prilično snažno s učestalošću Elektromagnetski valovi od niskih frekvencija do optičkih i dalje, a također se mogu još dramatičnije promijeniti u određenim područjima frekvencijske ljestvice. Zadani je obično optički raspon ili raspon određen kontekstom.

Vrijednost n, ceteris paribus, obično je manja od jedinice kada snop prijeđe iz gušćeg medija u manje gusti medij, a veća od jedinice kada snop prijeđe iz manje gustog medija u gušći medij (na primjer, iz plin ili iz vakuuma u tekućinu ili čvrsta). Postoje iznimke od ovog pravila i stoga je uobičajeno medij zvati optički više ili manje gustoće od drugog (ne treba ga miješati s optičkom gustoćom kao mjerom neprozirnosti medija).

Tablica prikazuje neke vrijednosti indeksa loma za neke medije:

Za medij s većim indeksom loma kaže se da je 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:

Indeks loma ovisi o valnoj duljini svjetlosti, odnosno o njenoj boji. Različite boje se slažu razni pokazatelji lom. Ovaj fenomen, nazvan disperzija, igra važnu ulogu u optici.

Okrenimo se detaljnijem razmatranju indeksa loma koji smo uveli u § 81 pri formuliranju zakona loma.

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

Riža. 184. Relativni indeks loma dva medija:

Neka je apsolutni indeks loma prvog medija, a drugog medija - . Uzimajući u obzir lom na granici prvog i drugog medija, pazimo da indeks loma tijekom prijelaza iz prvog medija u drugi, tzv. relativni indeks loma, bude jednak omjeru apsolutnih indeksa loma medija. drugi i prvi medij:

(Sl. 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 također bi se mogla izvesti teoretski, bez novih eksperimenata, baš kao što se to može učiniti za zakon reverzibilnosti (§ 82),

Za medij s većim indeksom loma kaže se da je 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 njenoj boji. Različite boje odgovaraju različitim indeksima loma. Ovaj fenomen, nazvan disperzija, igra važnu ulogu u optici. Ovaj fenomen ćemo se više puta pozabaviti u kasnijim poglavljima. Podaci navedeni u tablici. 6, odnosi se na žuto svjetlo.

Zanimljivo je primijetiti da se zakon refleksije može formalno zapisati u istom obliku kao i zakon loma. Podsjetimo 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, t.j. zakon refleksije može se zapisati kao

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

U prethodnom prikazu indeks loma imao je značenje konstante medija, neovisno o intenzitetu svjetlosti koja prolazi kroz njega. Takvo tumačenje indeksa loma sasvim je prirodno, ali u slučaju visokih intenziteta zračenja koje se mogu postići suvremenim laserima nije opravdano. Svojstva medija kroz koje prolazi jako svjetlosno zračenje u ovom slučaju ovise o njegovom intenzitetu. Kako kažu, medij postaje nelinearan. 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, a je nelinearni indeks loma i faktor proporcionalnosti. Dodatni izraz u ovoj formuli može biti pozitivan ili negativan.

Relativne promjene indeksa loma su relativno male. Na nelinearni indeks loma. Međutim, primjetne su i tako male promjene indeksa loma: one se očituju u osebujnom fenomenu samofokusiranja svjetlosti.

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

Snop zraka koji izlazi iz lasera paralelno s osi, pada u medij s promjenjivim indeksom loma, odbija se u smjeru gdje je veći. Stoga povećani intenzitet u blizini OSP stanice dovodi do koncentracije svjetlosnih zraka u ovoj regiji, što je shematski prikazano u poprečnim 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 kao kroz uski kanal s povećanim indeksom loma. Tako se laserska zraka sužava, a nelinearni medij djeluje kao konvergentna leća pod djelovanjem intenzivnog zračenja. Taj se fenomen naziva samofokusiranje. Može se primijetiti, na primjer, u tekućem nitrobenzenu.

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

Zakoni fizike igraju vrlo važnu ulogu u provođenju proračuna za planiranje specifične strategije za proizvodnju bilo kojeg proizvoda ili u izradi projekta za izgradnju objekata za različite namjene. Izračunavaju se mnoge vrijednosti, pa se mjere i proračuni vrše prije početka radova na planiranju. Na primjer, indeks loma stakla jednak je omjeru sinusa upadnog kuta i sinusa kuta loma.

Dakle, prvo postoji proces mjerenja kutova, zatim se izračunava njihov sinus i tek tada možete dobiti željenu vrijednost. Unatoč dostupnosti tabelarnih podataka, isplati se svaki put provoditi dodatne izračune, budući da se u referentnim knjigama često koriste idealni uvjeti koji se mogu postići u stvaran život skoro nemoguće. Stoga će se u stvarnosti pokazatelj nužno razlikovati od tabličnog, au nekim je situacijama to od temeljne važnosti.

