Dirigiererfahrung
Jeder von Ihnen hat wahrscheinlich darauf geachtet, dass in einem Glas Wasser ein Löffel, der an der Grenze zwischen Wasser und Luft herausragt, eine Art gebrochenes Aussehen zu haben scheint. Genau das gleiche Bild beobachten wir am Ufer eines Sees oder Flusses, aus dessen Stausee wachsendes Gras sichtbar ist. Wenn wir es betrachten, haben wir den Eindruck, dass dieser Grashalm an der Grenze von Wasser und Luft sozusagen zur Seite abweicht. Natürlich sind wir uns bewusst, dass diese Gegenstände so bleiben, wie sie waren, bevor sie ins Wasser kamen. Aber was wir beobachten und woraus ein solcher visueller Effekt entsteht, das ist die Lichtbrechung bei der Ausbreitung.
Aus dem behandelten Material, das Sie bereits in früheren Lektionen gelernt haben, müssen Sie sich daran erinnern, dass wir, um zu bestimmen, in welche Richtung der Lichtstrahl abweicht, wenn er die Grenze zwischen zwei Medien passiert, wissen müssen, in welche von ihnen die Lichtgeschwindigkeit ist geringer und welche hat mehr.
Zur Verdeutlichung führen wir mit Ihnen ein kleines Experiment durch. Nehmen wir zum Beispiel eine optische Disc und platzieren eine Glasplatte in ihrer Mitte. Versuchen wir nun, einen Lichtstrahl auf diese Platte zu richten. Und was sehen wir? Und wir haben gesehen, dass an der Stelle, wo die Grenze zwischen Luft und Glas verläuft, das Licht reflektiert wird. Aber abgesehen davon, dass das Licht reflektiert wurde, sehen wir noch, wie es in das Glas eindrang und gleichzeitig auch seine Ausbreitungsrichtung änderte.
Sehen Sie sich nun an, wie es in der Abbildung dargestellt ist:
Versuchen wir nun, dieses Phänomen zu definieren.
Lichtbrechung ist ein Phänomen, das die Bewegungsrichtung eines Lichtstrahls im Moment des Übergangs von einem Medium in ein anderes ändert.
Kommen wir zurück zu unserer Zeichnung. Darauf sehen wir, dass AO für den einfallenden Strahl steht, OB für den reflektierten Strahl und OE für den gebrochenen Strahl. Und was würde passieren, wenn wir einen Strahl nehmen und in Richtung EO richten würden? Und was passiert ist, ist, dass dieser Strahl nach dem Gesetz der "Umkehrbarkeit von Lichtstrahlen" in Richtung OA aus dem Glas herauskommen würde.
Daraus folgt, dass lichtdurchlässige Medien in der Regel unterschiedliche optische Dichten und unterschiedliche Lichtgeschwindigkeiten aufweisen. Und damit Sie verstehen, dass die Lichtgeschwindigkeit vom Wert der Dichte abhängt. Das heißt, je größer die optische Dichte des Mediums ist, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit darin und gleichzeitig wird das von außen einfallende Licht stärker gebrochen.
Wie erfolgt die Lichtbrechung?
Zum ersten Mal ein solches Phänomen wie die Lichtbrechung im 17. Jahrhundert. Pater Menyan gab eine Erklärung. Daraus folgt nach seinen Angaben, dass Licht beim Übergang von einem Medium zum anderen seine Richtung ändert, was mit der Bewegung einer „Soldatenfront“ verglichen werden kann, die beim Marschieren ihre Richtung ändert. Stellen wir uns eine Wiese vor, auf der eine Kolonne von Soldaten entlang läuft, und dann wird diese Wiese von Ackerland blockiert, bei dem die Grenze schräg zur Front verläuft.
Die Soldaten, die das Ackerland erreicht haben, beginnen ihre Bewegung zu verlangsamen, und diejenigen Soldaten, die diese Grenze noch nicht erreicht haben, setzen ihre Reise mit der gleichen Geschwindigkeit fort. Und dann passiert es, dass die Soldaten, die die Linie überschritten haben und über das Ackerland gehen, hinter ihren Brüdern zurückbleiben, die immer noch über die Wiese gehen, und so beginnt sich die Truppenkolonne allmählich zu wenden. Um diesen Vorgang zu veranschaulichen, können Sie die folgende Abbildung sehen.
Genau den gleichen Vorgang beobachten wir mit einem Lichtstrahl. Um herauszufinden, in welche Richtung ein Lichtstrahl abweicht, wenn er die Grenzen zweier Medien passiert, ist es notwendig, eine Vorstellung davon zu haben, in welchem von ihnen die Lichtgeschwindigkeit größer sein wird und in welchem weiter im Gegenteil, es wird weniger sein.
Und da wir bereits eine Vorstellung davon haben, dass Licht elektromagnetische Wellen sind, gilt alles, was wir über die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen wissen, auch für die Lichtgeschwindigkeit.
Es ist zu beachten, dass im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit maximal ist:
In Materie ist die Lichtgeschwindigkeit im Gegensatz zum Vakuum immer kleiner: v Die optische Dichte eines Mediums wird dadurch bestimmt, wie sich ein Lichtstrahl durch das Medium ausbreitet. Optisch dichter ist das Medium mit geringerer Lichtgeschwindigkeit. Ein Medium mit geringerer Lichtgeschwindigkeit wird als "optisch dichter" bezeichnet; Wenn wir Luft, Glas und Wasser nehmen, um die optische Dichte zu vergleichen, dann hat Glas beim Vergleich von Luft und Glas ein optisch dichteres Medium. Auch im Vergleich von Glas und Wasser wird Glas ein optisch dichteres Medium sein. Aus dieser Erfahrung sehen wir, dass ein Lichtstrahl, wenn er in ein dichteres Medium eintritt, von seiner ursprünglichen Richtung abweicht und seine Richtung in Richtung der Senkrechten ändert, wo sich die Grenzfläche zwischen den beiden Medien befindet. Und nach dem Eintritt in das optisch weniger dichte Medium wird der Lichtstrahl in diesem Fall in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt. "α" - Einfallswinkel, "β" - Brechungswinkel. Mit Hilfe des Lichtbrechungsgesetzes lässt sich der Strahlengang eines gläsernen Dreiecksprismas berechnen. In Abbildung 87 können Sie den Strahlengang in diesem Prisma genauer verfolgen: Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass, wenn Sie das Badezimmer mit Wasser füllen, es scheint, dass weniger Wasser vorhanden ist, als es tatsächlich ist? In Bezug auf Fluss, Teich und See zeichnet sich das gleiche Bild ab, aber der Grund für all dies ist genau ein Phänomen wie die Lichtbrechung. Aber wie Sie wissen, nehmen auch unsere Augen an all diesen Prozessen aktiv teil. Damit wir hier beispielsweise einen bestimmten Punkt „S“ auf dem Grund eines Reservoirs sehen können, ist es zunächst erforderlich, dass die Lichtstrahlen diesen Punkt passieren und in das Auge der Person fallen wer schaut es sich an. Und dann wird der Lichtstrahl, nachdem er die Brechungszeit an der Wasser-Luft-Grenze durchlaufen hat, vom Auge bereits als Licht wahrgenommen, das aus dem scheinbaren Bild "S1" stammt, aber höher als der Punkt "S" an der liegt Unterseite des Reservoirs. Die imaginäre Tiefe des Reservoirs "h" beträgt ungefähr ¾ seiner wahren Tiefe H. Dieses Phänomen wurde erstmals von Euklid beschrieben. 1. Weisen Sie auf Beispiele für Lichtbrechung hin, die Ihnen im Alltag begegnet sind. 2. Finden Sie Informationen über Euklids Erfahrung und versuchen Sie, diese Erfahrung zu wiederholen. Bei der Lösung optischer Probleme ist es oft notwendig, den Brechungsindex von Glas, Wasser oder anderen Stoffen zu kennen. Darüber hinaus können in verschiedenen Situationen sowohl absolute als auch relative Werte dieser Größe beteiligt sein. Zunächst zu dem, was diese Zahl zeigt: wie dieses oder jenes transparente Medium die Richtung der Lichtausbreitung ändert. Außerdem kann eine elektromagnetische Welle aus einem Vakuum kommen, und dann wird der Brechungsindex von Glas oder einer anderen Substanz als absolut bezeichnet. In den meisten Fällen liegt ihr Wert im Bereich von 1 bis 2. Nur in sehr seltenen Fällen ist der Brechungsindex größer als zwei. Befindet sich vor dem Objekt ein Medium, das dichter als Vakuum ist, spricht man von einem relativen Wert. Und es wird als Verhältnis zweier Absolutwerte berechnet. Beispielsweise ist der relative Brechungsindex von Wasserglas gleich dem Quotienten der absoluten Werte für Glas und Wasser. In jedem Fall wird es mit dem lateinischen Buchstaben "en" - n bezeichnet. Diesen Wert erhält man, indem man die gleichnamigen Werte durcheinander dividiert, es handelt sich also einfach um einen Koeffizienten, der keinen Namen hat. Nehmen wir den Einfallswinkel mit „Alpha“ und bezeichnen den Brechungswinkel mit „Beta“, dann sieht die Formel für den Absolutwert des Brechungsindex so aus: n = sin α / sin β. In der englischsprachigen Literatur findet man oft eine andere Bezeichnung. Wenn der Einfallswinkel i ist und der Brechungswinkel r ist. Es gibt eine andere Formel zur Berechnung des Brechungsindex von Licht in Glas und anderen transparenten Medien. Sie hängt mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und damit, aber schon in der betrachteten Substanz zusammen. Dann sieht es so aus: n = c/νλ. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, ν die Geschwindigkeit in einem transparenten Medium und λ die Wellenlänge. Sie wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sich Licht im betrachteten Medium ausbreitet. Luft ist in dieser Hinsicht einem Vakuum sehr nahe, sodass sich Lichtwellen darin praktisch nicht von ihrer ursprünglichen Richtung ausbreiten. Wenn daher der Brechungsindex von Glas-Luft oder einer anderen an Luft angrenzenden Substanz bestimmt wird, wird letztere bedingt als Vakuum angenommen. Jedes andere Medium hat seine eigenen Eigenschaften. Sie haben unterschiedliche Dichten, sie haben ihre eigene Temperatur sowie elastische Spannungen. All dies beeinflusst das Ergebnis der Lichtbrechung durch eine Substanz. Nicht die geringste Rolle bei der Richtungsänderung der Wellenausbreitung spielen die Eigenschaften des Lichts. Weißes Licht besteht aus vielen Farben, von Rot bis Violett. Jeder Teil des Spektrums wird auf seine eigene Weise gebrochen. Außerdem ist der Wert des Indikators für die Welle des roten Teils des Spektrums immer kleiner als der des Rests. Beispielsweise variiert der Brechungsindex von TF-1-Glas von 1,6421 bis 1,67298 bzw. vom roten bis zum violetten Teil des Spektrums. Hier sind die Werte von absoluten Werten, dh der Brechungsindex, wenn ein Strahl aus einem Vakuum (das Luft entspricht) durch eine andere Substanz geht. Diese Zahlen werden benötigt, wenn es notwendig ist, den Brechungsindex von Glas relativ zu anderen Medien zu bestimmen. Volle Reflexion. Es wird beobachtet, wenn Licht von einem dichteren Medium in ein weniger dichtes übergeht. Hier tritt bei einem bestimmten Wert des Einfallswinkels eine Brechung im rechten Winkel auf. Das heißt, der Strahl gleitet entlang der Grenze zweier Medien. Der Grenzwinkel der Totalreflexion ist sein Mindestwert, bei der Licht nicht in ein weniger dichtes Medium entweicht. Weniger als es - Brechung tritt auf und mehr - Reflexion in dasselbe Medium, aus dem sich das Licht bewegt hat. Bedingung. Der Brechungsindex von Glas beträgt 1,52. Es ist notwendig, den Grenzwinkel zu bestimmen, in dem Licht vollständig von der Grenzfläche zwischen Oberflächen reflektiert wird: Glas mit Luft, Wasser mit Luft, Glas mit Wasser. Sie müssen die in der Tabelle angegebenen Brechungsindexdaten für Wasser verwenden. Es wird für Luft gleich Eins genommen. Die Lösung in allen drei Fällen reduziert sich auf Berechnungen mit der Formel: sin α 0 / sin β = n 1 / n 2, wobei sich n 2 auf das Medium bezieht, von dem sich das Licht ausbreitet, und n 1, wo es eindringt. Der Buchstabe α 0 bezeichnet den Grenzwinkel. Der Wert des Winkels β beträgt 90 Grad. Das heißt, sein Sinus wird Einheit sein. Für den ersten Fall: sin α 0 = 1 /n Glas, dann ist der Grenzwinkel gleich dem Arkussinus von 1 /n Glas. 1/1,52 = 0,6579. Der Winkel beträgt 41,14º. Im zweiten Fall müssen Sie bei der Bestimmung des Arkussinus den Wert des Brechungsindex von Wasser ersetzen. Der Anteil 1 / n von Wasser nimmt den Wert 1 / 1,33 \u003d 0,7519 an. Dies ist der Arkussinus des Winkels 48,75º. Der dritte Fall wird durch das Verhältnis von n Wasser und n Glas beschrieben. Der Arkussinus muss für den Bruch berechnet werden: 1,33 / 1,52, dh die Zahl 0,875. Wir finden den Wert des Grenzwinkels durch seinen Arkussinus: 61,05º. Antwort: 41,14º, 48,75º, 61,05º. Bedingung. Ein Glasprisma wird in ein mit Wasser gefülltes Gefäß getaucht. Sein Brechungsindex beträgt 1,5. Das Prisma basiert auf einem rechtwinkligen Dreieck. Das größere Bein befindet sich senkrecht zum Boden und das zweite parallel dazu. Ein Lichtstrahl trifft senkrecht auf die obere Fläche eines Prismas. Was sollte der kleinste Winkel zwischen dem horizontalen Bein und der Hypotenuse sein, damit das Licht das Bein senkrecht zum Boden des Gefäßes erreicht und das Prisma verlässt? Damit der Strahl das Prisma in der beschriebenen Weise verlässt, muss er in einem Grenzwinkel auf die Innenfläche fallen (diejenige, die die Hypotenuse des Dreiecks im Schnitt des Prismas ist). Konstruktionsbedingt stellt sich heraus, dass dieser Grenzwinkel gleich dem erforderlichen Winkel eines rechtwinkligen Dreiecks ist. Aus dem Lichtbrechungsgesetz geht hervor, dass der Sinus des Grenzwinkels, geteilt durch den Sinus von 90 Grad, gleich dem Verhältnis zweier Brechungsindizes ist: Wasser zu Glas. Berechnungen führen zu einem solchen Wert für den Grenzwinkel: 62º30´. Prozesse, die mit Licht in Verbindung stehen, sind ein wichtiger Bestandteil der Physik und umgeben uns überall in unserem Alltag. Die wichtigsten in dieser Situation sind die Gesetze der Reflexion und Brechung des Lichts, auf denen die moderne Optik basiert. Lichtbrechung ist ein wichtiger Teil von moderne Wissenschaft. Verzerrungseffekt In diesem Artikel erfahren Sie, was das Phänomen der Lichtbrechung ist, wie das Brechungsgesetz aussieht und was daraus folgt. Wenn ein Strahl auf eine Oberfläche fällt, die durch zwei transparente Substanzen mit unterschiedlicher optischer Dichte getrennt ist (z. B. unterschiedliche Gläser oder in Wasser), wird ein Teil der Strahlen reflektiert und ein Teil dringt in die zweite Struktur ein (z. B. es breitet sich in Wasser oder Glas aus). Beim Übergang von einem Medium zum anderen ist der Strahl durch eine Richtungsänderung gekennzeichnet. Dies ist das Phänomen der Lichtbrechung. Wasserverzerrungseffekt Wenn man Dinge im Wasser betrachtet, erscheinen sie verzerrt. Dies macht sich besonders an der Grenze zwischen Luft und Wasser bemerkbar. Optisch scheint es, dass Unterwasserobjekte leicht abgelenkt werden. Das beschriebene physikalische Phänomen ist genau der Grund, warum alle Objekte im Wasser verzerrt erscheinen. Wenn die Strahlen auf das Glas treffen, ist dieser Effekt weniger wahrnehmbar. Strahldurchgang Derselbe Indikator ist typisch für andere Umgebungen. Es wird festgestellt, dass dieser Indikator von der Dichte der Substanz abhängt. Wenn der Strahl von einer weniger dichten zu einer dichteren Struktur einfällt, ist der erzeugte Verzerrungswinkel größer. Und wenn umgekehrt, dann weniger. Um dieses physikalische Phänomen zu bestimmen, wurde das Brechungsgesetz geschaffen. Mit dem Brechungsgesetz von Lichtströmen können Sie die Eigenschaften transparenter Substanzen bestimmen. Das Gesetz selbst besteht aus zwei Bestimmungen: Beschreibung des Gesetzes In diesem Fall tritt in dem Moment, in dem der Strahl aus der zweiten Struktur in die erste austritt (z. B. wenn der Lichtstrom von der Luft durch das Glas und zurück in die Luft gelangt), auch ein Verzerrungseffekt auf. Der Hauptindikator in dieser Situation ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zu einem ähnlichen Parameter, jedoch für Verzerrung. Wie aus dem oben beschriebenen Gesetz hervorgeht, ist dieser Indikator ein konstanter Wert. Indikatoren für verschiedene Objekte Dank dieses Parameters können Sie sehr gut zwischen Glasarten und einer Vielzahl von Edelsteinen unterscheiden. Es ist auch wichtig, um die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien zu bestimmen. Beachten Sie! Die höchste Geschwindigkeit des Lichtflusses ist im Vakuum. Beim Übergang von einer Substanz zur