Topik kodifier USE: hukum pembiasan cahaya, pemantulan internal total.

Pada antarmuka antara dua media transparan, bersama dengan pemantulan cahaya, pemantulannya diamati. pembiasan- cahaya, melewati media lain, mengubah arah rambatnya.

Pembiasan berkas cahaya terjadi bila miring jatuh pada antarmuka (meskipun tidak selalu - baca tentang refleksi internal total). Jika balok jatuh tegak lurus ke permukaan, maka tidak akan ada pembiasan - di media kedua, balok akan mempertahankan arahnya dan juga tegak lurus ke permukaan.

Hukum pembiasan (kasus khusus).

Kami akan mulai dengan kasus khusus di mana salah satu media adalah udara. Situasi ini hadir di sebagian besar tugas. Kami akan membahas kasus khusus yang sesuai dari hukum pembiasan, dan kemudian kami akan memberikan formulasi yang paling umum.

Misalkan seberkas cahaya yang merambat melalui udara jatuh miring pada permukaan kaca, air, atau media transparan lainnya. Ketika melewati medium, sinar dibiaskan, dan perjalanan selanjutnya ditunjukkan pada Gambar. satu .

Sebuah tegak lurus ditarik pada titik datang (atau, seperti yang mereka katakan, normal) ke permukaan medium. Balok, seperti sebelumnya, disebut balok insiden, dan sudut antara sinar datang dan garis normal adalah sudut datang. balok adalah sinar bias; sudut antara sinar bias dan garis normal permukaan disebut sudut bias.

Setiap media transparan dicirikan oleh kuantitas yang disebut Indeks bias lingkungan ini. Indeks bias berbagai media dapat ditemukan dalam tabel. Misalnya untuk gelas, dan untuk air. Secara umum, untuk lingkungan apa pun; indeks bias sama dengan satu hanya dalam ruang hampa. Di udara, oleh karena itu, untuk udara dengan akurasi yang cukup dapat diasumsikan dalam masalah (dalam optik, udara tidak jauh berbeda dari vakum).

Hukum pembiasan (transisi "udara-medium") .

1) Sinar datang, sinar bias dan garis normal permukaan yang ditarik pada titik datang terletak pada bidang yang sama.
2) Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan indeks bias medium:

. (1)

Karena dari hubungan (1) maka , yaitu - sudut bias lebih kecil dari sudut datang. Ingat: merambat dari udara ke medium, berkas sinar setelah dibiaskan mendekati garis normal.

Indeks bias berbanding lurus dengan kecepatan cahaya dalam medium tertentu. Kecepatan ini selalu lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa: . Dan ternyata

. (2)

Mengapa ini terjadi, kita akan mengerti ketika mempelajari optik gelombang. Sementara itu, mari kita gabungkan rumusnya. (1) dan (2) :

. (3)

Karena indeks bias udara sangat dekat dengan satu, kita dapat mengasumsikan bahwa kecepatan cahaya di udara kira-kira sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Mempertimbangkan hal ini dan melihat formulanya. (3) , kami menyimpulkan: perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan cepat rambat cahaya di udara dengan cepat rambat cahaya dalam medium.

Reversibilitas sinar cahaya.

Sekarang perhatikan arah sebaliknya dari sinar: pembiasannya selama transisi dari medium ke udara. Prinsip bermanfaat berikut akan membantu kita di sini.

Prinsip reversibilitas sinar cahaya. Lintasan berkas tidak bergantung pada apakah berkas merambat ke arah depan atau ke belakang. Bergerak ke arah yang berlawanan, balok akan mengikuti jalur yang sama persis seperti di arah depan.

Menurut prinsip reversibilitas, ketika melewati dari medium ke udara, berkas akan mengikuti lintasan yang sama seperti selama transisi yang sesuai dari udara ke medium (Gbr. 2) Satu-satunya perbedaan pada Gbr. 2 dari gambar. 1 adalah bahwa arah sinar telah berubah menjadi sebaliknya.

Karena gambar geometris tidak berubah, rumus (1) akan tetap sama: perbandingan sinus sudut dengan sinus sudut tetap sama dengan indeks bias medium. Benar, sekarang sudut telah berubah peran: sudut menjadi sudut datang, dan sudut menjadi sudut bias.

Bagaimanapun, tidak peduli bagaimana sinar itu pergi - dari udara ke lingkungan atau dari lingkungan ke udara - aturan sederhana berikut ini berfungsi. Kami mengambil dua sudut - sudut datang dan sudut bias; perbandingan sinus sudut yang lebih besar dengan sinus sudut yang lebih kecil sama dengan indeks bias medium.

Sekarang kita sepenuhnya siap untuk membahas hukum pembiasan dalam kasus yang paling umum.

Hukum pembiasan (kasus umum).

Biarkan cahaya merambat dari medium 1 dengan indeks bias ke medium 2 dengan indeks bias. Medium dengan indeks bias tinggi disebut lebih padat secara optik; Oleh karena itu, medium dengan indeks bias lebih rendah disebut kurang padat secara optik.

Lewat dari media optik kurang rapat ke optik lebih rapat, berkas cahaya setelah pembiasan mendekati normal (Gbr. 3). Dalam hal ini, sudut datang lebih besar dari sudut bias: .

Beras. 3.

Sebaliknya, ketika melewati dari media optik lebih rapat ke optik kurang rapat, berkas menyimpang lebih jauh dari normal (Gbr. 4). Di sini sudut datang lebih kecil dari sudut bias:

Beras. 4.

Ternyata kedua kasus ini dicakup oleh satu rumus - hukum umum pembiasan, berlaku untuk dua media transparan.

Hukum pembiasan.
1) Sinar datang, sinar bias dan garis normal ke antarmuka antara media, ditarik pada titik datang, terletak pada bidang yang sama.
2) Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan indeks bias medium kedua dengan indeks bias medium pertama:

. (4)

Mudah untuk melihat bahwa hukum pembiasan yang dirumuskan sebelumnya untuk transisi "udara-medium" adalah kasus khusus dari hukum ini. Memang, dengan asumsi dalam rumus (4) , kita akan sampai pada rumus (1) .

Ingat sekarang bahwa indeks bias adalah rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam media tertentu: . Substitusikan ini ke (4) , kita dapatkan:

. (5)

Formula (5) menggeneralisasikan formula (3) secara alami. Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan cepat rambat cahaya di medium pertama dengan cepat rambat cahaya di medium kedua.

refleksi internal total.

Ketika sinar cahaya berpindah dari media yang lebih rapat secara optik ke media yang kurang rapat secara optik, sebuah fenomena menarik diamati - lengkap refleksi internal. Mari kita lihat apa itu.

Mari kita asumsikan dengan pasti bahwa cahaya berpindah dari air ke udara. Mari kita asumsikan bahwa ada sumber cahaya titik di kedalaman reservoir, memancarkan sinar ke segala arah. Kami akan mempertimbangkan beberapa sinar ini (Gbr. 5).

Balok jatuh di permukaan air dengan sudut terkecil. Sinar ini sebagian dibiaskan (beam) dan sebagian dipantulkan kembali ke dalam air (beam). Dengan demikian, sebagian energi dari sinar datang ditransfer ke sinar bias, dan sisa energi ditransfer ke sinar yang dipantulkan.

Sudut datang balok lebih besar. Sinar ini juga dibagi menjadi dua sinar - dibiaskan dan dipantulkan. Tetapi energi sinar asli didistribusikan di antara mereka dengan cara yang berbeda: sinar yang dibiaskan akan lebih redup daripada sinar (yaitu, ia akan menerima bagian energi yang lebih kecil), dan sinar yang dipantulkan akan lebih terang daripada sinar. balok (itu akan menerima bagian energi yang lebih besar).

