Gaismas laušana — teorija. Fizika, 12. klase.

Gaismas laušanu mēs varam novērot, kad skatāmies uz ķermeni vienlaicīgi caur divām vidēm, kurām ir atšķirīgs optiskais blīvums - piemēram, gaisu un ūdeni. Izskatās, ka ķermenis "salūzt" uz vielu robežvirsmas kā to var redzēt attēlā.

Piemērs:

Kad acis uztver no ūdens lauztos starus, tad mūsu smadzenes iegūto informāciju apstrādā tā, ka mēs redzam ilūziju - "deformētus" priekšmetus. Arī fotoaparāts uztver "deformētu" attēlu. Abi attēli parāda, ka baseins, kura dziļums ir \(2,5\) \(m\), izskatās seklāks nekā patiesībā ir. Otrā bildē var redzēt - jo slīpāk mēs skatāmies, jo seklāks baseins mums šķiet, lai gan patiesībā dziļums visur ir vienāds — \(2,5\) \(m\).

Gaismas laušanu novēro tādēļ, ka gaisma dažādās vielās izplatās ar atšķirīgu ātrumu. Tieši gaismas laušanas koeficients \(n\) parāda, cik reizes gaisma izplatās lēnāk kādā noteiktā vielā nekā vakuumā. Jo optiski blīvāka vide, jo lielāks ir gaismas laušanas koeficients un mazāks gaismas izplatīšanās ātrums. Samazinoties gaismas izplatīšanās ātrumam, samazinās gaismas viļņa garums, bet frekvence paliek nemainīga.

Svarīgi!

Gaisa laušanas koeficients ir vienāds ar \(1,0003\), tādēļ to parasti pieņem par \(1\).

Gaismas laušanas koeficients \(n\) ir gaismas ātrumu attiecība vakuumā \(c\) un kādā vielā \(v\).

n = \frac{c}{v}

Gaismas laušanas koeficienti sarkanai gaismai:

Viela	Gaismas laušanas koeficients, \(n\)
Ūdens	\(1,33\)
Ledus	\(1,31\)
Stikls	\(1,46 - 1,74\)
Glicerīns	\(1,47\)
Dimants	\(2,40\)

Dažādas krāsas gaismai nedaudz atšķiras laušanas koeficienti. Tādēļ balto gaismu ir iespējams sadalīt spektrā un iegūt varavīksni, kad baltā gaisma iziet cauri ūdens pilieniem vai trijstūra stikla prizmai.

Piemērs:

Ūdens gaismas laušanas koeficients ir \(1,33\). Tātad gaisma ūdenī izplatās \(1,33\) reizes lēnāk nekā vakuumā.

v = \frac{c}{n} = \frac{{3 \cdot 10}^{8}}{1, 33} = 2, 26 \cdot 10^{8} \frac{m}{s}

Gaismas laušanas dēļ gaismas stars maina savu sākotnējo virzienu. Gaismas laušanas koeficients katrai videi nosaka, cik ļoti gaisma novirzīsies no sava sākotnējā virziena. Jo lielāka ir gaismas laušanas koeficientu attiecība, jo vairāk gaisma novirzās no sākotnējā virziena.

Gaismas krišanas leņķa sinusa attiecība pret lauztā leņķa sinusu ir vienāda ar gaismas laušanas koeficientu attiecību abās vidēs.

\frac{\sin α}{\sin γ} = \frac{n_{2}}{n_{1}}

Lauztās gaismas stars, perpendikuls pret robežvirsmu un krītošais gaismas stars atrodas vienā plaknē. Krišanas un laušanas leņķi mēra attiecībā pret perpendikulu.

Ja divām vidēm gaismas laušanas koeficients ir vienāds, tad gaismas laušanu nenovēro.

Glicerīnam un stiklam gaismas laušanas koeficienti var būt vienādi, tādēļ stikla pudeli glicerīnā var padarīt neredzamu, kā tas ir parādīts video "Make an invisible bottle".