anderen nimmt seine Geschwindigkeit ab. Zum Beispiel hat Diamant, der den höchsten Brechungsindex hat, eine 2,42-mal schnellere Phoals Luft. In Wasser breiten sie sich 1,33-mal langsamer aus. Für verschiedene Glasarten reicht dieser Parameter von 1,4 bis 2,2. Beachten Sie! Einige Gläser haben einen Brechungsindex von 2,2, was dem von Diamant (2,4) sehr nahe kommt. Daher ist es nicht immer möglich, ein Stück Glas von einem echten Diamanten zu unterscheiden. Licht kann verschiedene Stoffe durchdringen, die sich durch unterschiedliche optische Dichte auszeichnen. Wie wir bereits gesagt haben, können Sie mit diesem Gesetz die Eigenschaft der Dichte des Mediums (Struktur) bestimmen. Je dichter es ist, desto langsamer breitet sich die Lichtgeschwindigkeit darin aus. Beispielsweise sind Glas oder Wasser optisch dichter als Luft. Dieser Indikator gibt an, wie sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen beim Übergang von einer Substanz zur anderen ändert. Beim Bewegen des Lichtstroms durch transparente Objekte ist seine Polarisation möglich. Es wird beim Durchgang eines Lichtflusses aus dielektrischen isotropen Medien beobachtet. Polarisation tritt auf, wenn Photonen Glas passieren. Polarisationseffekt Teilpolarisation wird beobachtet, wenn der Einfallswinkel des Lichtstroms an der Grenze zweier Dielektrika von Null abweicht. Der Polarisationsgrad hängt von den Einfallswinkeln ab (Brewstersches Gesetz). Zum Abschluss unseres kurzen Exkurses ist es noch notwendig, einen solchen Effekt als vollwertige innere Reflexion zu betrachten. Full-Display-Phänomen Für das Auftreten dieses Effekts ist es notwendig, den Einfallswinkel des Lichtflusses im Moment seines Übergangs von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium an der Grenzfläche zwischen Substanzen zu vergrößern. In einer Situation, in der dieser Parameter einen bestimmten Grenzwert überschreitet, werden die auf die Grenze dieses Abschnitts einfallenden Photonen vollständig reflektiert. Eigentlich wird dies unser gewünschtes Phänomen sein. Ohne sie war es unmöglich, Glasfasern herzustellen. Die praktische Anwendung der Merkmale des Verhaltens des Lichtflusses hat viel gegeben und eine Vielzahl technischer Geräte geschaffen, um unser Leben zu verbessern. Gleichzeitig hat Licht der Menschheit noch nicht alle seine Möglichkeiten eröffnet und sein praktisches Potenzial noch nicht voll ausgeschöpft.
Die physikalische Bedeutung des Brechungsindex. Licht wird aufgrund einer Änderung seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Übergang von einem Medium zum anderen gebrochen. Der Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten ist numerisch gleich dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium zur Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium: Der Brechungsindex gibt also an, um wie viel Mal die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium, aus dem der Strahl austritt, größer (kleiner) ist als die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium, in das er eintritt. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum konstant ist, empfiehlt es sich, die Brechungsindizes verschiedener Medien gegenüber dem Vakuum zu bestimmen. Geschwindigkeitsverhältnis Mit
Ausbreitung des Lichts im Vakuum auf die Geschwindigkeit seiner Ausbreitung in einem bestimmten Medium bezeichnet Absoluter Brechungsindex bestimmten Stoff () und ist das Hauptmerkmal seiner optischen Eigenschaften, diese. der Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten ist gleich dem Verhältnis der absoluten Indizes dieser Medien. Üblicherweise werden die optischen Eigenschaften eines Stoffes durch den Brechungsindex charakterisiert n
relativ zu Luft, die sich wenig vom absoluten Brechungsindex unterscheidet. In diesem Fall wird das Medium, in dem der absolute Index größer ist, als optisch dichter bezeichnet. Begrenzender Brechungswinkel. Wenn Licht von einem Medium mit niedrigerer Brechzahl auf ein Medium mit höherer Brechzahl übergeht ( n 1< n 2
), dann ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel r< i
(Abb. 3). Reis. 3. Lichtbrechung während des Übergangs von optisch weniger dicht mittel bis mittel optisch dichter. Da der Einfallswinkel zunimmt ich bin =
90° (Strahl 3, Abb. 2) Licht im zweiten Medium breitet sich nur innerhalb des Winkels aus r pr
genannt Grenzbrechungswinkel. Im Bereich des zweiten Mediums innerhalb eines Winkels zusätzlich zum Grenzbrechwinkel (90° - ich pr
), kein Licht dringt ein (dieser Bereich ist in Abb. 3 schraffiert). Brechungswinkel begrenzen r pr
Aber sin i m = 1, also . Das Phänomen der Totalreflexion. Wenn Licht von einem Medium mit hohem Brechungsindex ausgeht n1 > n2
(Abb. 4), dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Licht wird nur innerhalb des Einfallswinkels gebrochen (tritt in das zweite Medium ein). ich pr
, was dem Brechungswinkel entspricht rm =
90°. Reis. 4. Lichtbrechung beim Übergang von einem optisch dichteren Medium zu einem Medium optisch weniger dicht. Unter einem großen Winkel einfallendes Licht wird vollständig von der Grenze des Mediums reflektiert (Fig. 4 Strahl 3). Dieses Phänomen wird als Totalreflexion und Einfallswinkel bezeichnet ich pr
ist der Grenzwinkel der Totalreflexion. Grenzwinkel der Totalreflexion ich pr
bestimmt nach der Bedingung: Wenn Licht von irgendeinem Medium in ein Vakuum oder in die Luft gelangt, dann Aufgrund der Umkehrbarkeit des Strahlengangs für diese beiden Medien ist der Grenzbrechungswinkel beim Übergang vom ersten zum zweiten Medium gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion beim Strahldurchgang vom zweiten zum ersten Medium . Der Grenzwinkel der Totalreflexion für Glas ist kleiner als 42°. Daher werden Strahlen, die durch Glas gehen und in einem Winkel von 45° auf seine Oberfläche einfallen, vollständig reflektiert. Diese Eigenschaft von Glas wird in rotierenden (Abb. 5a) und umkehrbaren (Abb. 4b) Prismen genutzt, die häufig in optischen Instrumenten verwendet werden. Reis. 5: a – Rotationsprisma; b - Umkehrprisma. Glasfaseroptik. Totalreflexion wird bei der Konstruktion von flexiblen verwendet Lichtleiter. Licht, das in eine transparente Faser eindringt, die von einer Substanz mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist, wird viele Male reflektiert und breitet sich entlang dieser Faser aus (Abb. 6). Abb.6. Der Durchgang von Licht in einer transparenten Faser, die von Materie umgeben ist mit niedrigerem Brechungsindex. Um hohe Lichtströme zu übertragen und die Flexibilität des Lichtleitersystems zu erhalten, werden einzelne Fasern zu Bündeln zusammengefügt - Lichtleiter. Als Faseroptik wird der Zweig der Optik bezeichnet, der sich mit der Übertragung von Licht und Bildern durch Lichtleiter befasst. Derselbe Begriff bezieht sich auf die faseroptischen Teile und Geräte selbst. In der Medizin werden Lichtleiter verwendet, um innere Hohlräume mit kaltem Licht zu beleuchten und Bilder zu übertragen. Praktischer Teil Geräte zur Bestimmung des Brechungsindex von Stoffen genannt Refraktometer(Abb. 7). Abb.7. Optisches Schema des Refraktometers. 1 - Spiegel, 2 - Messkopf, 3 - Prismensystem zur Beseitigung der Dispersion, 4 - Linse, 5 - Rotationsprisma (Strahldrehung um 90 0), 6 - Skala (in einigen Refraktometern es gibt zwei Skalen: die Skala der Brechungsindizes und die Skala der Konzentration von Lösungen), 7 - Okular. Der Hauptteil des Refraktometers ist ein Messkopf, bestehend aus zwei Prismen: einem Beleuchtungsprisma, das sich im Klappteil des Kopfes befindet, und einem Messprisma. Am Ausgang des Beleuchtungsprismas erzeugt seine matte Oberfläche einen gestreuten Lichtstrahl, der die Prüfflüssigkeit (2-3 Tropfen) zwischen den Prismen durchdringt. Die Strahlen treffen unter verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche des Messprismas, einschließlich eines Winkels von 90 0 . Im Messprisma werden die Strahlen im Bereich des Grenzbrechwinkels gesammelt, was die Ausbildung einer Licht-Schatten-Grenze auf dem Geräteschirm erklärt. Abb.8. Strahlengang im Messkopf: 1 – Beleuchtungsprisma, 2 – untersuchte Flüssigkeit, 3 - Messprisma, 4 - Bildschirm. BESTIMMUNG DES ANTEILS VON ZUCKER IN LÖSUNG