Apsolutni pokazatelj

Apsolutni indeks loma ovisi o marki stakla, budući da u praksi postoji ogroman broj opcija koje se razlikuju po sastavu i stupnju prozirnosti. U prosjeku je 1,5 i fluktuira oko ove 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, dodatna mjerenja su neophodna. Ali čak ni oni ne daju 100% pouzdan rezultat, budući da će položaj sunca na nebu i oblačnost na dan mjerenja utjecati na konačnu vrijednost. Srećom, u 99,99% slučajeva dovoljno je jednostavno znati da je indeks loma materijala kao što je staklo veći od jedan, a manji od dva, a sve ostale desetinke i stotinke ne igraju nikakvu ulogu.

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

Maksimalna refrakcija za staklo bit će oko 1,7, dok za dijamant ta brojka doseže 2,42. Ovaj dragulj jedan je od rijetkih materijala na Zemlji čiji indeks loma prelazi 2. To je zbog njegove kristalne strukture i velikog širenja svjetlosnih zraka. Fasetiranje igra minimalnu ulogu u promjenama vrijednosti tablice.

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.

Mjerenje pokazatelja i izračun relativne vrijednosti provode se prema dobro poznatom algoritmu. Da biste pronašli relativni parametar, trebate podijeliti jednu vrijednost tablice s drugom. Ili napravite eksperimentalne izračune za dva okruženja, a zatim podijelite dobivene podatke. Takve se operacije često izvode u laboratorijskoj nastavi fizike.

Određivanje indeksa loma

U praksi je prilično teško odrediti indeks loma stakla, jer su za mjerenje početnih podataka potrebni visokoprecizni instrumenti. Svaka pogreška će se povećati, budući da se u izračunu koriste složene formule koje zahtijevaju odsutnost pogrešaka.

Općenito, ovaj koeficijent pokazuje koliko se puta usporava brzina širenja svjetlosnih zraka pri prolasku kroz određenu prepreku. Stoga je tipično samo za prozirne materijale. Za referentnu vrijednost, odnosno za jedinicu, uzima se indeks loma plinova. To je učinjeno kako bi se moglo poći od neke vrijednosti u izračunima.

Ako sunčeva zraka padne na staklenu površinu čiji je indeks loma jednak vrijednosti tablice, tada se može promijeniti na nekoliko načina:

• 1. Na vrh zalijepite film u kojem će indeks loma biti veći od stakla. Ovaj princip se koristi u zatamnjivanju stakla automobila kako bi se poboljšala udobnost putnika i omogućila vozaču da jasnije vidi cestu. Također, film će zadržati i ultraljubičasto zračenje.
• 2. Obojite staklo bojom. To rade proizvođači jeftinih sunčanih naočala, ali imajte na umu da to može biti štetno za vaš vid. U dobrim modelima naočale se odmah proizvode u boji posebnom tehnologijom.
• 3. Uronite čašu u tekućinu. Ovo je korisno samo za eksperimente.

Ako svjetlosni snop prolazi od stakla, tada se indeks loma na sljedećem materijalu izračunava pomoću relativnog koeficijenta, koji se može dobiti usporedbom tabličnih vrijednosti ​​​​međusobno. Ovi proračuni su vrlo važni u projektiranju optičkih sustava koji nose praktično ili eksperimentalno opterećenje. Pogreške ovdje nisu dopuštene, jer će uzrokovati kvar cijelog uređaja, a onda će svi podaci primljeni s njim biti beskorisni.

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

U bilo kojem izračunatom pokazatelju, brzina će biti manja nego u referentnom mediju, budući da je indeks loma uvijek veći od jedan.

Refrakcija ili refrakcija je pojava u kojoj se promjena smjera snopa svjetlosti ili drugih valova događa kada oni prijeđu granicu koja razdvaja dva medija, oba prozirna (koji prenose ove valove) i unutar medija u kojem su svojstva kontinuirano mijenjajući se.

S fenomenom loma susrećemo se dosta često i doživljavamo ga kao običnu pojavu: možemo vidjeti da je štapić u prozirnoj čaši s obojenom tekućinom “slomljen” na mjestu gdje se zrak i voda razdvajaju (slika 1.). Kad se svjetlost tijekom kiše lomi i reflektira, radujemo se kad vidimo dugu (slika 2).