Ketika sudut datang meningkat, keteraturan yang sama dapat dilacak: bagian yang meningkat dari energi sinar datang ke sinar yang dipantulkan, dan bagian yang lebih kecil ke sinar yang dibiaskan. Sinar yang dibiaskan menjadi redup dan redup, dan pada titik tertentu ia menghilang sepenuhnya!

Hilangnya ini terjadi ketika sudut datang tercapai, yang sesuai dengan sudut bias. Dalam situasi ini, sinar yang dibiaskan harus sejajar dengan permukaan air, tetapi tidak ada yang pergi - semua energi sinar datang sepenuhnya ke sinar yang dipantulkan.

Dengan peningkatan lebih lanjut dalam sudut datang, sinar yang dibiaskan bahkan tidak akan ada.

Fenomena yang digambarkan adalah refleksi internal total. Air tidak memancarkan sinar keluar dengan sudut datang sama dengan atau lebih besar dari nilai tertentu - semua sinar tersebut seluruhnya dipantulkan kembali ke dalam air. Sudut disebut membatasi sudut refleksi total.

Nilainya mudah ditemukan dari hukum pembiasan. Kita punya:

Tapi, oleh karena itu

Jadi, untuk air, sudut batas pantul total sama dengan:

Anda dapat dengan mudah mengamati fenomena refleksi internal total di rumah. Tuang air ke dalam gelas, angkat dan lihat permukaan air sedikit dari bawah melalui dinding gelas. Anda akan melihat kilau keperakan di permukaan - karena refleksi internal total, ia berperilaku seperti cermin.

Aplikasi teknis yang paling penting dari refleksi internal total adalah serat optik. Berkas cahaya diluncurkan ke kabel serat optik ( panduan cahaya) hampir sejajar dengan sumbunya, jatuh di permukaan dengan sudut besar dan sepenuhnya, tanpa kehilangan energi, dipantulkan kembali ke dalam kabel. Berulang kali dipantulkan, sinar semakin jauh, mentransfer energi melalui jarak yang cukup jauh. Komunikasi serat optik digunakan, misalnya, dalam jaringan televisi kabel dan akses Internet berkecepatan tinggi.

Sebuah eksperimen dijelaskan dalam salah satu risalah Yunani kuno: “Anda harus berdiri sehingga cincin datar yang terletak di bagian bawah kapal tersembunyi di balik tepinya. Kemudian, tanpa mengubah posisi mata, tuangkan air ke dalam wadah. Cahaya akan dibiaskan di permukaan air, dan cincin itu akan terlihat." Anda dapat menunjukkan “trik” ini kepada teman Anda sekarang (lihat Gambar 12.1), tetapi Anda akan dapat menjelaskannya hanya setelah mempelajari paragraf ini.

Beras. 12.1. "Fokus" dengan koin. Jika tidak ada air di dalam cangkir, kita tidak melihat uang logam tergeletak di dasarnya (a); jika Anda menuangkan air, bagian bawah cangkir tampak naik dan koin menjadi terlihat (b)

Menetapkan hukum pembiasan cahaya

Mari kita arahkan seberkas cahaya sempit ke permukaan datar setengah silinder kaca transparan yang dipasang pada mesin cuci optik.

Cahaya tidak hanya akan dipantulkan dari permukaan setengah silinder, tetapi juga sebagian akan melewati kaca. Ini berarti bahwa ketika melewati dari udara ke kaca, arah perambatan cahaya berubah (Gbr. 12.2).

Perubahan arah rambat cahaya pada antarmuka antara dua media disebut pembiasan cahaya.

Sudut (gamma), yang dibentuk oleh sinar bias dan tegak lurus terhadap antarmuka antara dua media, yang ditarik melalui titik datang sinar, disebut sudut bias.

Setelah melakukan serangkaian percobaan dengan pencuci optik, kami mencatat bahwa dengan peningkatan sudut datang, sudut bias juga meningkat, dan dengan penurunan sudut datang, sudut bias berkurang (Gbr. 12.3) . Jika cahaya jatuh tegak lurus pada antarmuka antara dua media (sudut datang = 0), arah rambat cahaya tidak berubah.

Penyebutan pembiasan cahaya pertama dapat ditemukan dalam tulisan-tulisan filsuf Yunani kuno Aristoteles (abad ke-4 SM), yang mengajukan pertanyaan: "Mengapa tongkat tampak patah di dalam air?" Tetapi hukum yang menjelaskan pembiasan cahaya secara kuantitatif baru ditetapkan pada tahun 1621 oleh ilmuwan Belanda Willebrord Snellius (1580-1626).

Hukum pembiasan cahaya:

2. Rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias untuk dua media yang diberikan adalah nilai konstan:

di mana n 2 1 adalah besaran fisika, yang disebut indeks bias relatif medium. 2 (medium di mana cahaya merambat setelah pembiasan) terhadap medium 1 (medium dari mana cahaya datang).

Kami belajar tentang alasan pembiasan cahaya

Jadi mengapa cahaya, yang berpindah dari satu medium ke medium lainnya, berubah arah?

Faktanya adalah bahwa cahaya bergerak dengan kecepatan yang berbeda di media yang berbeda, tetapi selalu lebih lambat daripada di ruang hampa. Misalnya, dalam air kecepatan cahaya 1,33 kali lebih kecil daripada di ruang hampa; ketika cahaya berpindah dari air ke kaca, kecepatannya berkurang 1,3 kali lagi; di udara, kecepatan rambat cahaya 1,7 kali lebih besar daripada di kaca, dan hanya sedikit lebih kecil (sekitar 1.0003 kali) daripada di ruang hampa.

Ini adalah perubahan dalam kecepatan rambat cahaya selama transisi dari satu media transparan ke yang lain yang menyebabkan pembiasan cahaya.

Merupakan kebiasaan untuk berbicara tentang kerapatan optik medium: semakin rendah kecepatan rambat cahaya dalam medium (semakin besar indeks bias), semakin besar kerapatan optik medium.

Bagaimana menurut Anda, kepadatan optik media mana yang lebih besar - air atau kaca? Kepadatan optik media mana yang lebih kecil - kaca atau udara?

Mencari tahu arti fisik dari indeks bias

Indeks bias relatif (n 2 1) menunjukkan berapa kali kecepatan cahaya di medium 1 lebih besar (atau lebih kecil) dari kecepatan cahaya di medium 2:

Mengingat hukum kedua pembiasan cahaya:

Setelah menganalisis rumus terakhir, kami menyimpulkan:

1) semakin banyak perubahan kecepatan rambat cahaya pada antarmuka antara dua media, semakin banyak cahaya yang dibiaskan;

2) jika berkas cahaya melewati media dengan kerapatan optik yang lebih tinggi (yaitu, kecepatan cahaya berkurang: v 2< v 1), то угол преломления меньше угла падения: γ<α (см., например, рис. 12.2, 12.3);

3) jika seberkas cahaya melewati media dengan kerapatan optik yang lebih rendah (yaitu, kecepatan cahaya meningkat: v 2\u003e v 1), maka sudut bias lebih besar dari sudut datang: \u003e a (Gbr. 12.4).

Biasanya, kecepatan rambat cahaya dalam medium dibandingkan dengan kecepatan rambatnya dalam ruang hampa. Ketika cahaya memasuki medium dari ruang hampa, indeks bias n disebut indeks bias absolut.

Indeks bias mutlak menunjukkan berapa kali kecepatan rambat cahaya dalam medium lebih kecil daripada di ruang hampa:

di mana c adalah kecepatan rambat cahaya dalam ruang hampa (c=3 10 8 m/s); v adalah kecepatan rambat cahaya dalam medium.

Nasi. 12.4. Ketika cahaya merambat dari medium dengan kerapatan optik lebih tinggi ke media dengan kerapatan optik lebih rendah, sudut bias lebih besar dari sudut datang (γ>α)

Kecepatan cahaya dalam ruang hampa lebih besar daripada di media apa pun, sehingga indeks bias mutlak selalu lebih besar dari satu (lihat tabel).