Natürliches und polarisiertes Licht. sichtbares Licht- Das Elektromagnetische Wellen mit einer Schwingfrequenz im Bereich von 4∙10 14 bis 7,5∙10 14 Hz. Elektromagnetische Wellen sind quer: Die Vektoren E und H der Stärken des elektrischen und des magnetischen Feldes stehen senkrecht zueinander und liegen in einer Ebene senkrecht zum Vektor der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Denn sowohl die chemische als auch die biologische Wirkung des Lichts werden hauptsächlich mit der elektrischen Komponente der elektromagnetischen Welle, dem Vektor, in Verbindung gebracht E die Intensität dieses Feldes heißt Lichtvektor, und die Schwingungsebene dieses Vektors ist die Schwingungsebene der Lichtwelle. In jeder Lichtquelle werden Wellen von vielen Atomen und Molekülen ausgesandt, die Lichtvektoren dieser Wellen befinden sich in verschiedenen Ebenen und die Schwingungen treten in verschiedenen Phasen auf. Dadurch ändert die Schwingungsebene des Lichtvektors der resultierenden Welle ständig ihre Lage im Raum (Abb. 1). Dieses Licht heißt natürlich, oder unpolarisiert. Reis. 1. Schematische Darstellung eines Balkens und natürlichen Lichts. Wenn wir zwei zueinander senkrechte Ebenen wählen, die durch einen Strahl natürlichen Lichts gehen, und die Vektoren E auf die Ebene projizieren, dann sind diese Projektionen im Durchschnitt gleich. Daher ist es zweckmäßig, einen natürlichen Lichtstrahl als Gerade darzustellen, auf der sich die gleiche Anzahl beider Projektionen in Form von Strichen und Punkten befindet: Beim Durchgang von Licht durch Kristalle ist es möglich, Licht zu erhalten, dessen Wellenschwingungsebene eine konstante Position im Raum einnimmt. Dieses Licht heißt eben- oder linear polarisiert. Aufgrund der geordneten Anordnung von Atomen und Molekülen in einem räumlichen Gitter überträgt der Kristall nur leichte Vektoroszillationen, die in einer bestimmten Ebene auftreten, die für ein bestimmtes Gitter charakteristisch ist. Eine ebene polarisierte Lichtwelle wird bequem wie folgt dargestellt: Die Polarisation von Licht kann auch partiell sein. In diesem Fall übersteigt die Schwingungsamplitude des Lichtvektors in irgendeiner Ebene die Schwingungsamplituden in anderen Ebenen erheblich. Teilweise polarisiertes Licht lässt sich konventionell wie folgt darstellen: , usw. Das Verhältnis der Anzahl von Strichen und Punkten bestimmt den Grad der Lichtpolarisation. Bei allen Verfahren zur Umwandlung von natürlichem Licht in polarisiertes Licht werden Komponenten mit einer wohldefinierten Orientierung der Polarisationsebene ganz oder teilweise aus natürlichem Licht ausgewählt. Verfahren zur Gewinnung von polarisiertem Licht: a) Reflexion und Brechung von Licht an der Grenze zweier Dielektrika; b) Lichtübertragung durch optisch anisotrope einachsige Kristalle; c) die Übertragung von Licht durch Medien, deren optische Anisotropie künstlich durch Einwirkung eines elektrischen oder magnetischen Feldes sowie durch Verformung erzeugt wird. Diese Methoden basieren auf dem Phänomen Anisotropie. Anisotropie ist die Abhängigkeit einer Reihe von Eigenschaften (mechanisch, thermisch, elektrisch, optisch) von der Richtung. Körper, deren Eigenschaften in allen Richtungen gleich sind, werden genannt isotrop. Polarisation wird auch während der Lichtstreuung beobachtet. Der Polarisationsgrad ist umso höher, je kleiner die Partikel sind, an denen gestreut wird. Geräte zur Erzeugung von polarisiertem Licht werden genannt Polarisatoren. Polarisation von Licht bei Reflexion und Brechung an der Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika. Wenn natürliches Licht an der Grenzfläche zwischen zwei isotropen Dielektrika reflektiert und gebrochen wird, tritt seine lineare Polarisation auf. Bei einem beliebigen Einfallswinkel ist die Polarisation des reflektierten Lichts partiell. Der reflektierte Strahl wird von Schwingungen senkrecht zur Einfallsebene dominiert, während der gebrochene Strahl von Schwingungen parallel dazu dominiert wird (Abb. 2). Reis. 2. Partielle Polarisation des natürlichen Lichts bei Reflexion und Brechung Erfüllt der Einfallswinkel die Bedingung tg i B = n 21, so ist das reflektierte Licht vollständig polarisiert (Brewstersches Gesetz), und der gebrochene Strahl ist nicht vollständig, aber maximal polarisiert (Abb. 3). In diesem Fall stehen der reflektierte und der gebrochene Strahl senkrecht aufeinander. der relative Brechungsindex der beiden Medien ist, i B der Brewster-Winkel ist. Reis. 3. Gesamtpolarisation des reflektierten Strahls bei Reflexion und Brechung an der Grenzfläche zwischen zwei isotropen Dielektrika. Doppelbrechung. Es gibt eine Reihe von Kristallen (Kalzit, Quarz usw.), in denen sich ein Lichtstrahl durch Brechung in zwei Strahlen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufteilt. Calcit (isländischer Spat) ist ein Kristall mit einem hexagonalen Gitter. Die Symmetrieachse des hexagonalen Prismas, das seine Zelle bildet, wird als optische Achse bezeichnet. Die optische Achse ist keine Linie, sondern eine Richtung im Kristall. Jede Linie parallel zu dieser Richtung ist auch eine optische Achse. Wenn eine Platte aus einem Calcitkristall so ausgeschnitten wird, dass ihre Flächen senkrecht zur optischen Achse stehen, und ein Lichtstrahl entlang der optischen Achse gerichtet wird, treten darin keine Änderungen auf. Wenn der Strahl jedoch in einem Winkel zur optischen Achse gerichtet ist, wird er in zwei Strahlen geteilt (Abb. 4), von denen einer als gewöhnlich und der zweite als außerordentlich bezeichnet wird. Reis. 4. Doppelbrechung, wenn Licht durch eine Calcitplatte fällt. MN ist die optische Achse. Ein ordentlicher Strahl liegt in der Einfallsebene und hat den üblichen Brechungsindex für einen gegebenen Stoff. Der außerordentliche Strahl liegt in einer Ebene, die durch den einfallenden Strahl und die optische Achse des Kristalls verläuft, gezeichnet am Einfallspunkt des Strahls. Dieses Flugzeug heißt Hauptebene des Kristalls. Die Brechungsindizes für ordentliche und außerordentliche Strahlen sind unterschiedlich. Sowohl ordentliche als auch außerordentliche Strahlen sind polarisiert. Die Schwingungsebene der ordentlichen Strahlen steht senkrecht auf der Hauptebene. Die Schwingungen der außerordentlichen Strahlen finden in der Hauptebene des Kristalls statt. Das Phänomen der Doppelbrechung ist auf die Anisotropie von Kristallen zurückzuführen. Entlang der optischen Achse ist die Geschwindigkeit einer Lichtwelle für ordentliche und außerordentliche Strahlen gleich. In anderen Richtungen ist die Geschwindigkeit einer außerordentlichen Welle in Calcit größer als die einer gewöhnlichen. Der größte Unterschied zwischen den Geschwindigkeiten beider Wellen tritt in Richtung senkrecht zur optischen Achse auf. Nach dem Huygens-Prinzip entstehen bei Doppelbrechung an jedem Punkt der Oberfläche einer die Kristallgrenze erreichenden Welle gleichzeitig zwei Elementarwellen (nicht eine, wie in gewöhnlichen Medien), die sich im Kristall ausbreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle ist in alle Richtungen gleich, d.h. Welle hat eine Kugelform und heißt gewöhnliche. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer anderen Welle in Richtung der optischen Achse des Kristalls ist die gleiche wie die Geschwindigkeit einer gewöhnlichen Welle, und in der Richtung senkrecht zur optischen Achse unterscheidet sie sich davon. Die Welle hat eine Ellipsoidform und heißt außerordentlich(Abb.5). Reis. 5. Ausbreitung einer ordentlichen (o) und außerordentlichen (e) Welle in einem Kristall mit Doppelbrechung. Prism Nikolaus. Um polarisiertes Licht zu erhalten, wird ein Nicol-Polarisationsprisma verwendet. Ein Prisma bestimmter Form und Größe wird aus Calcit geschnitten, dann entlang einer diagonalen Ebene gesägt und mit kanadischem Balsam verklebt. Wenn ein Lichtstrahl entlang der Prismenachse auf die obere Fläche einfällt (Abb. 6), fällt der außerordentliche Strahl unter einem kleineren Winkel auf die Klebeebene und tritt fast ohne Richtungsänderung durch. Ein gewöhnlicher Strahl fällt in einem Winkel ein, der größer ist als der Winkel der Totalreflexion für Kanadischen Balsam, wird von der Klebeebene reflektiert und von der geschwärzten Fläche des Prismas absorbiert. Das Nicol-Prisma erzeugt vollständig polarisiertes Licht, dessen Schwingungsebene in der Hauptebene des Prismas liegt. Reis. 6. Nicolas-Prisma. Schema des Durchgangs eines gewöhnlichen und außergewöhnliche Strahlen. Dichroismus. Es gibt Kristalle, die gewöhnliche und außergewöhnliche Strahlen auf unterschiedliche Weise absorbieren. Wenn also ein natürlicher Lichtstrahl senkrecht zur Richtung der optischen Achse auf einen Turmalinkristall gerichtet wird, wird bei einer Plattendicke von nur wenigen Millimetern der ordentliche Strahl vollständig absorbiert und nur der außerordentliche Strahl tritt aus der Kristall (Abb. 7). Reis. 7. Lichtdurchgang durch einen Turmalinkristall. Die unterschiedliche Art der Absorption von gewöhnlicher und außerordentlicher Strahlung wird genannt Absorptionsanisotropie, oder Dichroismus. So können Turmalinkristalle auch als Polarisatoren verwendet werden. Polaroids. Gegenwärtig sind Polarisatoren weit verbreitet. Polaroids. Um ein Polaroid herzustellen, wird eine transparente Folie zwischen zwei Glas- oder Plexiglasplatten geklebt, die Kristalle einer dichroitischen Substanz enthält, die Licht polarisiert (z. B. Jodchinonsulfat). Während des Filmherstellungsprozesses werden die Kristalle so orientiert, dass ihre optischen Achsen parallel sind. Das ganze System ist in einem Rahmen befestigt. Die geringen Kosten von Polaroids und die Möglichkeit, Platten mit großer Fläche herzustellen, sorgten für ihre breite Anwendung in der Praxis. Analyse von polarisiertem Licht. Um die Art und den Grad der Polarisation von Licht zu untersuchen, werden Geräte genannt Analysatoren. Als Analysatoren werden die gleichen Geräte verwendet, die dazu dienen, linear polarisiertes Licht zu erhalten - Polarisatoren, die jedoch für eine Drehung um die Längsachse angepasst sind. Der Analysator lässt nur Schwingungen durch, die mit seiner Hauptebene zusammenfallen. Ansonsten passiert nur die Schwingungskomponente, die mit dieser Ebene zusammenfällt, den Analysator. Wenn die in den Analysator eintretende Lichtwelle linear polarisiert ist, dann genügt die Intensität der den Analysator verlassenden Welle Gesetz von Malus: wobei I 0 die Intensität des einfallenden Lichts ist, φ der Winkel zwischen den Ebenen des einfallenden Lichts und dem vom Analysator übertragenen Licht ist. Der Lichtdurchgang durch das Polarisator-Analysator-System ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. acht. Reis. Abb. 8. Schema des Lichtdurchgangs durch das Polarisator-Analysator-System (P - Polarisator, A - Analysator, E - Bildschirm): a) die Hauptebenen von Polarisator und Analysator fallen zusammen; b) die Hauptebenen von Polarisator und Analysator stehen in einem bestimmten Winkel; c) die Hauptebenen von Polarisator und Analysator stehen senkrecht aufeinander. Wenn die Hauptebenen von Polarisator und Analysator zusammenfallen, passiert das Licht den Analysator vollständig und beleuchtet den Bildschirm (Abb. 7a). Stehen sie in einem bestimmten Winkel, passiert das Licht den Analysator, wird aber umso stärker abgeschwächt (Abb. 7b), je näher dieser Winkel an 90 0 liegt. Wenn diese Ebenen senkrecht zueinander stehen, wird das Licht vom Analysator vollständig ausgelöscht (Abb. 7c). Rotation der Schwingungsebene von polarisiertem Licht. Polarimetrie. Einige Kristalle sowie Lösungen organischer Substanzen haben die Fähigkeit, die Schwingungsebene des durch sie hindurchtretenden polarisierten Lichts zu drehen. Diese Substanzen werden genannt optisch a aktiv. Dazu gehören Zucker, Säuren, Alkaloide usw. Für die meisten optisch aktiven Substanzen wurde die Existenz von zwei Modifikationen gefunden, die die Polarisationsebene im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn drehen (für einen Beobachter, der in Richtung des Strahls blickt). Die erste Modifikation wird aufgerufen rechtsdrehend, oder positiv zweite - linksdrehend, oder negativ. Die natürliche optische Aktivität einer Substanz im nichtkristallinen Zustand beruht auf der Asymmetrie der Moleküle. Bei kristallinen Substanzen kann optische Aktivität auch auf Besonderheiten der Anordnung von Molekülen im Gitter zurückzuführen sein. Bei Festkörpern ist der Drehwinkel φ der Polarisationsebene direkt proportional zur Weglänge d des Lichtstrahls im Körper: wo α ist Rotationsfähigkeit (spezifische Rotation), je nach Stoffart, Temperatur und Wellenlänge. Bei Links- und Rechtsrotationsmodifikationen sind die Rotationsfähigkeiten gleich groß. Für Lösungen der Drehwinkel der Polarisationsebene wobei α die spezifische Drehung ist, c die Konzentration der optisch aktiven Substanz in der Lösung ist. Der Wert von α hängt von der Art der optisch aktiven Substanz und des Lösungsmittels, der Temperatur und der Wellenlänge des Lichts ab. Spezifische Rotation- dies ist ein 100-fach erhöhter Rotationswinkel für eine 1 dm dicke Lösung bei einer Stoffkonzentration von 1 Gramm pro 100 cm 3 Lösung bei einer Temperatur von 20 0 C und einer Lichtwellenlänge λ = 589 nm. Eine sehr empfindliche Methode zur Bestimmung der Konzentration c, bezogen auf dieses Verhältnis, wird genannt Polarimetrie (Saccharimetrie). Die Abhängigkeit der Drehung der Polarisationsebene von der Wellenlänge des Lichts wird genannt Rotationsdispersion. In erster Näherung gibt es Bios Gesetz: wobei A ein von der Art des Stoffes und der Temperatur abhängiger Koeffizient ist. In einer klinischen Umgebung ist die Methode Polarimetrie verwendet, um die Konzentration von Zucker im Urin zu bestimmen. Das dafür verwendete Gerät heißt Saccharimeter(Abb. 9). Reis. 9. Optischer Aufbau des Saccharimeters: Und - eine natürliche Lichtquelle; C - Lichtfilter (Monochromator), der die Koordination des Gerätebetriebs gewährleistet mit dem Gesetz von Biot; L ist eine Sammellinse, die am Ausgang einen parallelen Lichtstrahl liefert; P - Polarisator; K – Röhrchen mit Testlösung; A - Analysator auf einer rotierenden Scheibe D mit Unterteilungen montiert. Bei der Durchführung einer Studie wird der Analysator zunächst ohne Testlösung auf die maximale Verdunkelung des Gesichtsfeldes eingestellt. Dann wird ein Röhrchen mit einer Lösung in das Gerät gestellt und durch Drehen des Analysators wird das Sichtfeld wieder abgedunkelt. Der kleinere der beiden Winkel, um die der Analysator gedreht werden muss, ist der Drehwinkel für den Analyten. Der Winkel wird verwendet, um die Zuckerkonzentration in der Lösung zu berechnen. Um die Berechnungen zu vereinfachen, wird das Röhrchen mit der Lösung so lang gemacht, dass der Drehwinkel des Analysators (in Grad) numerisch gleich der Konzentration ist Mit Lösung (in Gramm pro 100 cm 3). Die Länge des Röhrchens für Glukose beträgt 19 cm. polarisierende Mikroskopie. Die Methode basiert auf Anisotropie einige Komponenten von Zellen und Geweben, die erscheinen, wenn sie in polarisiertem Licht beobachtet werden. Strukturen, die aus parallel angeordneten Molekülen oder stapelförmig angeordneten Scheiben bestehen, zeigen beim Einbringen in ein Medium mit einem Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Partikel der Struktur unterscheidet, die Fähigkeit dazu Doppelbrechung. Dies bedeutet, dass die Struktur polarisiertes