Переломлення (рефракція) - зміна напрямку променя ( хвилі ), Що виникає на межі двох середовищ , Через які цей промінь проходить [1] або в одному середовищі, але з мінливими властивостями, в якій швидкість поширення хвилі неоднакова [2] .
Феномен заломлення пояснюється законами збереження енергії і збереження імпульсу . При зміні середовища передачi змінюється швидкість хвилі, а її частота залишається такою ж. переломлення світла через скло або воду - найбільш простий і очевидний приклад спотворення променя, але закони заломлення дійсні для будь-яких хвиль, - електромагнітних , акустичних і навіть морських. У загальному випадку закон заломлення описується «Законом Снеллиуса» .
Терміни «рефракція» і «переломлення» взаємозамінні [2] ; традиційно, термін «рефракція» частіше вживається для опису випромінювання в середовищах, показник заломлення в яких від точки до точки змінюється плавно (траєкторія променя має вигляд плавно викривляється лінії), в той час як термін «переломлення» частіше використовується для опису різкої зміни траєкторії променя на межі середовищ через високу різниці в їх показниках заломлення [2] . Діє при цьому один і той же закон - залежність швидкості хвилі від показника заломлення конкретної середовища передачi.
Іноді специфіка середовища передачi або джерела випромінювання вимагає виділити дослідження конкретно цієї рефракції в особливий розділ. Так, рефракцію ока вивчає офтальмологія , В той час як рефракцію звуку в воді вивчає гідроакустика , Рефракцію небесних світил - астрономія і так далі.
Вивчення законів заломлення має фундаментальне значення для науки і техніки. Їх застосування в різних областях знань дозволяє створювати точні оптичні прилади (телескопи, мікроскопи, фотоапарати, кінокамери, окуляри, контактні лінзи і т. П.), Досліджувати хімічну структуру з'єднань і визначати склад хімічних сумішей [3] , Отримувати точні геодезичні і астрономічні координати [4] , Створювати оптимальні системи зв'язку і багато іншого.
Переломлення спостерігається, коли фазові швидкості електромагнітних хвиль в контактують середовищах розрізняються (див. показник заломлення ). У цьому випадку повне значення швидкості хвилі має бути різним по різні боки кордону розділу середовищ. Однак якщо простежити рух, наприклад, гребеня хвилі вздовж кордону розділу - то відповідна швидкість повинна бути однаковою для обох «половинок» хвилі (оскільки при перетині кордону максимум хвилі залишається максимумом, і навпаки; тобто можна говорити про синхронізацію падаючої і пройшла хвилі у всіх точках кордону, см. верхній малюнок). З простого геометричного побудови отримуємо, що швидкість руху точки перетину гребеня v α {\ displaystyle v _ {\ alpha}} 
Це ясно з того, що, поки гребінь хвилі пройде в напрямку свого поширення (тобто перпендикулярно гребеню) відстань, рівну катету трикутника, точка перетину гребеня з кордоном пройде відстань, рівну гіпотенузи, а відношення цих відстаней, рівне синусу кута, і є ставлення швидкостей.
Тоді, прирівнявши швидкості уздовж кордону розділу для падаючої і пройшла хвиль, отримаємо v 1 / sin α = v 2 / sin β {\ displaystyle v_ {1} / \ sin \ alpha = v_ {2} / \ sin \ beta} 
У підсумку на межі поділу двох середовищ спостерігається переломлення променя, якісно складається в тому, що кути до нормалі до межі поділу середовищ для падаючого і переломлених променя відрізняються один від одного, тобто хід променя замість прямого стає ламаним - промінь заломлюється.
Зауважимо, що практично тотожним способом виведення закону Снелла є побудова пройшла хвилі за допомогою принципу Гюйгенса - Френеля (Див. Рисунок).
При русі хвилі в середовищах з різними показниками заломлення її частота зберігається, а довжина хвилі змінюється пропорційно швидкості.
В ізотропному середовищі для синусоїдальної хвилі, яка характеризується частотою і хвильовим вектором, перпендикулярним напрямку поширення хвилі, міркування, що складова хвильового вектора , Паралельна межі поділу, повинна бути однаковою до і після проходження цієї межі, призводять до такого ж виду закону заломлення.
Додатково варто відзначити, що хвильовий вектор фотона дорівнює вектору його імпульсу , Діленому на постійну Планка , І це дає можливість природної фізичної інтерпретації закону Снелла як збереження проекції імпульсу фотона на перерізану їм кордон розділу середовищ.