Beras. 12.5. Jika cahaya masuk dari kaca ke udara, maka ketika sudut datang meningkat, sudut bias mendekati 90 °, dan kecerahan sinar bias berkurang.

Mempertimbangkan transisi cahaya dari udara ke medium, kita mengasumsikan bahwa indeks bias relatif medium sama dengan indeks bias absolut.

Fenomena pembiasan cahaya digunakan dalam pengoperasian banyak perangkat optik. Anda akan belajar tentang beberapa dari mereka nanti.

Kami menggunakan fenomena refleksi internal total cahaya

Pertimbangkan kasus ketika cahaya berpindah dari media dengan kerapatan optik yang lebih tinggi ke media dengan kerapatan optik yang lebih rendah (Gbr. 12.5). Kita melihat bahwa dengan peningkatan sudut datang (α 2 > «ι), sudut bias mendekati 90 °, kecerahan sinar bias berkurang, dan kecerahan sinar pantul, sebaliknya, meningkat. Jelas bahwa jika kita terus meningkatkan sudut datang, maka sudut bias akan mencapai 90°, sinar bias akan hilang, dan sinar datang akan sepenuhnya (tanpa kehilangan energi) kembali ke medium pertama - cahaya akan sepenuhnya tercermin.

Fenomena di mana tidak ada pembiasan cahaya (cahaya dipantulkan sepenuhnya dari media dengan kerapatan optik yang lebih rendah) disebut pemantulan internal total cahaya.

Fenomena pemantulan internal total cahaya diketahui oleh mereka yang berenang di bawah air dengan mata terbuka (Gbr. 12.6).

Nasi. 12.6. Bagi pengamat di bawah air, sebagian permukaan air tampak mengkilat, seperti cermin.

Perhiasan telah menggunakan fenomena refleksi internal total selama berabad-abad untuk meningkatkan daya tarik batu permata. Batu alam dipotong - mereka diberi bentuk polihedron: tepi batu bertindak sebagai "cermin internal", dan batu "bermain" dalam sinar cahaya yang jatuh di atasnya.

Refleksi internal total banyak digunakan dalam teknologi optik (Gbr. 12.7). Namun aplikasi utama dari fenomena ini terkait dengan serat optik. Jika seberkas cahaya diarahkan ke ujung tabung "kaca" tipis yang padat, setelah pemantulan berulang kali, cahaya akan keluar di ujung yang berlawanan, terlepas dari apakah tabung itu melengkung atau lurus. Tabung seperti itu disebut pemandu cahaya (Gbr. 12.8).

Panduan cahaya digunakan dalam kedokteran untuk mempelajari organ dalam (endoskopi); dalam teknologi, khususnya, untuk mendeteksi malfungsi di dalam mesin tanpa membongkarnya; untuk penerangan di dalam ruangan dengan sinar matahari, dll. (Gbr. 12.9).

Tetapi paling sering, pemandu cahaya digunakan sebagai kabel untuk mentransmisikan informasi (Gbr. 12.10). "Kabel kaca" jauh lebih murah dan lebih ringan daripada tembaga, praktis tidak mengubah sifatnya di bawah pengaruh lingkungan, memungkinkan Anda untuk mengirimkan sinyal jarak jauh tanpa amplifikasi. Saat ini, jalur komunikasi serat optik dengan cepat menggantikan jalur komunikasi tradisional. Saat Anda menonton TV atau menjelajahi Internet, ingatlah bahwa sebagian besar sinyal bergerak di sepanjang jalan kaca.

Belajar memecahkan masalah Tugas. Berkas cahaya melewati dari medium 1 ke medium 2 (Gbr. 12.11, a). Kecepatan rambat cahaya dalam medium 1 adalah 2,4 · 10 8 m/s. Tentukan indeks bias mutlak medium 2 dan cepat rambat cahaya di medium 2.

Analisis masalah fisik

Dari gambar. 12.11, tetapi kita melihat bahwa cahaya dibiaskan pada antarmuka antara dua media, yang berarti bahwa kecepatan rambatnya berubah.

Mari kita membuat gambar penjelasan (Gbr. 12.11, b), di mana:

1) menggambarkan sinar yang diberikan dalam kondisi masalah;

2) mari kita menggambar tegak lurus pada antarmuka antara dua media melalui titik datang berkas;

3) misalkan menyatakan sudut datang dan sudut bias.

Indeks bias absolut adalah indeks bias relatif terhadap vakum. Oleh karena itu, untuk memecahkan masalah tersebut, kita harus mengingat nilai kecepatan rambat cahaya dalam ruang hampa dan menemukan kecepatan rambat cahaya dalam medium 2 (v 2).

Untuk mencari v 2 , kita tentukan sinus sudut datang dan sinus sudut bias.

Analisis solusi. Sesuai dengan kondisi soal, sudut datang lebih besar dari sudut bias, dan ini berarti bahwa kecepatan cahaya di medium 2 lebih kecil dari kecepatan cahaya di medium 1. Oleh karena itu, hasil yang diperoleh adalah nyata.

Menyimpulkan

Berkas cahaya, yang datang pada antarmuka antara dua media, dibagi menjadi dua berkas. Salah satunya - dipantulkan - dipantulkan dari permukaan, mematuhi hukum pemantulan cahaya. Yang kedua - dibiaskan - masuk ke media kedua, mengubah arahnya.

Hukum pembiasan cahaya:

1. Sinar datang, sinar bias dan tegak lurus antarmuka antara dua media, ditarik melalui titik datang sinar, terletak pada bidang yang sama.

2. Untuk dua media yang diberikan, rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan:

Penyebab terjadinya pembiasan cahaya adalah perubahan kecepatan rambatnya ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Indeks bias relatif n 2 i menunjukkan berapa kali kecepatan cahaya dalam medium 1 lebih besar (atau kurang) dari kecepatan cahaya

di lingkungan 2:

Ketika cahaya memasuki medium dari ruang hampa, indeks bias n disebut indeks bias absolut: n = c / v.

Jika selama peralihan cahaya dari medium 1 ke medium 2 kecepatan rambat cahaya berkurang (yaitu indeks bias medium 2 lebih besar dari indeks bias medium 1: n 2 > n 1), maka dikatakan bahwa cahaya telah berpindah dari media dengan kerapatan optik yang lebih rendah ke media dengan kerapatan optik yang lebih tinggi (dan sebaliknya).

pertanyaan tes

1. Percobaan apa yang mengkonfirmasi fenomena pembiasan cahaya pada antarmuka antara dua media? 2. Merumuskan hukum-hukum pembiasan cahaya. 3. Apa penyebab terjadinya pembiasan cahaya? 4. Apa yang ditunjukkan oleh indeks bias cahaya? 5. Bagaimana kecepatan rambat cahaya terkait dengan kerapatan optik medium? 6. Tentukan indeks bias mutlak.

Latihan nomor 12

1. Pindahkan fotonya. 1 di buku catatan. Dengan asumsi bahwa medium 1 memiliki kerapatan optik yang lebih tinggi daripada medium 2, untuk setiap kasus, secara skematis bangun sinar datang (atau dibiaskan), tentukan sudut datang dan sudut bias.

2. Hitung kecepatan rambat cahaya dalam berlian; air; udara.

3. Seberkas cahaya jatuh dari udara ke dalam air dengan sudut 60°. Sudut antara sinar pantul dan sinar bias adalah 80°. Hitung sudut bias sinar tersebut.

4. Ketika kita, berdiri di tepi waduk, mencoba menentukan kedalamannya dengan mata, selalu tampak lebih kecil dari yang sebenarnya. Menggunakan Gambar. 2, jelaskan mengapa demikian.