Licht nur durchlässt, wenn die Polarisationsebene parallel zu den Längsachsen der Partikel ist. Dies gilt auch dann, wenn die Teilchen keine eigene Doppelbrechung aufweisen. Optisch Anisotropie beobachtet in Muskel, Bindegewebe (Kollagen) und Nervenfasern. Der eigentliche Name des Skelettmuskels gestreift" aufgrund der unterschiedlichen optischen Eigenschaften einzelner Abschnitte der Muskelfaser. Sie besteht aus abwechselnd dunkleren und helleren Bereichen der Gewebesubstanz. Dadurch erhält die Faser eine Querstreifung. Die Untersuchung der Muskelfaser in polarisiertem Licht zeigt, dass die Bereiche dunkler sind anisotrop und Eigenschaften haben Doppelbrechung, während die dunkleren Bereiche sind isotrop. Kollagen Fasern sind anisotrop, ihre optische Achse liegt entlang der Faserachse. Mizellen im Fruchtfleisch Neurofibrillen sind ebenfalls anisotrop, aber ihre optischen Achsen liegen in radialen Richtungen. Zur histologischen Untersuchung dieser Strukturen wird ein Polarisationsmikroskop verwendet. Das wichtigste Bauteil eines Polarisationsmikroskops ist der Polarisator, der sich zwischen der Lichtquelle und dem Kondensator befindet. Außerdem verfügt das Mikroskop über einen Drehtisch bzw. Probenhalter, einen zwischen Objektiv und Okular angeordneten Analysator, der senkrecht zur Polarisatorachse eingebaut werden kann, und einen Kompensator. Wenn Polarisator und Analysator gekreuzt sind und das Objekt fehlt oder isotrop das Feld erscheint gleichmäßig dunkel. Wenn es ein Objekt mit Doppelbrechung gibt und es so angeordnet ist, dass seine Achse in einem Winkel zur Polarisationsebene steht, der sich von 0 0 oder von 90 0 unterscheidet, teilt es das polarisierte Licht in zwei Komponenten - parallel und senkrecht zur Ebene des Analysators. Folglich geht ein Teil des Lichts durch den Analysator, was zu einem hellen Bild des Objekts vor einem dunklen Hintergrund führt. Wenn sich das Objekt dreht, ändert sich die Helligkeit seines Bildes und erreicht ein Maximum bei einem Winkel von 45 0 relativ zum Polarisator oder Analysator. Die Polarisationsmikroskopie wird verwendet, um die Orientierung von Molekülen in biologischen Strukturen (z. B. Muskelzellen) zu untersuchen, sowie bei der Beobachtung von Strukturen, die mit anderen Methoden unsichtbar sind (z. B. die mitotische Spindel während der Zellteilung), die Identifizierung der helikalen Struktur. Polarisiertes Licht wird unter Modellbedingungen verwendet, um die im Knochengewebe auftretenden mechanischen Spannungen zu bewerten. Diese Methode basiert auf dem Phänomen der Photoelastizität, das darin besteht, dass bei zunächst isotropen Festkörpern unter Einwirkung mechanischer Belastungen eine optische Anisotropie auftritt. BESTIMMUNG DER LICHTWELLENLÄNGE MITHILFE EINES BEUGUNGSGITTERS
Lichtinterferenz. Lichtinterferenz ist ein Phänomen, das bei der Überlagerung von Lichtwellen auftritt und mit deren Verstärkung oder Dämpfung einhergeht. Bei der Überlagerung kohärenter Wellen entsteht ein stabiles Interferenzmuster. Als kohärente Wellen bezeichnet man Wellen mit gleichen Frequenzen und gleichen Phasen oder mit konstanter Phasenverschiebung. Eine Verstärkung von Lichtwellen während der Interferenz (Maximalbedingung) tritt auf, wenn Δ auf eine gerade Anzahl von Halbwellenlängen passt: wo k
– maximale Ordnung, k=0,±1,±2,±,…±n; λ
ist die Länge der Lichtwelle. Eine Abschwächung der Lichtwellen während der Interferenz (Minimalbedingung) wird beobachtet, wenn eine ungerade Anzahl von Halbwellenlängen in den optischen Gangunterschied Δ passt: wo k
ist die Ordnung des Minimums. Der optische Wegunterschied zweier Strahlen ist der Abstandsunterschied von den Quellen zum Beobachtungspunkt des Interferenzmusters. Interferenz in dünnen Filmen. Interferenzen in dünnen Filmen können in Seifenblasen beobachtet werden, in einem Kerosinfleck auf der Wasseroberfläche, wenn sie von Sonnenlicht beleuchtet werden. Lassen Sie Strahl 1 auf die Oberfläche eines dünnen Films fallen (siehe Abb. 2). Der an der Luft-Film-Grenzfläche gebrochene Strahl passiert den Film, wird von seiner Innenfläche reflektiert, nähert sich der Außenfläche des Films, wird an der Film-Luft-Grenzfläche gebrochen und der Strahl tritt aus. Wir lenken Strahl 2 auf den Strahlaustrittspunkt, der parallel zu Strahl 1 verläuft. Strahl 2 wird von der Oberfläche der Folie reflektiert, überlagert Strahl , und beide Strahlen interferieren. Beleuchtet man den Film mit polychromatischem Licht, erhält man ein Regenbogenbild. Dies liegt an der Tatsache, dass der Film keine gleichmäßige Dicke hat. Dadurch entstehen unterschiedlich große Gangunterschiede, die unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen (gefärbte Seifenfilme, schillernde Farben der Flügel einiger Insekten und Vögel, Ölfilme oder Öle auf der Wasseroberfläche etc.). Lichtinterferenz wird in Geräten verwendet - Interferometer. Interferometer sind optische Geräte, die verwendet werden können, um zwei Strahlen räumlich zu trennen und einen bestimmten Gangunterschied zwischen ihnen zu erzeugen. Interferometer dienen zur hochgenauen Bestimmung der Wellenlänge kleiner Entfernungen, der Brechungsindizes von Stoffen und zur Qualitätsbestimmung optischer Oberflächen. Für sanitäre und hygienische Zwecke wird das Interferometer zur Bestimmung des Gehalts an schädlichen Gasen verwendet. Die Kombination aus einem Interferometer und einem Mikroskop (Interferenzmikroskop) wird in der Biologie verwendet, um den Brechungsindex, die Trockensubstanzkonzentration und die Dicke von transparenten Mikroobjekten zu messen. Huygens-Fresnel-Prinzip. Nach Huygens ist jeder Punkt des Mediums, den die Primärwelle zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht, eine Quelle von Sekundärwellen. Fresnel verfeinerte diese Position von Huygens, indem er hinzufügte, dass die Sekundärwellen kohärent sind, d.h. Wenn sie überlagert werden, ergeben sie ein stabiles Interferenzmuster. Lichtbeugung. Lichtbeugung ist das Phänomen der Abweichung von Licht von der geradlinigen Ausbreitung. Beugung in parallelen Strahlen aus einem Spalt. Lassen Sie das Ziel weit auf in
ein paralleler Strahl monochromatischen Lichts fällt ein (siehe Abb. 3): Im Strahlengang ist eine Linse eingebaut L
, in deren Brennebene sich der Bildschirm befindet E
. Die meisten Strahlen werden nicht gebeugt; ändern ihre Richtung nicht, und sie werden durch das Objektiv fokussiert L
in der Mitte des Bildschirms, wodurch ein zentrales Maximum oder Maximum nullter Ordnung gebildet wird. Strahlen, die unter gleichen Beugungswinkeln gebeugt werden φ
, bilden Maxima auf dem Bildschirm 1,2,3,…, n
- Aufträge. So ist das aus einem Spalt in parallelen Strahlen erhaltene Beugungsmuster bei Beleuchtung mit monochromatischem Licht ein heller Streifen bei maximaler Beleuchtung in der Mitte des Schirms, dann kommt ein dunkler Streifen (Minimum 1. Ordnung), dann kommt ein heller Streifen ( Maximum 1. Ordnung), Dunkelband (Minimum 2. Ordnung), Maximum 2. Ordnung usw. Das Beugungsmuster ist bezüglich des zentralen Maximums symmetrisch. Wenn der Spalt mit weißem Licht beleuchtet wird, bildet sich auf dem Schirm ein System farbiger Streifen, nur das zentrale Maximum behält die Farbe des einfallenden Lichts. Bedingungen max und Mindest Beugung. Wenn in der optischen Wegdifferenz Δ
passen eine ungerade Anzahl von Segmenten gleich , dann gibt es eine Zunahme der Lichtintensität ( max
Beugung): wo k
ist die Ordnung des Maximums; k
=±1,±2,±…,± n;
λ
ist die Wellenlänge. Wenn in der optischen Wegdifferenz Δ
passen eine gerade Anzahl von Segmenten gleich , dann kommt es zu einer Abschwächung der Lichtintensität ( Mindest
Beugung): wo k
ist die Ordnung des Minimums. Beugungsgitter. Ein Beugungsgitter besteht aus sich abwechselnden lichtundurchlässigen Bändern und lichtdurchlässigen Bändern (Schlitzen) gleicher Breite. Das Hauptmerkmal eines Beugungsgitters ist seine Periode d