Piemērs:

Gaisma krīt no gaisa uz ūdens virsmu \(40\) grādu leņķī.

Cik liels ir gaismas laušanas leņķis, ja gaismas laušanas koeficients ūdenim ir \(1,33\)?

1. Sākumā no formulas izsaka laušanas leņķa sinusu un aprēķina to.

\sin γ = \frac{\sin α \cdot n_{1}}{n_{2}} = \frac{sin40 ° \cdot 1}{1, 33} = \frac{0, 643}{1, 33} = 0, 483

2. Izmantojot laušanas leņķa sinusa vērtību tabulu vai kalkulatoru nosaka leņķa vērtību:

ja \sin γ = 0, 483, tad γ = 28, 9 ° \approx 29 °

Uzdevuma atrisinājumu var apskatīt arī vizuāli izmantojot pHet Kolorado universitātes izstrādāto simulācijas spēli Gaismas laušana.

Piemērs:

Gaisma pāriet no stikla ūdenī. Laušanas koeficients stiklam ir \(1,6\) un ūdenim - \(1,33\).

Cik liels ir krišanas leņķis, ja laušanas leņķis ir \(60\) grādi?

1. Sākumā no formulas izsaka krišanas leņķa sinusu un aprēķina to.

\sin α = \frac{\sin γ \cdot n_{2}}{n_{1}} = \frac{sin60 ° \cdot 1, 33}{1, 6} = \frac{0, 866 \cdot 1, 33}{1, 6} = 0, 720

2. Izmantojot krišanas leņķa sinusa vērtību tabulu vai kalkulatoru nosaka leņķa vērtību:

ja \sin α = 0,720, tad α = 46 °

Svarīgi!

Atceries, ka salīdzinot krišanas un laušanas leņķi, leņķis būs lielāks vidē ar mazāku gaismas laušanas koeficientu.

Cilvēku redze zem ūdens

Cilvēka acs piemērota normālai redzei gaisa vidē, jo gaisā gaismas staru laušanas koeficients vienlīdzīgs ar \(1\), bet acs optiskajā sistēmā \(1,33\) līdz \(1,40\). Pastāvot šādām savstarpējām attiecībām, gaismas stari tiek lauzti normāli. Ūdenī turpretim laušanas koeficients ir \(1,33\), t. i., gandrīz tāds pats kā radzenes laušanas koeficients \(1,37\), kas tieši saskaras ar ūdeni. Tādējādi ūdenī radzene nepiedalās gaismas staru laušanā un uz tās daļu attiecas apmēram divas trešdaļas no acs staru laušanas spējas. Tāpēc neaizsargāta acs, kas tieši saskaras ar ūdeni, gaismas starus nelauž pietiekami un priekšmeta attēls rodas aiz tīklenes. Nirējs zem ūdens bez maskas priekšmetus redz tāpat kā cilvēks, kam tālredzība virs \(+20\) dioptrijām. Turpretim, ja starp ūdeni un aci atrodas ar gaisu pildīta maska, tad gaismas stari, kurus atstaro priekšmets, no ūdens vispirms nonāk gaisā, bet pēc tam acī. Šajā gadījumā priekšmeti zem ūdens redzami skaidri, kaut gan tie izskatās lielāki un tuvāki (palielināmā stikla efekts).

Atsauce:

http://www.dzm.lu.lv/fiz/IT/F_12/default.aspx@tabid=3&id=230.html

http://refractiveindex.info/?group=GASES&material=Air

http://lv.wikipedia.org/wiki/Att%C4%93ls:Glass_is_Liquide.jpg

http://www.nirejs.lv/index.php?option=com_content&task=view&id=87&Itemid=11

https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_Shader#/media/File:Glass_is_Liquide.jpg, Three dielectric interfaces rendered using the shader, by Mehran Moghtadai

Iepriekšējā teorija

Atgriezties tēmā

Nākamā teorija

Nosūtīt atsauksmi

Atradi kļūdu?

Sūti mums ziņu!

3. Gaismas laušana

Teorija