5. Berapa lama waktu yang dibutuhkan cahaya untuk merambat dari dasar danau sedalam 900 m ke permukaan air?

6. Jelaskan “trik” dengan cincin (koin) yang dijelaskan di awal 12 (lihat Gambar 12.1).

7. Berkas cahaya melewati dari medium 1 ke medium 2 (Gbr. 3). Kecepatan rambat cahaya dalam medium 1 adalah 2,5 · 10 8 m/s. Mendefinisikan:

1) media apa yang memiliki kerapatan optik tinggi;

2) indeks bias medium 2 relatif terhadap medium 1;

3) kecepatan rambat cahaya pada medium 2;

4) indeks bias mutlak masing-masing medium.

8. Akibat pembiasan cahaya di atmosfer Bumi adalah munculnya fatamorgana, serta fakta bahwa kita melihat Matahari dan bintang-bintang sedikit lebih tinggi dari posisi sebenarnya. Gunakan sumber informasi tambahan dan pelajari lebih lanjut tentang fenomena alam ini.

tugas eksperimental

1. "Trik dengan koin." Peragakan kepada salah satu teman atau kerabat Anda pengalaman menggunakan koin (lihat Gambar 12.1) dan jelaskan.

2. "Cermin air". Amati pemantulan total cahaya. Untuk melakukan ini, isi gelas sekitar setengah dengan air. Celupkan benda ke dalam gelas, seperti badan pena plastik, sebaiknya dengan tulisan. Pegang gelas di tangan Anda, letakkan pada jarak sekitar 25-30 cm dari mata (lihat gambar). Selama percobaan, Anda harus memperhatikan tubuh pena.

Pada awalnya, ketika Anda melihat ke atas, Anda akan melihat seluruh tubuh pena (baik bagian bawah air maupun permukaan). Perlahan pindahkan gelas menjauh dari Anda tanpa mengubah ketinggiannya.

Ketika kaca cukup jauh dari mata Anda, permukaan air akan menjadi cermin bagi Anda - Anda akan melihat bayangan cermin dari bagian bawah air dari badan pena.

Menjelaskan fenomena yang diamati.

laboratorium #4

Subjek. Studi tentang pembiasan cahaya.

Tujuan: untuk menentukan indeks bias kaca relatif terhadap udara.

Peralatan: piring kaca dengan tepi sejajar, pensil, kotak dengan skala milimeter, kompas.

INSTRUKSI UNTUK BEKERJA

Persiapan percobaan

1. Sebelum melakukan pekerjaan, ingatlah:

1) persyaratan keselamatan saat bekerja dengan benda kaca;

2) hukum pembiasan cahaya;

3) rumus untuk menentukan indeks bias.

2. Siapkan gambar untuk pekerjaan (lihat Gambar 1). Untuk ini:

1) letakkan piring kaca di halaman buku catatan dan buat garis besar garis piring dengan pensil tajam;

2) pada segmen yang sesuai dengan posisi muka bias atas pelat:

Tandai titik O;

Gambar garis lurus k melalui titik O, tegak lurus terhadap segmen yang diberikan;

Dengan menggunakan kompas, buat lingkaran dengan jari-jari 2,5 cm yang berpusat di titik O;

3) pada sudut kira-kira 45 °, menggambar sinar yang akan mengatur arah datangnya berkas cahaya di titik O; tandai titik potong sinar dan lingkaran dengan huruf A;

4) ulangi langkah-langkah yang dijelaskan dalam paragraf 1-3 dua kali lagi (lakukan dua gambar lagi), pertama-tama naikkan dan kemudian turunkan sudut datang berkas cahaya yang ditentukan.

Percobaan

Ikuti instruksi keselamatan dengan ketat (lihat selebaran buku teks).

1. Tempatkan piring kaca pada kontur pertama.

2. Melihat berkas AO melalui kaca, tempatkan titik M di bagian bawah pelat sehingga seolah-olah berada pada sambungan berkas AO (Gbr. 2).

3. Ulangi langkah 1 dan 2 untuk dua sirkuit lagi.

Mengolah hasil percobaan

Catat segera hasil pengukuran dan perhitungan dalam tabel.

Untuk setiap percobaan (lihat Gambar 3):

1) melewatkan sinar bias OM;

2) mencari titik potong sinar OM dengan lingkaran (titik B);

3) dari titik A dan B, turunkan tegak lurus ke garis k, ukur panjang a dan b dari segmen yang diperoleh dan jari-jari lingkaran r;

4) tentukan indeks bias kaca relatif terhadap udara:

Analisis percobaan dan hasilnya

Analisis percobaan dan hasilnya. Rumuskan kesimpulan yang menunjukkan: 1) besaran fisis apa yang Anda tentukan; 2) apa hasil yang Anda dapatkan; 3) apakah nilai nilai yang diperoleh tergantung pada sudut datang cahaya; 4) apa alasan untuk kemungkinan kesalahan percobaan.

tugas kreatif

Menggunakan Gambar. 4, pikirkan dan tuliskan rencana untuk melakukan percobaan untuk menentukan indeks bias air relatif terhadap udara. Eksperimen jika memungkinkan.

Tugas "dengan tanda bintang"

di mana p meas adalah nilai indeks bias kaca relatif terhadap udara yang diperoleh selama percobaan; n adalah nilai tabular indeks bias mutlak kaca dari mana pelat dibuat (periksa dengan guru).

Ini adalah bahan buku pelajaran.

1308. Apakah mungkin sebuah sinar melewati antarmuka antara dua media yang berbeda tanpa dibiaskan? Jika ya, dalam kondisi apa?
Ya. Tunduk pada jatuh vertikal pada antarmuka antara dua media yang berbeda.

1309. Berapa kecepatan cahaya:
a) di dalam air
b) dalam gelas
c) dalam berlian?

1310. Hitung indeks bias kaca relatif terhadap air ketika seberkas cahaya dilewatkan dari air ke kaca.

1311. Gambar 161 menunjukkan balok yang berjalan miring ke tepi pelat kaca, dan kemudian keluar ke udara. Gambarlah lintasan sinar di udara.

1312. Gambar 162 menunjukkan sinar yang jatuh dari udara ke tepi pelat kaca, melewatinya dan keluar ke udara. Gambarlah jalur balok.

1313. Seberkas sinar dari udara menuju medium A (Gbr. 163). Tentukan indeks bias medium A.

1314. Densitas optik udara meningkat dengan pendekatan ke permukaan bumi. Bagaimana ini akan mempengaruhi jalur sinar memasuki atmosfer:
a) vertikal
b) miring?
A) untuk sinar yang memasuki atmosfer secara vertikal, kecepatannya akan berkurang
B) untuk sinar yang memasuki atmosfer secara miring, kecepatannya akan berkurang dan lintasannya akan bengkok.

1315. Ketika Anda melihat melalui kaca tebal, benda-benda tampak bagi Anda untuk dipindahkan. Mengapa?
Karena ketika melewati kaca, sinar cahaya dibiaskan. Sehingga mengubah arahnya.

1316. Mengapa planet-planet di langit bersinar dengan cahaya yang stabil, sedangkan bintang-bintang berkelap-kelip?

1317. Bulan berbentuk bola, tetapi bagi kita dari Bumi permukaannya tampak datar, tidak cembung. Mengapa?

1318. Ketika kita melihat ke bawah melalui air ke dasar reservoir, tampaknya lebih dekat daripada yang sebenarnya. Mengapa?
Karena cahaya dibiaskan saat melewati antarmuka air-udara. Dan bagian bawah tampak lebih dekat daripada yang sebenarnya.

1319*. Baca edisi sebelumnya. Tentukan berapa kali kedalaman sebenarnya lebih besar dari yang tampak.