. Die Periode des Beugungsgitters ist die Gesamtbreite der transparenten und undurchsichtigen Bänder: Ein Beugungsgitter wird in optischen Instrumenten verwendet, um die Auflösung des Instruments zu verbessern. Die Auflösung eines Beugungsgitters hängt von der Ordnung des Spektrums ab k
und von der Schlagzahl N
: wo R
- Auflösung. Ableitung der Beugungsgitterformel. Lassen Sie uns zwei parallele Strahlen auf das Beugungsgitter richten: 1 und 2, so dass der Abstand zwischen ihnen gleich der Gitterperiode ist d
. An Punkten ABER
und BEI
Die Strahlen 1 und 2 werden gebeugt und weichen von der geradlinigen Richtung in einem Winkel ab φ
ist der Beugungswinkel. Strahlen
und
durch Linse fokussiert L
auf einen Schirm, der sich in der Brennebene des Objektivs befindet (Abb. 5). Jeder Schlitz des Gitters kann als Quelle von Sekundärwellen betrachtet werden (das Huygens-Fresnel-Prinzip). Auf dem Schirm am Punkt D beobachten wir das Maximum des Interferenzmusters. Von einem Punkt ABER
auf dem Strahlengang
Lassen Sie die Senkrechte fallen und erhalten Sie Punkt C. Betrachten Sie ein Dreieck ABC
: rechtwinkliges Dreieck РВАС=Рφ
als Winkel mit zueinander senkrechten Seiten. Aus Δ
ABC: wo AB=d
(Durch den Bau), SW = ∆
ist die optische Wegdifferenz. Da wir am Punkt D die maximale Interferenz beobachten, dann wo k
ist die Ordnung des Maximums, λ
ist die Länge der Lichtwelle. Einstecken der Werte AB=d,
in die Formel für Sündeφ
: Von hier erhalten wir: BEI Gesamtansicht die Beugungsgitterformel hat die Form: Die ± Zeichen zeigen, dass das Interferenzmuster auf dem Schirm symmetrisch zum zentralen Maximum ist. Physikalische Grundlagen der Holographie. Die Holographie ist ein Verfahren zur Aufzeichnung und Rekonstruktion eines Wellenfeldes, das auf den Phänomenen der Wellenbeugung und -interferenz beruht. Fixiert man auf einem normalen Foto nur die Intensität der vom Objekt reflektierten Wellen, so werden zusätzlich die Phasen der Wellen auf dem Hologramm aufgezeichnet, was zusätzliche Informationen über das Objekt liefert und eine dreidimensionale Abbildung ermöglicht das Objekt. Änderung der Ausbreitungsrichtung optischer Strahlung (Licht) beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien. An einer ausgedehnten ebenen Grenzfläche zwischen homogenen isotropen transparenten (nicht absorbierenden) Medien mit den Brechungsindizes n1 und n2 wird der PS bestimmt. zwei Regelmäßigkeiten: die gebrochene liegt in der Ebene, die durch den einfallenden Strahl verläuft, und die Normale (senkrecht) zur Grenzfläche; Einfallswinkel j und Brechung c (Abb.) sind durch das Snellsche Brechungsgesetz verbunden: n1sinj=n2sinc. Der Weg von Lichtstrahlen während der Brechung an einer ebenen Fläche, die zwei transparente Medien trennt. Die gepunktete Linie zeigt den reflektierten Strahl an. Der Brechungswinkel % ist größer als der Einfallswinkel j; dies weist darauf hin, dass in dieser Fall Brechung erfolgt vom optisch dichteren ersten Medium zum optisch weniger dichten zweiten (n1 > n2). n ist die Normale zur Schnittstelle. P.s. begleitet von der Reflexion des Lichts; in diesem Fall ist die Summe der Energien der gebrochenen und reflektierten Strahlenbündel (quantitative Ausdrücke dafür folgen aus den Fresnel-Formeln) gleich der Energie des einfallenden Strahls. Verweist sie. Die Intensitäten hängen vom Einfallswinkel, den Werten von n1 und n2 und der Polarisation des Lichts im einfallenden Strahl ab. Bei einem normalen Sturz ist das Verhältnis vgl. die Energien der gebrochenen und einfallenden Lichtwellen sind 4n1n2/(n1+n2)2; in einem wesentlichen Sonderfall des Lichteinfalls von Luft (n1 mit hoher Genauigkeit = 1) in Glas mit n2 = 1,5 sind es 96 %. Wenn n2 ist, wird die Energie, die von der einfallenden Lichtwelle an die Grenzfläche gebracht wird, von der reflektierten Welle weggetragen (Phänomen der Totalreflexion). Für jedes j, außer j=0, P. s. einhergehend mit einer Änderung der Polarisation des Lichts (am stärksten beim sogenannten Brewster-Winkel j = arctg (n2/n1), (siehe BREWSTER'S LAW), der dazu dient, linear polarisiertes Licht zu erhalten (siehe in OPTIK). Die Polarisation einfallender Strahlen zeigt sich deutlich im Fall der Doppelbrechung in optisch anisotropen Medien.In absorbierenden Medien kann das P. s streng beschrieben werden, wobei formal dieselben Ausdrücke wie für nicht absorbierende Medien verwendet werden, aber n als komplexe Größe betrachtet wird (deren Imaginärteil c in diesem Fall charakterisiert, wird ebenfalls komplex und verliert die einfache Bedeutung des Brechungswinkels, den es für nicht absorbierende Medien hat. Im allgemeinen Fall hängt n des Mediums von der Länge l ab das Licht (Lichtstreuung), dessen Strahlen sich in verschiedene Richtungen mit unterschiedlichem l ausbreiten.Die Konstruktion von Linsen und vielen optischen Geräten, die dazu dienen, die Richtung von Lichtstrahlen zu ändern und optische Bilder zu erhalten, basieren auf den Gesetzen von PS. Physikalisches Enzyklopädisches Wörterbuch. - M.: Sowjetische Enzyklopädie.
.
1983
. Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle (Lichtstrahl) beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen transparenten Medien. An einer ebenen Grenzfläche zwischen zwei homogenen isotropen Medien mit abs. Brechungsindizes und
P.s. Spur bestimmt. Gesetze: die einfallenden, reflektierten und gebrochenen Strahlen und die Normale zur Grenzfläche am Einfallspunkt liegen in derselben Ebene (der Einfallsebene); die Einfalls- und Brechungswinkel (Abb. 1), die die entsprechenden Strahlen mit der Normalen bilden, und die Brechungsindizes der Medien und für monochromatisch in Beziehung stehen. Sveta Gesetzlich vorgeschrieben Brechung Reis. 1. Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit n 1 und Pfeile zeigen die Position der Komponenten des elektrischen Vektors in der Einfallsebene, Kreise mit einem Punkt - senkrecht zur Einfallsebene. Normalerweise P. mit. begleitet von Lichtreflexion von der gleichen Grenze. Bei nicht absorbierenden (transparenten) Medien ist die Gesamtenergie des Lichtflusses der gebrochenen Welle gleich der Differenz zwischen den Energien der Flüsse der einfallenden und reflektierten Wellen (Energieerhaltungssatz). Das Verhältnis der Intensität des Lichtflusses der gebrochenen Welle zum Einfallskoeffizienten. Transmission der Grenzfläche zwischen Medien - hängt von der Polarisation des Lichts der einfallenden Welle, dem Einfallswinkel und den Brechungsindizes und ab. Eine strenge Definition der Intensität der gebrochenen (und reflektierten) Welle kann aus der Lösung von Maxwell erhalten werden Gleichungen mit den entsprechenden Randbedingungen für elektrische. und magn. Vektoren der Lichtwelle und wird ausgedrückt Fresnel-Formeln. Wenn elektrisch Zerlegen Sie den Vektor der einfallenden und gebrochenen Wellen in zwei (in der Einfallsebene liegende) und (senkrecht dazu) Fresnel-Formeln für den Koeffizienten. Getriebe der entsprechenden Komponenten haben die Form Die Abhängigkeit von und von ist in Abb. dargestellt. 