Тісно пов'язане з заломленням таке явище, як відображення від кордону розділу прозорих середовищ. У певному сенсі це дві сторони одного і того ж явища.
явище повного внутрішнього відображення (ППО) пов'язано з тим, що переломлених хвилі, яка б задовольняла закону Снелла , Для деяких кутів падіння не існує. Це означає, що виникає тільки відбита хвиля і, отже, хвиля відбивається повністю. ППО можливо при падінні хвилі з середовища, де хвиля поширюється з меншою фазової швидкістю (великим показником заломлення), на кордон із середовищем з більшою фазової швидкістю поширення такої хвилі (меншим показником заломлення).
При поступовому збільшенні кута падіння по відношенню до нормалі, в якийсь момент переломлений промінь збігається з межею поділу середовищ, а потім зникає - залишається тільки відбитий промінь.
Якщо вертикально поляризована хвиля падає на поверхню розділу під кутом Брюстера , То буде спостерігатися ефект повного спотворення - відбита хвиля буде відсутній.
Переломлення зустрічається на кожному кроці і сприймається як абсолютно буденне явище: можна бачити як ложка, яка знаходиться в чашці з чаєм, буде «переламана» на кордоні води і повітря. Тут доречно зазначити, що дане спостереження при некритичному сприйнятті дає невірне уявлення про знак ефекту: здається заломлення ложки відбувається в бік, протилежний реальному заломлення променів світла.
Заломлення світла на межі двох середовищ дає парадоксальний зоровий ефект: перетинають кордон розділу предмети в більш щільною середовищі виглядають «переломлених вгору»; в той час як промінь, що входить в більш щільну середу, поширюється в ній під меншим кутом, «переломлюється вниз». Цей оптичний ефект і призводить до помилок в візуальному визначенні глибини водойми, яка завжди здається менше, ніж є насправді.
переломлення, дисперсія і внутрішнє відбиття світла в краплях води разом породжують веселку . Через дисперсії світла краплі по-різному заломлюють і відхиляють світло різних квітів : Найсильніше переломлюються і відхиляються промені з найменшою довжиною хвилі ( Фіолетовий колір ), А найслабше - з найбільшою ( червоний колір ). В результаті виникає дуга, пофарбована в різні кольори.
Багаторазовим заломленням (почасти й відображенням) в дрібних прозорих елементах структури (сніжинки, волокнах паперу, бульбашках) пояснюються властивості матових (НЕ дзеркальних) відбивають, таких як білий сніг, папір, біла піна.
рефракцією в атмосфері Землі пояснюються численні візуальні ефекти. Наприклад, при певних метеорологічних умовах Земля (з невеликої висоти) представляєтьсяспостерігачеві як увігнута чаша (а не частина опуклого кулі). Через рефракції здається, що зірки «мерехтять» [4] . Також, заломлення світла в атмосфері призводить до того, що ми спостерігаємо схід Сонця (і взагалі будь-якого небесного світила) дещо раніше, а захід дещо пізніше, ніж це мало б місце за відсутності атмосфери [4] . З тієї ж причини на горизонті диск Сонця виглядає трохи сплющеним вздовж горизонталі.
У техніці і наукових приладах [ правити | правити код ]
Явище заломлення лежить в основі роботи телескопов- рефракторов (Наукового і практичного призначення, в тому числі переважної частки зорових труб, біноклів і інших приладів спостереження), об'єктивів фото-, кіно- і телекамер, мікроскопів , Збільшувальних стекол, окулярів, проекційних приладів, приймачів і передавачів оптичних сигналів, концентраторів потужних світлових пучків, призменних спектроскопії і спектрометрів , призменних монохроматоров , І багатьох інших оптичних приладів, що містять лінзи і / або призми . Його облік необхідний при розрахунку роботи майже всіх оптичних приладів. Все це відноситься до різних діапазонах електромагнітного спектра.
В акустиці переломлення звуку особливо важливо враховувати при дослідженні поширення звуку в неоднорідному середовищі і, звичайно, на кордоні різних середовищ.
Може бути важливим в техніці і облік заломлення хвиль має іншу природу, наприклад, хвиль на воді, різних хвиль в активних середовищах і т.д.
В медицині [ правити | правити код ]
заломлення світла
Явище заломлення використовується в таких областях медицини як Оптометрія і офтальмологія . За допомогою фороптера можливо визначити аномалії рефракції в оці пацієнта, і, провівши кілька тестів з лінзами різної оптичної сили і з різним фокусною відстанню , Можна підібрати для пацієнта відповідні окуляри або контактні лінзи .