1320*. Batu itu terletak di dasar sungai pada kedalaman 2 m (Gbr. 164). Jika Anda melihatnya dari atas, lalu pada kedalaman apa ia akan tampak bagi kita?

1321. Sebuah batang lurus diturunkan ke dalam air (Gbr. 165). Pengamat melihat ke bawah. Bagaimana ujung tongkat itu akan terlihat baginya?

Batang di bawah air akan tampak lebih dekat daripada yang sebenarnya. Karena pembiasan sinar pada batas air-udara.

1322. Ada sebuah prisma kaca berongga yang berisi udara di dalam air. Gambarlah arah datangnya sinar pada salah satu muka pembiasan prisma tersebut. Apakah mungkin untuk mengatakan bahwa prisma seperti itu dua kali membelokkan sinar cahaya yang melewatinya ke alas?
Ketika balok lewat dari air ke udara, balok menyimpang ke atas secara horizontal, karena sudut bias di udara lebih besar dari sudut datang di air. Setelah melewati prisma, balok jatuh pada antarmuka udara-air. Kemudian dibiaskan, menyimpang sedikit lebih ke atas.

1323. Indeks bias air 1,33, terpentin 1,51. Tentukan indeks bias terpentin terhadap air.

1325. Tentukan cepat rambat cahaya pada berlian yang indeks biasnya 2,4.

1326. Gambarlah lintasan sinar ketika melintas dari kaca ke udara, jika sudut datangnya 45 °, dan indeks bias kaca adalah 1,72.

1327. Temukan sudut pembatas total refleksi internal untuk garam batu (n=1,54).

1328. Tentukan perpindahan balok ketika melewati pelat kaca yang sejajar bidang dengan ketebalan d=3 cm, jika balok jatuh dengan sudut 60°. Indeks bias kaca n=1,51.

1329. Tentukan posisi bayangan suatu benda yang terletak pada jarak 4 cm dari permukaan depan sebuah pelat datar yang sejajar setebal 1 cm, sisi belakangnya berwarna perak, dengan asumsi indeks bias zat pelat tersebut adalah 1.51.

1330. Sebuah pelat kaca tebal dicelupkan seluruhnya ke dalam air. Gambarlah perjalanan sinar dari udara melalui air dan piring. (Kaca adalah media optik lebih padat dari air).

1331. Terkadang objek yang kita amati melalui jendela tampak melengkung. Mengapa?
Karena kaca tidak rata sempurna dan halus. Ini karena distribusi bidang optik kaca yang tidak seragam.

1332. Gambar 166 menunjukkan sumber cahaya titik S yang terletak di depan prisma trihedral. Jika Anda melihat S melalui prisma, maka di tempat apa titik ini akan muncul kepada kita? Gambarlah arah sinar.

1333. Seberkas cahaya datang tegak lurus ke salah satu permukaan kaca prisma segitiga segi empat (Gbr. 167). Gambarlah lintasan balok melalui prisma.

REFRAKSI CAHAYA SELAMA TRANSISI DARI AIR KE UDARA

Sebatang tongkat yang dicelupkan ke dalam air, sendok di dalam segelas teh, karena pembiasan cahaya di permukaan air, bagi kita tampak dibiaskan.

Tempatkan koin di bagian bawah wadah buram agar tidak terlihat. Sekarang tuangkan air ke dalam wadah. Koin akan terlihat. Penjelasan dari fenomena ini jelas dari video.

Lihatlah dasar kolam dan coba perkirakan kedalamannya. Sebagian besar waktu, itu tidak bekerja dengan benar.

Mari kita telusuri lebih detail bagaimana dan seberapa besar kedalaman reservoir yang menurut kita berkurang jika kita melihatnya dari atas.

Misalkan H (Gbr. 17) adalah kedalaman reservoir yang sebenarnya, yang di dasarnya terletak benda kecil, seperti kerikil. Cahaya yang dipantulkan olehnya menyebar ke segala arah. Seberkas sinar tertentu jatuh di permukaan air di titik O dari bawah dengan sudut a 1 , dibiaskan di permukaan dan masuk ke mata. Menurut hukum pembiasan, kita dapat menulis:

tetapi karena n 2 \u003d 1, maka n 1 sin a 1 \u003d sin 1.

Sinar bias masuk ke mata di titik B. Perhatikan bahwa tidak satu sinar masuk ke mata, tetapi seberkas sinar, yang penampangnya dibatasi oleh pupil mata.

Pada Gambar 17, balok ditampilkan sebagai garis tipis. Namun, balok ini sempit, dan kita dapat mengabaikan penampang melintangnya, dengan mengambilnya sebagai garis AOB.

Mata memproyeksikan A ke titik A 1, dan kedalaman reservoir bagi kita tampaknya sama dengan h.

Dapat dilihat dari gambar bahwa kedalaman semu reservoir h tergantung pada nilai sebenarnya dari H dan pada sudut pengamatan 1 .

Mari kita nyatakan ketergantungan ini secara matematis.

Dari segitiga AOC dan A 1 OS kita memiliki:

Mengecualikan OS dari persamaan ini, kita mendapatkan:

Mengingat bahwa a \u003d 1 dan sin 1 \u003d n 1 sin a 1 \u003d n sin a, kita mendapatkan:

Dalam rumus ini, ketergantungan kedalaman semu reservoir h pada kedalaman sebenarnya H dan sudut pengamatan tidak muncul secara eksplisit. Untuk representasi yang lebih jelas dari ketergantungan ini, mari kita nyatakan secara grafis.

Pada grafik (Gbr. 18), di sepanjang sumbu absis, nilai sudut pengamatan diplot dalam derajat, dan di sepanjang sumbu ordinat, kedalaman nyata yang sesuai dengannya h dalam fraksi dari kedalaman aktual H. Hasil yang dihasilkan kurva menunjukkan bahwa pada sudut pandang kecil, kedalaman tampak

adalah sekitar dari nilai sebenarnya dan menurun seiring dengan meningkatnya sudut pandang. Pada sudut pengamatan a = 47°, terjadi pemantulan internal total dan sinar tidak dapat lepas dari air.

MIrage

Dalam medium yang tidak homogen, cahaya tidak merambat dalam garis lurus. Jika kita membayangkan medium di mana indeks bias berubah dari bawah ke atas, dan secara mental membaginya menjadi lapisan horizontal tipis,

kemudian, dengan mempertimbangkan kondisi pembiasan cahaya selama transisi dari lapisan ke lapisan, kami mencatat bahwa dalam media seperti itu berkas cahaya harus secara bertahap mengubah arahnya (Gbr. 19, 20).

Kelengkungan berkas cahaya seperti itu terjadi di atmosfer, di mana, karena satu dan lain alasan, terutama karena pemanasannya yang tidak merata, indeks bias udara berubah dengan ketinggian (Gbr. 21).

Udara biasanya dipanaskan oleh tanah, yang menyerap energi sinar matahari. Oleh karena itu, suhu udara menurun dengan ketinggian. Diketahui juga bahwa kerapatan udara berkurang dengan ketinggian. Telah ditetapkan bahwa dengan bertambahnya ketinggian, indeks bias menurun, sehingga sinar yang melewati atmosfer dibelokkan, ditekuk ke bawah ke Bumi (Gbr. 21). Fenomena ini disebut pembiasan atmosfer normal. Karena pembiasan, benda-benda langit tampak bagi kita agak "diangkat" (di atas ketinggian sebenarnya) di atas cakrawala.

Dihitung bahwa pembiasan atmosfer "meningkatkan" objek pada ketinggian 30° kali 1"40", pada ketinggian 15° - kali 3"30", pada ketinggian 5° - kali 9"45". Untuk benda-benda di cakrawala, nilai ini mencapai 35 ". Angka-angka ini menyimpang ke satu arah atau lainnya tergantung pada tekanan dan suhu atmosfer. Namun, karena satu dan lain alasan, massa udara dengan suhu lebih tinggi dari lapisan bawah. Mereka dapat dibawa oleh angin dari negara-negara panas, misalnya dari daerah gurun yang panas.Jika saat ini udara antisiklon yang dingin dan padat berada di lapisan bawah, maka fenomena pembiasan dapat meningkat secara signifikan dan sinar cahaya datang dari objek terestrial ke atas pada sudut tertentu ke cakrawala, mereka dapat kembali ke tanah (Gbr. 22).

Namun, mungkin saja terjadi bahwa di permukaan bumi, karena pemanasannya yang kuat, udara menjadi sangat panas sehingga indeks bias cahaya di dekat tanah menjadi kurang dari pada ketinggian tertentu di atas tanah. Jika pada saat yang sama ada cuaca yang tenang, maka kondisi ini dapat bertahan cukup lama. Kemudian sinar dari objek yang jatuh pada sudut yang agak besar ke permukaan bumi dapat ditekuk sedemikian rupa sehingga, setelah menggambarkan busur di dekat permukaan bumi, mereka akan pergi dari bawah ke atas (Gbr. 23a). Kasus yang ditunjukkan pada Gambar 236 juga dimungkinkan.

Keadaan yang dijelaskan di atas di atmosfer menjelaskan terjadinya fenomena menarik - fatamorgana atmosfer. Fenomena ini biasanya dibagi menjadi tiga kelas. Kelas pertama termasuk yang paling umum dan sederhana asalnya, yang disebut fatamorgana danau (atau lebih rendah), yang menyebabkan begitu banyak harapan dan kekecewaan di antara para pelancong gurun.

Ahli matematika Prancis Gaspard Monge, yang berpartisipasi dalam kampanye Mesir tahun 1798, menggambarkan kesannya tentang kelas fatamorgana ini sebagai berikut:

“Ketika permukaan Bumi sangat panas oleh Matahari dan baru mulai mendingin sebelum senja, medan yang dikenal tidak lagi meluas ke cakrawala, seperti pada siang hari, tetapi berlalu, seperti yang terlihat, sekitar satu liga menjadi banjir terus menerus.

Desa-desa yang lebih jauh terlihat seperti pulau-pulau di danau yang luas. Di bawah setiap desa ada pantulannya yang terbalik, hanya saja tidak tajam, detail-detail kecil tidak terlihat, seperti pantulan di air yang diayunkan angin. Jika Anda mulai mendekati sebuah desa yang tampaknya dikelilingi oleh banjir, tepian air imajiner bergerak menjauh, cabang air yang memisahkan kami dari desa secara bertahap menyempit hingga menghilang sepenuhnya, dan danau ... sekarang dimulai di belakang ini desa, mencerminkan desa-desa yang terletak lebih jauh” (Gbr. 24).

Penjelasan untuk fenomena ini sederhana. Lapisan udara yang lebih rendah, yang dihangatkan oleh tanah, belum sempat naik; indeks bias mereka kurang dari yang atas. Oleh karena itu, sinar cahaya yang memancar dari benda-benda (misalnya, dari titik B pada pohon palem, Gambar 23a), membelok di udara, masuk ke mata dari bawah. Mata memproyeksikan sinar ke titik B 1 . Hal yang sama terjadi dengan sinar yang datang dari titik lain dari objek. Benda itu bagi pengamat tampak terbalik.

Dari mana airnya? Air adalah refleksi dari langit.

Untuk melihat fatamorgana, tidak perlu pergi ke Afrika. Ini dapat diamati pada hari musim panas yang panas dan tenang dan di atas permukaan jalan raya aspal yang panas.

Fatamorgana kelas kedua disebut fatamorgana penglihatan superior atau jauh. "Keajaiban yang belum pernah terjadi sebelumnya" yang dijelaskan oleh N.V. Gogol paling mirip dengan mereka. Kami memberikan deskripsi dari beberapa fatamorgana tersebut.

Dari Cote d'Azur Prancis, di pagi hari yang cerah, dari perairan Laut Mediterania, dari cakrawala, rantai pegunungan yang gelap naik, di mana penduduk mengenali Corsica. Jarak ke Corsica lebih dari 200 km, jadi garis pandang tidak mungkin.

Di pantai Inggris, dekat Hastings, orang dapat melihat pantai Prancis. Seperti yang dilaporkan oleh naturalis Niedige, “dekat Reggio di Calabria, di seberang pantai Sisilia dan kota Messina, seluruh area yang tidak dikenal dengan kawanan penggembalaan, hutan cemara, dan kastil terkadang terlihat di udara. Setelah tinggal di udara untuk waktu yang singkat, fatamorgana menghilang.

Fatamorgana penglihatan jauh muncul jika lapisan atas atmosfer menjadi sangat langka karena suatu alasan, misalnya, ketika udara panas tiba di sana. Kemudian sinar yang berasal dari objek terestrial ditekuk lebih kuat dan mencapai permukaan bumi, dengan sudut besar ke cakrawala. Mata pengamat memproyeksikan mereka ke arah di mana mereka memasukinya.

Rupanya, dalam hal itu sejumlah besar fatamorgana penglihatan jauh diamati di pantai Laut Mediterania, gurun Sahara yang harus disalahkan. Massa udara panas naik di atasnya, kemudian terbawa ke utara dan menciptakan kondisi yang menguntungkan untuk terjadinya fatamorgana.

Fatamorgana superior juga diamati di negara-negara utara ketika angin selatan yang hangat bertiup. Lapisan atas atmosfer dipanaskan, dan lapisan bawah didinginkan karena adanya massa besar es dan salju yang mencair.

Terkadang gambar objek langsung dan terbalik diamati. Gambar 25-27 menunjukkan dengan tepat fenomena yang diamati di garis lintang Arktik. Rupanya, di atas Bumi ada lapisan udara yang lebih padat dan lebih tipis secara bergantian, yang membelokkan sinar cahaya kira-kira seperti yang ditunjukkan pada Gambar 26.

Fatamorgana kelas ketiga - penglihatan ultra-panjang - sulit dijelaskan. Mari kita uraikan beberapa di antaranya.

“Berdasarkan kesaksian beberapa orang yang dapat dipercaya,” tulis K. Flamarion dalam buku “Atmosphere”, “Saya dapat melaporkan sebuah fatamorgana yang terlihat di kota Verviers (Belgia) pada bulan Juni 1815. Suatu pagi, penduduk kota melihat tentara di langit, dan sangat jelas bahwa mereka bisa melihat pakaian artileri, meriam dengan roda patah yang akan jatuh ... Saat itu pagi hari Pertempuran Waterloo! Jarak antara Waterloo dan Verviers dalam garis lurus adalah 105 km.

Ada kasus-kasus ketika fatamorgana diamati pada jarak 800, 1000 kilometer atau lebih.

Ini kasus luar biasa lainnya. Pada malam 27 Maret 1898, di tengah Samudra Pasifik, awak kapal Bremen Matador ditakuti oleh sebuah penglihatan. Sekitar tengah malam, kru melihat sebuah kapal sekitar dua mil (3,2 km) jauhnya, yang sedang berjuang melawan badai hebat.

Ini lebih mengejutkan karena lingkungan sekitarnya tenang. Kapal melintasi jalur Matador, dan ada saat-saat ketika tampaknya tabrakan kapal tak terhindarkan ... Awak Matador melihat bagaimana, selama satu pukulan kuat gelombang terhadap kapal tak dikenal, lampu padam di kabin kapten, yang terlihat sepanjang waktu di dua jendela. Setelah beberapa saat, kapal menghilang, membawa angin dan ombak bersamanya.

Masalah itu kemudian diklarifikasi. Ternyata semua ini terjadi dengan kapal lain, yang pada saat "penglihatan" berasal dari "Matador" pada jarak 1700 km.

Dengan cara apa cahaya merambat di atmosfer sehingga bayangan objek yang berbeda dipertahankan pada jarak yang begitu jauh? Belum ada jawaban pasti untuk pertanyaan ini. Ada saran tentang pembentukan lensa udara raksasa di atmosfer, penundaan fatamorgana sekunder, yaitu fatamorgana dari fatamorgana. Ada kemungkinan bahwa ionosfer* berperan di sini, tidak hanya memantulkan gelombang radio, tetapi juga gelombang cahaya.

Rupanya, fenomena yang dijelaskan memiliki asal yang sama dengan fatamorgana lain yang diamati di laut, yang disebut "Flying Dutchman" atau "Fata Morgana", ketika pelaut melihat kapal hantu yang kemudian menghilang dan menimbulkan ketakutan pada orang-orang yang percaya takhayul.

PELANGI

Pelangi - fenomena langit yang indah ini - selalu menarik perhatian manusia. Di masa lalu, ketika orang masih tahu sedikit tentang dunia di sekitar mereka, pelangi dianggap sebagai "tanda surgawi". Jadi, orang Yunani kuno mengira bahwa pelangi adalah senyum dewi Irida.

Pelangi diamati dalam arah yang berlawanan dengan Matahari, dengan latar belakang awan hujan atau hujan. Busur warna-warni biasanya terletak pada jarak 1-2 km dari pengamat, kadang-kadang dapat diamati pada jarak 2-3 m dengan latar belakang tetesan air yang dibentuk oleh air mancur atau semprotan air.

Pusat pelangi berada pada kelanjutan garis lurus yang menghubungkan Matahari dan mata pengamat - pada garis anti-matahari. Sudut antara arah pelangi utama dan garis antisolar adalah 41-42° (Gbr. 28).

Pada saat matahari terbit, titik antisolar (titik M) berada pada garis horizon dan pelangi terlihat seperti setengah lingkaran. Saat matahari terbit, titik antisolar turun di bawah cakrawala dan ukuran pelangi berkurang. Itu hanya bagian dari lingkaran. Untuk pengamat yang tinggi, misalnya pada. pesawat, pelangi terlihat sebagai lingkaran penuh dengan bayangan pengamat di tengah.

Seringkali ada pelangi sekunder, konsentris dengan yang pertama, dengan radius sudut sekitar 52 ° dan pengaturan warna terbalik.

Pada ketinggian Matahari 41°, pelangi utama tidak lagi terlihat dan hanya sebagian dari pelangi sekunder yang muncul di atas cakrawala, dan pada ketinggian Matahari lebih dari 52°, pelangi sekunder juga tidak terlihat. Oleh karena itu, di garis lintang tengah dan khatulistiwa, fenomena alam ini tidak pernah teramati pada saat menjelang tengah hari.

Pelangi, seperti spektrumnya, memiliki tujuh warna primer yang bertransisi dengan mulus satu sama lain. Bentuk busur, kecerahan warna, lebar garis tergantung pada ukuran tetesan air dan jumlahnya. Tetesan besar menciptakan pelangi yang lebih sempit, dengan warna yang menonjol tajam, tetesan kecil menciptakan busur yang buram, pudar, dan bahkan putih. Itulah sebabnya pelangi sempit yang cerah terlihat di musim panas setelah badai petir, di mana tetesan besar jatuh.

Untuk pertama kalinya teori pelangi diberikan pada tahun 1637 oleh R. Descartes. Ia menjelaskan pelangi sebagai fenomena yang terkait dengan pemantulan dan pembiasan cahaya pada tetesan air hujan.

Pembentukan warna dan urutannya dijelaskan kemudian, setelah mengungkap sifat kompleks cahaya putih dan dispersinya dalam medium. Teori difraksi pelangi dikembangkan oleh Airy dan Pertner.

Pertimbangkan kasus paling sederhana: biarkan seberkas sinar matahari paralel jatuh pada setetes yang berbentuk bola (Gbr. 29). Sinar datang pada permukaan setetes di titik A dibiaskan di dalamnya sesuai dengan hukum pembiasan: n 1 sin a \u003d n 2 sin , di mana n 1 \u003d 1, n 2 1,33 - indeks bias udara dan air, masing-masing, a - sudut datang, adalah sudut bias cahaya.

Di dalam drop, balok bergerak dalam garis lurus AB. Di titik B, sinar dibiaskan sebagian dan dipantulkan sebagian. Perhatikan bahwa semakin kecil sudut datang di titik B, dan karenanya di titik A, semakin rendah intensitas sinar pantul dan semakin besar intensitas sinar bias.

Berkas AB setelah dipantulkan di titik B melintas dengan sudut 1 "= 1 mengenai titik C, di mana juga terjadi pemantulan parsial dan pembiasan parsial. Sinar bias meninggalkan jatuh pada sudut y2, dan sinar pantul dapat pergi selanjutnya ke titik D dan seterusnya. Dengan demikian, seberkas cahaya dalam setetes mengalami pemantulan dan pembiasan ganda. Dengan setiap pemantulan, bagian tertentu dari sinar cahaya padam dan intensitasnya di dalam tetesan berkurang. Sinar yang paling intens yang muncul ke udara adalah sinar yang muncul dari titik B. Namun, sulit untuk mengamatinya, karena hilang dengan latar belakang sinar matahari langsung yang terang... Sinar-sinar yang dibiaskan di titik C, bersama-sama, menciptakan pelangi primer dengan latar belakang awan gelap, dan sinar dibiaskan di titik D

memberikan pelangi sekunder, yang, sebagai berikut dari apa yang telah dikatakan, kurang intens dari primer.

Untuk kasus K=1 kita mendapatkan = 2 (59°37" - 40°26") + 1 = 137° 30".

Oleh karena itu, sudut pandang pelangi orde pertama adalah:

1 \u003d 180 ° - 137 ° 30 "= 42 ° 30"

Untuk sinar DE" memberikan pelangi orde kedua, yaitu dalam kasus K = 2, kita memiliki:

= 2 (59°37" - 40°26") + 2 = 236°38".

Sudut pandang pelangi orde kedua 2 = 180° - 234°38" = - 56°38".

Dari sini dapat disimpulkan (ini juga dapat dilihat dari gambar) bahwa dalam kasus yang dipertimbangkan, pelangi orde kedua tidak terlihat dari tanah. Agar terlihat, cahaya harus masuk ke drop dari bawah (Gbr. 30, b).

Ketika mempertimbangkan pembentukan pelangi, satu fenomena lagi harus diperhitungkan - pembiasan gelombang cahaya yang tidak sama dengan panjang yang berbeda, yaitu sinar cahaya dengan warna berbeda. Fenomena ini disebut dispersi. Karena dispersi, sudut bias dan sudut pembelokan sinar dalam setetes berbeda untuk sinar warna yang berbeda. Lintasan tiga sinar - merah, hijau dan ungu - secara skematis ditunjukkan pada Gambar 30, a untuk busur orde pertama dan pada Gambar 30, b untuk busur orde kedua.

Terlihat dari gambar bahwa urutan warna pada busur ini berlawanan.

Paling sering kita melihat satu pelangi. Tidak jarang kasus ketika dua garis warna-warni muncul secara bersamaan di langit, terletak satu di atas yang lain; mereka mengamati, bagaimanapun, sangat jarang, dan bahkan lebih banyak lagi busur langit berwarna-warni - tiga, empat dan bahkan lima pada waktu yang sama. Fenomena menarik ini diamati oleh Leningraders pada 24 September 1948, ketika empat pelangi muncul di antara awan di atas Neva pada sore hari. Ternyata pelangi bisa terjadi tidak hanya dari sinar matahari langsung; sering muncul dalam sinar yang dipantulkan matahari. Ini bisa dilihat di pantai teluk laut, sungai besar dan danau. Tiga atau empat pelangi seperti itu - biasa dan terpantul - terkadang membuat gambar yang indah. Karena sinar Matahari yang dipantulkan dari permukaan air bergerak dari bawah ke atas, pelangi yang terbentuk pada sinar ini terkadang terlihat sangat tidak biasa.

Anda tidak boleh berpikir bahwa pelangi hanya dapat diamati pada siang hari. Itu terjadi pada malam hari, bagaimanapun, selalu lemah. Anda dapat melihat pelangi seperti itu setelah hujan malam, ketika bulan terlihat dari balik awan.

Beberapa kemiripan pelangi dapat diperoleh dalam percobaan berikut. Ambil sebotol air, siram dengan sinar matahari atau lampu melalui lubang di papan tulis. Kemudian pelangi akan terlihat jelas di papan (Gbr. 31, a), dan sudut divergensi sinar dibandingkan dengan arah awal akan menjadi sekitar 41-42 ° (Gbr. 31.6). Dalam kondisi alami, tidak ada layar, gambar muncul di retina mata, dan mata memproyeksikan gambar ini ke awan.

Jika pelangi muncul di malam hari sebelum matahari terbenam, maka pelangi merah diamati. Dalam lima atau sepuluh menit terakhir sebelum matahari terbenam, semua warna pelangi, kecuali merah, menghilang, menjadi sangat cerah dan terlihat bahkan sepuluh menit setelah matahari terbenam.

Pemandangan yang indah adalah pelangi di atas embun.

Hal ini dapat diamati saat matahari terbit di rerumputan yang diselimuti embun. Pelangi ini berbentuk seperti hiperbola.

lingkaran cahaya

Saat melihat pelangi di padang rumput, tanpa sadar Anda akan melihat lingkaran cahaya tak berwarna yang menakjubkan - lingkaran cahaya yang mengelilingi bayangan kepala Anda. Ini bukan ilusi optik atau fenomena kontras. Ketika bayangan jatuh di jalan, halo menghilang. Apa penjelasan dari fenomena menarik ini? Tetesan embun tentu berperan penting di sini, karena ketika embun menghilang, fenomena pun menghilang.

Untuk mengetahui penyebab fenomena tersebut, lakukan percobaan berikut. Ambil labu bulat berisi air dan jemur di bawah sinar matahari. Biarkan dia mewakili setetes. Tempatkan selembar kertas di belakang labu di dekatnya, yang akan bertindak sebagai rumput. Lihatlah labu di sudut kecil sehubungan dengan arah sinar datang. Anda akan melihatnya terang benderang oleh sinar yang dipantulkan dari kertas. Sinar ini hampir tepat menuju sinar Matahari yang jatuh pada labu. Arahkan mata Anda sedikit ke samping, dan iluminasi terang labu tidak lagi terlihat.

Di sini kita tidak berurusan dengan hamburan, tetapi dengan berkas cahaya terarah yang memancar dari titik terang di atas kertas. Bola lampu bertindak seperti lensa yang mengarahkan cahaya ke arah kita.

Seberkas sinar matahari paralel, setelah pembiasan dalam bola lampu, memberikan di atas kertas gambar Matahari yang kurang lebih terfokus dalam bentuk titik terang. Pada gilirannya, cukup banyak cahaya yang dipancarkan oleh tempat ditangkap oleh bola lampu dan, setelah pembiasan di dalamnya, diarahkan kembali ke Matahari, termasuk mata kita, karena kita berdiri membelakangi Matahari. Kekurangan optik lensa kami - termos memberikan beberapa fluks cahaya yang tersebar, tetapi aliran utama cahaya yang datang dari titik terang di atas kertas tetap diarahkan ke Matahari. Tapi mengapa cahaya yang dipantulkan dari bilah rumput tidak berwarna hijau?

Ini sebenarnya memiliki sedikit warna kehijauan, tetapi sebagian besar berwarna putih, seperti cahaya yang dipantulkan secara terarah dari permukaan yang dicat halus, seperti pantulan dari papan tulis hijau atau kuning, atau kaca patri.

Tapi tetesan embun tidak selalu berbentuk bulat. Mereka mungkin terdistorsi. Kemudian beberapa dari mereka mengarahkan cahaya ke samping, tetapi melewati mata. Tetesan lain, seperti, misalnya, ditunjukkan pada Gambar 33, memiliki bentuk sedemikian rupa sehingga cahaya yang jatuh padanya, setelah satu atau dua pemantulan, diarahkan kembali ke Matahari dan memasuki mata pengamat yang berdiri membelakanginya.

Akhirnya, satu lagi penjelasan cerdas tentang fenomena ini harus diperhatikan: hanya daun-daun rumput yang memantulkan cahaya secara terarah, di mana cahaya matahari langsung jatuh, yaitu daun-daun yang tidak terhalang oleh daun-daun lain dari sisi Matahari. Jika kita memperhitungkan bahwa daun sebagian besar tumbuhan selalu membelokkan bidangnya ke arah Matahari, maka jelas akan ada cukup banyak daun reflektif seperti itu (Gbr. 33, e). Oleh karena itu, lingkaran cahaya juga dapat diamati tanpa adanya embun, di permukaan padang rumput yang dipangkas dengan halus atau bidang yang dipadatkan.

Pembiasan cahaya adalah perubahan arah berkas cahaya pada batas dua media yang berbeda kerapatan.

Penjelasan: seberkas cahaya, jatuh ke dalam air, berubah arah di perbatasan dua media (yaitu, di permukaan air). Sinar secara harfiah dibiaskan. Fenomena ini disebut pembiasan cahaya. Hal ini terjadi karena air dan udara memiliki massa jenis yang berbeda. Air lebih padat daripada udara, dan kecepatan seberkas cahaya yang jatuh di permukaannya melambat. Jadi, air adalah media optik yang lebih rapat.

Kerapatan optik medium dicirikan oleh kecepatan perambatan cahaya yang berbeda.

sudut bias () adalah sudut yang dibentuk oleh sinar bias dan tegak lurus terhadap titik datang sinar pada antarmuka antara dua media.

Penjelasan:

Sinar jatuh di permukaan air pada titik tertentu dan dibiaskan. Mari kita menggambar tegak lurus dari titik ini ke arah yang sama di mana sinar bias "kiri" - dalam kasus kami, tegak lurus diarahkan ke bagian bawah reservoir. Sudut yang dibentuk oleh tegak lurus dan sinar bias ini disebut sudut bias.

Jika cahaya merambat dari medium optis kurang rapat ke medium optis lebih rapat, maka sudut bias selalu lebih kecil dari sudut datang.

Misalnya, cahaya yang jatuh ke dalam air memiliki sudut datang yang lebih besar daripada sudut bias. Alasannya adalah bahwa air adalah media yang lebih padat daripada udara.

Untuk setiap dua media dengan kerapatan optik yang berbeda, rumus berikut ini benar:

dosa α
--- = n
dosaϒ

di mana n adalah nilai konstan yang tidak bergantung pada sudut datang.

Penjelasan:

Mari kita ambil tiga sinar yang jatuh ke dalam air.

Sudut datangnya adalah 30°, 45°, dan 60°.

Sudut bias sinar-sinar tersebut berturut-turut adalah 23°, 33°, dan 42°.

Jika kita membuat rasio sudut datang dan sudut bias, kita mendapatkan angka yang sama:

dosa 30° dosa 45° dosa 60°
--- = --- = --- ≅ 1,3
sin 23° sin 33° sin 42°

Jadi, jika kita membagi sudut datang sinar ke dalam air dan sudut biasnya, kita mendapatkan 1,3. Ini adalah konstanta ( n ), yang ditemukan menggunakan rumus di atas.

Sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus yang ditarik dari titik datang sinar terletak pada bidang yang sama.