Indeks loma važna je karakteristika tvari povezana s njezinim fizikalno-kemijskim svojstvima. Ovisi o vrijednostima temperature, kao i o valnoj duljini svjetlosnih valova na kojima 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 koja se u njemu nalazi. To je zbog činjenice da kada različita brzinaširenje svjetlosnih zraka u medijima različite gustoće, njihov se smjer mijenja na mjestu razdvajanja dvaju medija. Podijelimo li brzinu svjetlosti u vakuumu sa brzinom svjetlosti u ispitivanoj 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 kvantificira pomoću posebnog uređaja - refraktometra.

Refraktometrija je jedna od najjednostavnijih metoda fizikalne analize i može se koristiti u laboratorijima za kontrolu kvalitete u proizvodnji kemijskih, prehrambenih, biološki aktivnih dodataka prehrani, 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 prođu kroz granicu dvaju medija (jedan od njih je staklena prizma, drugi je ispitna otopina) (slika 3.).

Riža. 3. Shema refraktometra

Iz izvora (1) svjetlosni snop pada na površinu zrcala (2), zatim, reflektirajući se, prelazi u gornju svjetleću prizmu (3), zatim u donju mjernu prizmu (4) koja je izrađena od stakla. s visokim indeksom loma. Između prizme (3) i (4) kapilarom se nanese 1-2 kapi uzorka. Kako ne bi došlo do mehaničkih oštećenja prizme, potrebno je ne dodirivati ​​njezinu površinu kapilarom.

Okular (9) vidi polje s prekriženim linijama za postavljanje sučelja. Pomicanjem okulara, točka presjeka polja mora se poravnati s sučeljem (slika 4.) Ulogu sučelja ima ravnina prizme (4) na čijoj se površini lomi svjetlosni snop. Budući da su zrake raspršene, granica svjetla i sjene ispada mutna, preljevna. Ovu pojavu eliminira kompenzator disperzije (5). Zatim se snop prolazi kroz leću (6) i prizmu (7). Na pločici (8) nalaze se nišanski potezi (dvije ravne crte poprečno ukrštene), kao i ljestvica s indeksima loma, koja se promatra u okularu (9). Koristi se za izračunavanje indeksa loma.

Razdjelnica granica polja odgovarat će kutu unutarnje ukupne refleksije, koji ovisi o indeksu loma uzorka.

Refraktometrija se koristi za određivanje čistoće i autentičnosti tvari. Ova metoda se također koristi za određivanje koncentracije tvari u otopinama tijekom kontrole kvalitete, koja se izračunava iz kalibracijskog grafikona (graf koji prikazuje ovisnost indeksa loma uzorka o njegovoj koncentraciji).

U KorolevPharmu se indeks loma utvrđuje u skladu s odobrenom regulatornom dokumentacijom tijekom ulazne kontrole sirovina, u ekstraktima vlastite proizvodnje, kao iu proizvodnji gotovih proizvoda. Određivanje provode kvalificirani djelatnici akreditiranog fizikalno-kemijskog laboratorija pomoću IRF-454 B2M refraktometra.

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

Metoda određivanja

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

2. Provjera nulte točke. Na površinu mjerne prizme nanosimo 2÷3 kapi destilirane vode, pažljivo je zatvorimo svjetlećom prizmom. Otvorite prozor za osvjetljenje i pomoću ogledala postavite izvor svjetlosti u najintenzivniji smjer. 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 poklopi s točkom u kojoj se linije sijeku u gornjem prozorčiću okulara. Na okomitoj crti u donjem prozoru okulara vidimo željeni rezultat - indeks loma vode destilirane na 20°C (1,333). Ako su očitanja različita, vijkom namjestite indeks loma na 1,333, a uz pomoć ključa (uklonite vijak za podešavanje) dovedemo granicu sjene i svjetla do točke sjecišta linija.

3. Odredite indeks loma. Podignite komoru osvjetljenja prizme i uklonite vodu filter papirom ili gazom. Zatim nanesite 1-2 kapi ispitne otopine na površinu mjerne prizme i zatvorite komoru. Zakrećemo vijke dok se granice sjene i svjetla ne poklope s točkom sjecišta linija. Na okomitoj crti u donjem prozoru okulara vidimo željeni rezultat - indeks loma ispitnog uzorka. Indeks loma izračunavamo na skali u donjem prozorčiću okulara.

4. Pomoću kalibracijskog grafa utvrđujemo odnos između koncentracije otopine i indeksa loma. Za izradu grafikona potrebno je pripremiti standardne otopine nekoliko koncentracija pomoću pripravaka kemijski čistih tvari, izmjeriti njihove indekse loma i ucrtati dobivene vrijednosti na os ordinate, a na os apscise ucrtati odgovarajuće koncentracije otopina. Potrebno je odabrati koncentracijske intervale u kojima se opaža linearni odnos između koncentracije i indeksa loma. Mjerimo indeks loma ispitnog uzorka i pomoću grafikona odredimo njegovu koncentraciju.