2. Aus Ausdrücken (*) und Abb. 2 folgt dies für alle Einfallswinkel, mit Ausnahme des Spezialfalls des senkrechten Einfalls Das bedeutet, dass für alles (außer = 0) gebrochenes Licht auftritt. Fällt eine natürliche (nicht polarisierte) auf die Grenzfläche, so wird das Licht dann in eine gebrochene Welle, d. h. teilweise polarisiert. Naib. meint. gebrochene Welle entsteht beim Fallen im Brewster-Winkel = Reis. 2. Abhängigkeit der Transmissionskoeffizienten und für Wellen unterschiedlicher Polarisation vom Einfallswinkel bei der Brechung an der Grenze ( = 1) - Glas (mit Brechungsindex = 1,52); für einfallendes unpolarisiertes Licht. Fällt Licht von einem optisch dünneren Medium in ein dichteres (), dann existiert ein gebrochener Strahl unter allen Winkeln von 0 bis Fällt Licht von einem optisch dichteren Medium in ein weniger dichtes, so existiert die gebrochene Welle nur innerhalb des Einfallswinkel von = 0 bis = arcsin. Bei Einfallswinkeln > arcsinП. Mit. nicht auftritt, es gibt nur eine reflektierte Welle - ein Phänomen totale interne Reflexion. In optisch anisotropen Medien entstehen im allgemeinen Fall zwei gebrochene Lichtwellen mit senkrechter Polarisation (siehe Abb. Kristalloptik). Formal sind die Gesetze von P. s. für transparente Medien kann auf absorbierende Medien erweitert werden, wenn wir für solche Medien eine komplexe Größe betrachten, wobei k der Absorptionskoeffizient ist. Bei Metallen mit starker Absorption (und großem Reflexionskoeffizienten) wird eine sich innerhalb des Metalls ausbreitende Welle in einer dünnen oberflächennahen Schicht absorbiert, und der Begriff einer gebrochenen Welle verliert seine Bedeutung (siehe Abb. Metalloptik). Da der Brechungsindex von Medien von der Lichtwellenlänge l abhängt (siehe Abb. Lichtstreuung) dann im Falle des Fallens auf die Grenzfläche von transparenten Medien nicht monochromatisch. gebrochene Lichtstrahlen. Wellenlängen gehen nach diff. Richtungen, die in dispersiven Prismen verwendet werden. Auf P.s. konvexe, konkave und ebene Oberflächen transparenter Medien basieren auf Linsen, die der Gewinnung dienen optische Bilder, dispersive Prismen etc. optisch. Elemente. Wenn sich der Brechungsindex kontinuierlich ändert (z. B. in einer Atmosphäre mit Höhe), tritt bei der Ausbreitung eines Lichtstrahls in einem solchen Medium auch eine kontinuierliche Änderung der Ausbreitungsrichtung auf - der Strahl wird zu einem größeren Brechungswert gebogen Index (siehe Abb. Lichtbrechung in der Atmosphäre), aber es gibt keine Lichtreflexion. Unter Einwirkung hochintensiver Strahlung, die von Hochleistungslasern erzeugt wird, wird das Medium nichtlinear. Induziert in den Molekülen des Mediums unter Einwirkung einer starken elektrischen Spannung. Felder einer Lichtwelle, Dipole, emittieren aufgrund der Anharmonizität der Schwingungen von Elektronen von Molekülen Sekundärwellen im Medium nicht nur mit der Frequenz der einfallenden Strahlung, sondern auch Wellen mit doppelter Frequenz - Harmonische - 2 (und höher Harmonische 3, ...). Aus molekularer Sicht führt die Interferenz dieser Sekundärwellen zur Bildung der resultierenden gebrochenen Wellen mit einer Frequenz (wie in der linearen Optik) im Medium (siehe Abb. Huygens- Fresnel-Prinzip) sowie mit der Frequenz
, to-Krim entsprechen makroskopisch. Brechungsindizes und Aufgrund der Dispersion des Mediums Zündete.: Landsberg G.S., Optics, 5. Aufl., M., 1976; Sivukhin D.V., Allgemeiner Physikkurs, 2. Aufl., [Bd. 4] - Optik, M., 1985. V. I. Malyschew. Physische Enzyklopädie. In 5 Bänden. - M.: Sowjetische Enzyklopädie.
Chefredakteur A. M. Prochorow.
1988
. LICHTBRECHUNG, Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien. Der Einfallswinkel j und der Brechungswinkel c hängen zusammen durch die Beziehung: sinj/sinc=n2/n1=v1/v2, wobei n1 und n2 die Brechungsindizes der Medien sind, … … Moderne Enzyklopädie Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien. der Einfallswinkel und der Brechungswinkel hängen durch die Beziehung zusammen: wobei n1 und n2 die Brechungsindizes der Medien sind, v1 und v2 die Lichtgeschwindigkeiten im 1. und 2. Medium sind ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch Lichtbrechung- Brechung Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei Medien oder in einem Medium mit von Punkt zu Punkt veränderlichem Brechungsindex. [Sammlung empfohlener Begriffe. Ausgabe 79. Physikalische Optik. Akademie… … Handbuch für technische Übersetzer LICHTBRECHUNG, Änderung der Richtung eines Lichtstrahls beim Wechsel von einem Medium zum anderen. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels (p zum Sinus des Brechungswinkels ip oder, was dasselbe ist, das Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten einer Lichtwelle in der einen und der anderen ... ... Große medizinische Enzyklopädie Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien. Der Einfallswinkel (und Reflexionswinkel) φ und der Brechungswinkel χ hängen zusammen durch die Beziehung: , wobei n1 und n2 die Brechungsindizes der Medien sind, v1 und v2 die Lichtgeschwindigkeit sind ... ... Enzyklopädisches Wörterbuch Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien. Der Einfallswinkel (und Reflexionswinkel) φ und der Brechungswinkel x hängen zusammen durch die Beziehung: wobei n1 und n2 die Brechungsindizes der Medien sind, v1 und v2 die Lichtgeschwindigkeiten in 1. ... ... Naturwissenschaft. Enzyklopädisches Wörterbuch Lichtbrechung- šviesos lūžimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Šviesos bangų sklidimo krypties kitimas nevienalytėje aplinkoje. atitikmenys: engl. Lichtbrechung {f} Lichtbrechung, f rus. Lichtbrechung, n pranc. Brechung… … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
Optische Dichte des Mediums
Ein Medium, in dem die Lichtgeschwindigkeit größer ist, wird als „optisch weniger dicht“ bezeichnet. 
Brechungswinkel
Lichtbrechung in einem dreieckigen Prisma
Lichtbrechung im Auge
Hausaufgaben
Zwei Arten von Brechungsindex
Wie lautet die Formel zur Berechnung des Brechungsindex?
Wovon hängt der Brechungsindex ab?
Beispielwerte für verschiedene Stoffe
Welche anderen Größen werden zur Lösung von Problemen verwendet?
Aufgabe 1
Aufgabe Nr. 2
Grundlagen eines physikalischen Phänomens
Reflexion und Brechung des Lichts lassen sich besonders gut im Wasser beobachten.
Die Lichtbrechung ist ein physikalisches Phänomen, das durch eine Änderung der Richtung des Sonnenstrahls im Moment des Übergangs von einem Medium (Struktur) zu einem anderen gekennzeichnet ist.
Um das Verständnis zu verbessern dieser Prozess, betrachten Sie ein Beispiel eines Strahls, der aus Luft in Wasser fällt (ähnlich für Glas). Durch Zeichnen einer Senkrechten entlang der Grenzfläche können Brechungswinkel und Rückkehr des Lichtstrahls gemessen werden. Dieser Indikator (der Brechungswinkel) ändert sich, wenn die Strömung in das Wasser (innerhalb des Glases) eindringt.
Beachten Sie! Unter diesem Parameter wird der Winkel verstanden, der eine zur Trennung zweier Stoffe gezogene Senkrechte bildet, wenn der Strahl von der ersten Struktur zur zweiten durchdringt.
Gleichzeitig wirkt sich eine Änderung der Fallneigung auch auf diesen Indikator aus. Aber die Beziehung zwischen ihnen bleibt nicht konstant. Gleichzeitig bleibt das Verhältnis ihrer Sinuswerte erhalten konstanter Wert, was durch die folgende Formel dargestellt wird: sinα / sinγ = n, wobei:physikalisches Gesetz
Ein wichtiger Parameter für verschiedene Objekte
Wenn sich der Wert der Fallneigung ändert, ist dieselbe Situation gleichzeitig typisch für einen ähnlichen Indikator. Dieser Parameter ist von großer Bedeutung, da er ein integrales Merkmal transparenter Substanzen ist.
Optische Dichte von Substanzen
Abgesehen davon, dass dieser Parameter ein konstanter Wert ist, spiegelt er auch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in zwei Substanzen wider. Die physikalische Bedeutung kann als folgende Formel dargestellt werden:Ein weiterer wichtiger Indikator
Vollständige innere Reflexion
Fazit
Wie man eine Papierlampe mit eigenen Händen macht
So überprüfen Sie die Leistung des LED-StreifensGesetze der Lichtbrechung.
,
, dann sin rm =1, also .
,
,
, Wenn
wann (Abb. 2). Dabei< 1, а = 1, т. е. преломление поляризов. света с не сопровождается отражением.
und folglich werden im Medium zwei gebrochene Wellen mit Frequenzen gebildet, die sich entlang decomp ausbreiten. Richtungen. In diesem Fall ist die Intensität der gebrochenen Welle bei einer Frequenz viel geringer als die Intensität bei einer Frequenz (für weitere Einzelheiten siehe Art. nichtlineare Optik).Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was "BRECHUNG DES LICHTS" ist:
