Pertimbangkan bagaimana arah sinar berubah ketika melewati dari udara ke air. Kecepatan cahaya lebih kecil di air daripada di udara. Sebuah media di mana kecepatan rambat cahaya lebih rendah adalah media optik lebih rapat.

Lewat sini, kerapatan optik medium dicirikan oleh kecepatan perambatan cahaya yang berbeda.

Ini berarti bahwa kecepatan rambat cahaya lebih besar dalam medium optik kurang rapat. Misalnya, dalam ruang hampa kecepatan cahaya adalah 300.000 km/s, dan dalam kaca adalah 200.000 km/s. Ketika seberkas cahaya jatuh pada permukaan yang memisahkan dua media transparan dengan kerapatan optik yang berbeda, seperti udara dan air, sebagian cahaya dipantulkan dari permukaan ini, dan sebagian lagi menembus media kedua. Ketika melewati dari satu media ke media lain, seberkas cahaya berubah arah pada batas media (Gbr. 144). Fenomena ini disebut pembiasan cahaya.

Beras. 144. Pembiasan cahaya ketika seberkas sinar melewati dari udara ke air

Pertimbangkan pembiasan cahaya secara lebih rinci. Gambar 145 menunjukkan: balok insiden apa, sinar bias OB dan tegak lurus antarmuka antara dua media, ditarik ke titik datang O. Sudut AOC - sudut datang (α), sudut DOB - sudut bias (γ).

Beras. 145. Skema pembiasan berkas cahaya selama transisi dari udara ke air

Seberkas cahaya, ketika melewati dari udara ke air, berubah arah, mendekati CD tegak lurus.

Air adalah media optik yang lebih rapat daripada udara. Jika air digantikan oleh media transparan lain, yang secara optik lebih rapat daripada udara, maka sinar bias juga akan mendekati garis tegak lurus. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa jika cahaya merambat dari medium optik kurang rapat ke medium lebih rapat, maka sudut bias selalu lebih kecil dari sudut datang (lihat Gambar 145):

Seberkas cahaya diarahkan tegak lurus ke antarmuka antara dua media melewati dari satu media ke media lain tanpa pembiasan.

Ketika sudut datang berubah, sudut bias juga berubah. Semakin besar sudut datang, semakin besar sudut bias (Gbr. 146). Dalam hal ini, hubungan antara sudut tidak dipertahankan. Jika kita membuat rasio sinus sudut datang dan bias, maka itu tetap konstan.

Beras. 146. Ketergantungan sudut bias pada sudut datang

Untuk setiap pasangan zat dengan kerapatan optik yang berbeda, kita dapat menulis:

di mana n adalah nilai konstanta yang tidak bergantung pada sudut datang. Itu disebut Indeks bias untuk dua lingkungan. Semakin besar indeks bias, semakin banyak sinar dibiaskan ketika melewati dari satu medium ke medium lainnya.

Jadi, pembiasan cahaya terjadi menurut hukum berikut: sinar datang, dibiaskan dan tegak lurus yang ditarik ke antarmuka antara dua media pada titik datang berkas terletak pada bidang yang sama.

Rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media:

Cahaya dibiaskan di atmosfer Bumi, sehingga kita melihat bintang-bintang dan Matahari di atas lokasi sebenarnya di langit.

pertanyaan

1. Bagaimana arah berkas cahaya berubah (lihat Gambar 144) setelah air dituangkan ke dalam bejana?
2. Kesimpulan apa yang ditarik dari eksperimen pembiasan cahaya (lihat Gambar 144, 145)?
3. Posisi apa yang terpenuhi ketika cahaya dibiaskan?

Latihan 47

Fenomena pembiasan cahaya.

Jika seberkas cahaya jatuh pada permukaan yang memisahkan dua media transparan dengan kerapatan optik yang berbeda, seperti udara dan air, maka sebagian cahaya dipantulkan dari permukaan ini, dan sebagian lainnya menembus media kedua. Ketika melewati dari satu medium ke medium lain, seberkas cahaya berubah arah pada batas media ini. Fenomena ini disebut pembiasan cahaya.

Pertimbangkan pembiasan cahaya secara lebih rinci. Gambar n menunjukkan: sinar datang apa, sinar bias OV dan tegak lurus CD, pulih dari titik tumbukan HAI ke permukaan yang memisahkan dua lingkungan yang berbeda. Sudut AOC- sudut datang, sudut DOB- sudut bias. Sudut refraksi DOB lebih kecil dari sudut datang AOC.

Secercah cahaya pada mengubah arahnya dalam transisi dari udara ke air, mendekati tegak lurus CD. Air adalah media optik yang lebih rapat daripada udara. Jika air digantikan oleh media transparan lain, yang secara optik lebih rapat daripada udara, maka sinar bias juga akan mendekati garis tegak lurus. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan: jika cahaya merambat dari medium optik kurang rapat ke medium lebih rapat, maka sudut bias selalu lebih kecil dari sudut datang.

Eksperimen menunjukkan bahwa untuk sudut datang yang sama, semakin kecil sudut bias, semakin rapat optik medium yang ditembus sinar.
Jika sebuah cermin diletakkan tegak lurus terhadap sinar sepanjang lintasan sinar bias, maka cahaya akan dipantulkan dari cermin dan keluar dari air ke udara searah dengan sinar datang. Oleh karena itu, sinar datang dan sinar bias dapat dibalik dengan cara yang sama seperti sinar datang dan sinar pantul yang dapat dibalik.
Jika cahaya merambat dari medium yang lebih rapat secara optis ke medium yang kurang rapat, maka sudut bias sinar lebih besar dari sudut datang.

Mari kita lakukan sedikit eksperimen di rumah. m di rumah percobaan kecil. saya Anda perlu memasukkan pensil ke dalam segelas air, dan pensil itu akan tampak patah. E Ini hanya dapat dijelaskan oleh fakta bahwa sinar cahaya yang datang dari pensil memiliki arah yang berbeda di dalam air daripada di udara, yaitu, cahaya dibiaskan pada perbatasan udara dan air. Ketika cahaya berpindah dari satu medium ke medium lainnya, sebagian dari cahaya yang datang dipantulkan pada antarmuka. Sisa cahaya menembus ke lingkungan baru. Jika cahaya jatuh pada sudut ke antarmuka selain lurus, berkas cahaya mengubah arahnya dari pada antarmuka.
Ini disebut fenomena pembiasan cahaya. Fenomena pembiasan cahaya diamati pada batas dua media transparan dan dijelaskan oleh perbedaan kecepatan rambat cahaya di media yang berbeda. Dalam ruang hampa, kecepatan cahaya sekitar 300.000 km/s, di semua lainnya

Dengan reda itu kurang.

Gambar di bawah menunjukkan seberkas sinar yang merambat dari udara ke air. Sudut disebut sudut balok, sebuah - sudut refraksi. Perhatikan bahwa di dalam air sinar mendekati garis normal. Ini terjadi setiap kali sinar menabrak media di mana kecepatan cahaya lebih lambat. Jika cahaya merambat dari satu medium ke medium lain yang kecepatan cahayanya lebih besar, maka ia menyimpang dari garis normal.

Pembiasan menyebabkan sejumlah ilusi optik yang terkenal. Sebagai contoh, bagi seorang pengamat di pantai, tampaknya orang yang masuk ke air sampai pinggangnya memiliki kaki yang lebih pendek.

Hukum pembiasan cahaya.

Dari semua yang telah dikatakan, kami menyimpulkan:
1 . Pada antarmuka antara dua media dengan kerapatan optik yang berbeda, seberkas cahaya berubah arah ketika melewati dari satu media ke media lainnya.
2. Ketika seberkas cahaya masuk ke media dengan lebih besarkerapatan optik sudut biaskurang dari sudut datang; ketika melewati seberkas cahayadari medium yang lebih rapat secara optik ke yang kurangrapat sudut bias lebih besar dari sudut padeniya.
Pembiasan cahaya disertai dengan pemantulan, dan dengan peningkatan sudut datang, kecerahan sinar yang dipantulkan meningkat, sedangkan yang dibiaskan melemah. Ini dapat dilihat dengan bereksperimen ditunjukkan pada gambar. DARI Akibatnya, sinar yang dipantulkan terbawa bersamanya, semakin banyak energi cahaya, semakin besar sudut datang.

Membiarkan M N- antarmuka antara dua media transparan, misalnya, udara dan air, JSC- balok jatuh OV- sinar bias, - sudut datang, - sudut bias, - kecepatan rambat cahaya pada medium pertama, - kecepatan rambat cahaya pada medium kedua.

Hukum pertama pembiasan berbunyi seperti ini: rasio sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk kedua media ini:

, di mana adalah indeks bias relatif (indeks bias media kedua relatif terhadap yang pertama).

Hukum pembiasan cahaya kedua sangat mirip dengan hukum pemantulan cahaya kedua:

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

Indeks bias mutlak.

Kecepatan cahaya di udara hampir sama dengan kecepatan cahaya di ruang hampa: dengan m/s.

Jika cahaya memasuki medium dari ruang hampa, maka

di mana n adalah indeks bias absolut lingkungan ini. Indeks bias relatif dari dua media yang terkait dengan indeks bias absolut dari media ini, di mana dan masing-masing adalah indeks bias absolut dari media pertama dan kedua.

Indeks bias mutlak:

Zat

Berlian 2.42. Kuarsa 1,54. Udara (dalam kondisi normal) 1.00029. Etil alkohol 1.36. Air 1.33. Es 1.31. Terpentin 1.47. Kuarsa menyatu 1.46. CZK 1.52. Batu api ringan 1.58. Natrium klorida (garam) 1,53.

(Seperti yang akan kita lihat nanti, indeks bias n agak bervariasi tergantung pada panjang gelombang cahaya - ia mempertahankan nilai konstan hanya dalam ruang hampa. Oleh karena itu, data yang diberikan dalam tabel sesuai dengan cahaya kuning dengan panjang gelombang .)

Misalnya, karena untuk berlian, cahaya merambat dalam berlian dengan kecepatan

Kepadatan optik medium.

Jika indeks bias mutlak medium pertama lebih kecil dari indeks bias mutlak medium kedua, maka medium pertama memiliki kerapatan optik yang lebih rendah daripada yang kedua dan > . Kerapatan optik suatu medium tidak boleh disamakan dengan kerapatan suatu zat.

Perambatan cahaya melalui pelat sejajar bidang dan prisma.

Yang sangat penting secara praktis adalah lewatnya cahaya melalui benda-benda transparan dengan berbagai bentuk. Mari kita pertimbangkan kasus paling sederhana.
Mari kita mengarahkan seberkas cahaya melalui pelat datar-sejajar yang tebal (pelat yang dibatasi oleh wajah-wajah sejajar). Melewati pelat, berkas cahaya dibiaskan dua kali: sekali saat memasuki pelat, kedua saat meninggalkan pelat ke udara.

Berkas cahaya yang melewati pelat tetap sejajar dengan arah semula dan hanya bergeser sedikit. Pergeseran ini semakin besar, semakin tebal pelat dan semakin besar sudut datang. Jumlah perpindahan juga tergantung pada bahan apa pelat itu dibuat.
Contoh pelat sejajar bidang adalah kaca jendela. Tetapi melihat benda melalui kaca, kita tidak melihat perubahan susunan dan bentuknya karena kaca itu tipis; sinar cahaya yang lewat kaca jendela, bergerak sedikit.
Jika Anda melihat benda apa pun melalui prisma, maka benda itu tampaknya dipindahkan. Seberkas sinar datang dari suatu benda jatuh pada prisma di suatu titik TETAPI, dibiaskan dan masuk ke dalam prisma dalam suatu arah AB Setelah mencapai muka kedua prisma. berkas cahaya dibiaskan lagi, menyimpang ke dasar prisma. Oleh karena itu, seolah-olah sinar itu berasal dari suatu titik. terletak pada penerusan sinar BC, yaitu benda tampak bergeser ke atas sudut yang dibentuk oleh bidang-bidang pembiasan prisma.

Refleksi penuh cahaya.

Pemandangan yang indah adalah air mancur, di mana pancaran pancaran disinari dari dalam. (Hal ini dapat digambarkan dalam kondisi normal dengan melakukan percobaan No. 1) berikut. Kami akan menjelaskan fenomena ini di bawah ini.

Ketika cahaya melewati dari media optik lebih rapat ke optik kurang rapat, fenomena refleksi total cahaya diamati. Sudut bias dalam hal ini lebih besar dari sudut datang (Gbr. 141). Meningkatkan sudut datang sinar cahaya dari sumber S pada antarmuka antara dua media M N akan tiba saatnya ketika sinar bias akan mengikuti antarmuka antara dua media, yaitu = 90 °.

Sudut datang, yang sesuai dengan sudut bias \u003d 90 °, disebut sudut batas refleksi total.

Jika sudut ini terlampaui, maka sinar tidak akan meninggalkan media pertama sama sekali, hanya fenomena pantulan cahaya dari antarmuka antara dua media yang akan diamati.

Dari hukum pertama pembiasan:

Dari dulu .

Jika medium kedua adalah udara (vakum), maka dimana n - indeks bias mutlak medium dari mana sinar datang.

Penjelasan untuk fenomena yang Anda amati dalam pengalaman cukup sederhana. Berkas cahaya melewati pancaran air dan mengenai permukaan melengkung pada sudut yang lebih besar dari batas, mengalami refleksi internal total, dan sekali lagi mengenai sisi berlawanan pancaran pada sudut yang lebih besar dari batas. Jadi balok melewati jet, membungkuk bersamanya.

Tetapi jika cahaya itu sepenuhnya dipantulkan di dalam jet, maka itu tidak akan terlihat dari luar. Sebagian cahaya tersebut dihamburkan oleh air, gelembung udara dan berbagai kotoran yang ada di dalamnya, serta karena permukaan pancaran yang tidak rata, sehingga terlihat dari luar.

Fenomena pembiasan cahaya adalah fenomena fisik yang terjadi setiap kali gelombang merambat dari satu bahan ke bahan lainnya, di mana kecepatan rambatnya berubah. Secara visual, itu memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa arah perambatan gelombang berubah.

Fisika: pembiasan cahaya

Jika sinar datang mengenai antarmuka antara dua media pada sudut 90°, maka tidak ada yang terjadi, ia melanjutkan gerakannya ke arah yang sama pada sudut kanan ke antarmuka. Jika sudut datang berkas berbeda dari 90°, fenomena pembiasan cahaya terjadi. Ini, misalnya, menghasilkan efek aneh seperti retakan yang tampak dari suatu objek yang sebagian terendam air atau fatamorgana yang diamati di gurun pasir yang panas.

Sejarah penemuan

Pada abad pertama M. e. ahli geografi dan astronom Yunani kuno Ptolemy mencoba menjelaskan secara matematis besarnya pembiasan, tetapi hukum yang ia ajukan kemudian ternyata tidak dapat diandalkan. Pada abad ke-17 Matematikawan Belanda Willebrord Snell mengembangkan hukum yang menentukan nilai yang terkait dengan rasio datang dan sudut bias, yang kemudian disebut indeks bias materi. Faktanya, semakin banyak suatu zat mampu membiaskan cahaya, semakin besar indikator ini. Pensil dalam air "patah" karena sinar yang datang darinya mengubah jalurnya di antarmuka udara-air sebelum mencapai mata. Yang membuat Snell kecewa, dia tidak pernah bisa menemukan penyebab efek ini.

Pada tahun 1678, ilmuwan Belanda lainnya, Christian Huygens, mengembangkan hubungan matematis yang menjelaskan pengamatan Snell dan menyarankan bahwa fenomena pembiasan cahaya adalah hasil dari perbedaan kecepatan sinar melewati dua media. Huygens menentukan bahwa rasio sudut pancaran cahaya melalui dua bahan dengan indeks bias yang berbeda harus sama dengan rasio kecepatannya di setiap bahan. Dengan demikian, ia mendalilkan bahwa melalui media yang memiliki indeks bias lebih tinggi, cahaya merambat lebih lambat. Dengan kata lain, kecepatan cahaya melalui suatu bahan berbanding terbalik dengan indeks biasnya. Meskipun kemudian hukum itu dikonfirmasi secara eksperimental, bagi banyak peneliti pada waktu itu hal ini tidak jelas, karena tidak ada sarana cahaya yang dapat diandalkan. Tampaknya bagi para ilmuwan bahwa kecepatannya tidak bergantung pada materi. Tidak sampai 150 tahun setelah kematian Huygens, kecepatan cahaya diukur dengan akurasi yang cukup untuk membuktikan bahwa dia benar.

Indeks bias mutlak

Indeks bias mutlak n dari zat atau bahan transparan didefinisikan sebagai kecepatan relatif di mana cahaya melewatinya relatif terhadap kecepatan dalam ruang hampa: n = c/v, di mana c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan v adalah dalam ruang bahan.

Jelas, tidak ada pembiasan cahaya dalam ruang hampa tanpa zat apa pun, dan di dalamnya eksponen absolutnya adalah 1. Untuk bahan transparan lainnya, nilai ini lebih besar dari 1. Pembiasan cahaya di udara (1.0003) dapat digunakan untuk menghitung indeks bahan yang tidak diketahui.

Hukum Snellius

Mari kita perkenalkan beberapa definisi:

• sinar datang - sinar yang mendekati pemisahan media;
• titik jatuh - titik pemisahan di mana ia jatuh;
• sinar bias meninggalkan pemisahan media;
• normal - garis yang ditarik tegak lurus terhadap pemisahan pada titik datang;
• sudut datang - sudut antara normal dan sinar datang;
• cahaya dapat didefinisikan sebagai sudut antara sinar bias dan garis normal.

Menurut hukum pembiasan:

1. Sinar datang, sinar bias, dan garis normal berada pada bidang yang sama.
2. Rasio sinus sudut datang dan bias sama dengan rasio koefisien bias medium kedua dan pertama: sin i/sin r = n r /n i .

Hukum pembiasan cahaya (Snell) menjelaskan hubungan antara sudut dua gelombang dan indeks bias dua media. Ketika gelombang melewati media yang kurang bias (seperti udara) ke media yang lebih bias (seperti air), kecepatannya turun. Sebaliknya, ketika cahaya berpindah dari air ke udara, kecepatannya meningkat. pada medium pertama terhadap normal dan sudut bias pada medium kedua akan berbeda sebanding dengan perbedaan indeks bias antara kedua zat ini. Jika gelombang merambat dari medium berkoefisien rendah ke medium berkoefisien lebih tinggi, maka gelombang dibelokkan ke arah garis normal. Jika tidak, itu dihapus.

Indeks bias relatif

Menunjukkan bahwa perbandingan sinus datang dan sudut bias sama dengan suatu konstanta, yaitu perbandingan pada kedua media.

sini/sin r = n r /n i =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r

Rasio n r /n i disebut indeks bias relatif untuk zat-zat ini.

Sejumlah fenomena hasil pembiasan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Efek pensil "patah" adalah salah satu yang paling umum. Mata dan otak mengikuti sinar kembali ke dalam air seolah-olah tidak dibiaskan tetapi datang dari objek dalam garis lurus, menciptakan bayangan maya yang muncul pada kedalaman yang lebih dangkal.

Penyebaran

Pengukuran yang cermat menunjukkan bahwa panjang gelombang radiasi atau warnanya memiliki pengaruh yang besar terhadap pembiasan cahaya. Dengan kata lain, suatu zat memiliki banyak sekali yang dapat berbeda ketika berubah warna atau panjang gelombangnya.

Perubahan seperti itu terjadi di semua media transparan dan disebut dispersi. Derajat dispersi bahan tertentu tergantung pada seberapa besar perubahan indeks bias dengan panjang gelombang. Dengan bertambahnya panjang gelombang, fenomena pembiasan cahaya menjadi kurang jelas. Ini dikonfirmasi oleh fakta bahwa ungu lebih bias daripada merah, karena panjang gelombangnya lebih pendek. Karena dispersi dalam kaca biasa, terjadi pemisahan cahaya menjadi komponen-komponennya.

Dekomposisi cahaya

Pada akhir abad ke-17, Sir Isaac Newton melakukan serangkaian eksperimen yang mengarah pada penemuan spektrum tampak, dan menunjukkan bahwa cahaya putih terdiri dari susunan warna yang teratur mulai dari ungu hingga biru, hijau, kuning, oranye dan akhiran. dengan merah. Bekerja di ruangan yang gelap, Newton menempatkan prisma kaca di balok sempit melalui lubang di daun jendela. Ketika melewati prisma, cahaya dibiaskan - kaca memproyeksikannya ke layar dalam bentuk spektrum yang teratur.

Newton sampai pada kesimpulan bahwa cahaya putih terdiri dari campuran warna yang berbeda, dan juga bahwa prisma "menghamburkan" cahaya putih, membiaskan setiap warna pada sudut yang berbeda. Newton tidak dapat memisahkan warna dengan melewatkannya melalui prisma kedua. Tetapi ketika dia menempatkan prisma kedua sangat dekat dengan yang pertama sedemikian rupa sehingga semua warna yang tersebar memasuki prisma kedua, ilmuwan menemukan bahwa warna-warna tersebut bergabung kembali, sekali lagi membentuk cahaya putih. Penemuan ini secara meyakinkan membuktikan satu spektral yang dapat dengan mudah dipisahkan dan digabungkan.

Fenomena dispersi memainkan peran kunci dalam berbagai fenomena. Pelangi dihasilkan dari pembiasan cahaya dalam tetesan hujan, menghasilkan tontonan spektakuler dekomposisi spektral yang mirip dengan yang terjadi pada prisma.

Sudut kritis dan refleksi internal total

Ketika melewati media dengan indeks bias yang lebih tinggi ke media dengan indeks bias yang lebih rendah, jalur gelombang ditentukan oleh sudut datang relatif terhadap pemisahan dua bahan. Jika sudut datang melebihi nilai tertentu (bergantung pada indeks bias kedua bahan), ia mencapai titik di mana cahaya tidak dibiaskan ke dalam medium dengan indeks lebih rendah.

Sudut kritis (atau pembatas) didefinisikan sebagai sudut datang yang menghasilkan sudut bias 90°. Dengan kata lain, selama sudut datang lebih kecil dari sudut kritis, pembiasan terjadi, dan jika sama dengan itu, sinar bias melewati tempat di mana dua bahan terpisah. Jika sudut datang melebihi sudut kritis, maka cahaya dipantulkan kembali. Fenomena ini disebut refleksi internal total. Contoh penggunaannya adalah berlian dan pemotongan Berlian mempromosikan refleksi internal total. Sebagian besar sinar yang masuk melalui bagian atas berlian akan dipantulkan hingga mencapai permukaan atas. Inilah yang memberi berlian kecemerlangan mereka. Serat optik adalah "rambut" kaca yang sangat tipis sehingga ketika cahaya memasuki salah satu ujungnya, ia tidak dapat keluar. Dan hanya ketika balok mencapai ujung yang lain, ia dapat meninggalkan serat.

Memahami dan mengelola

Instrumen optik mulai dari mikroskop dan teleskop hingga kamera, proyektor video, dan bahkan mata manusia bergantung pada fakta bahwa cahaya dapat difokuskan, dibiaskan, dan dipantulkan.

Pembiasan menghasilkan berbagai fenomena, termasuk fatamorgana, pelangi, dan ilusi optik. Pembiasan membuat cangkir bir berdinding tebal tampak lebih penuh, dan matahari terbenam beberapa menit lebih lambat dari yang sebenarnya. Jutaan orang menggunakan kekuatan refraksi untuk mengoreksi cacat visual dengan kacamata dan lensa kontak. Dengan memahami dan memanipulasi sifat-sifat cahaya ini, kita dapat melihat detail yang tidak terlihat dengan mata telanjang, apakah itu pada slide mikroskop atau di galaksi yang jauh.

Hukum pembiasan cahaya.

Arti fisis dari indeks bias. Cahaya dibiaskan karena adanya perubahan kecepatan rambat ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Indeks bias medium kedua relatif terhadap yang pertama secara numerik sama dengan rasio kecepatan cahaya dalam medium pertama dengan kecepatan cahaya dalam medium kedua:

Dengan demikian, indeks bias menunjukkan berapa kali kecepatan cahaya dalam medium dari mana berkas keluar lebih besar (kurang) dari kecepatan cahaya dalam medium yang masuk.

Karena kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah konstan, disarankan untuk menentukan indeks bias berbagai media sehubungan dengan ruang hampa. rasio kecepatan Dengan perambatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan rambatnya dalam medium tertentu disebut indeks bias mutlak zat yang diberikan () dan merupakan karakteristik utama dari sifat optiknya,

,

itu. indeks bias media kedua relatif terhadap yang pertama sama dengan rasio indeks absolut media ini.

Biasanya, sifat optik suatu zat dicirikan oleh indeks bias n relatif terhadap udara, yang sedikit berbeda dari indeks bias absolut. Dalam hal ini, medium, di mana indeks absolut lebih besar, disebut lebih rapat secara optik.

Membatasi sudut refraksi. Jika cahaya merambat dari medium dengan indeks bias lebih rendah ke medium dengan indeks bias lebih tinggi ( n 1< n 2 ), maka sudut bias lebih kecil dari sudut datang

r< i (Gbr. 3).

Beras. 3. Pembiasan cahaya selama transisi

dari medium kurang rapat optik ke medium

optik lebih padat.

Ketika sudut datang meningkat menjadi saya m = 90° (balok 3, Gbr. 2) cahaya di medium kedua hanya akan merambat di dalam sudut r pr ditelepon membatasi sudut bias. Ke dalam daerah medium kedua dalam sudut tambahan ke sudut bias pembatas (90° - saya pr ), tidak ada cahaya yang menembus (area ini diarsir pada Gambar 3).

Batasi sudut bias r pr

Tapi sin i m = 1, oleh karena itu .

Fenomena refleksi internal total. Ketika cahaya merambat dari medium dengan indeks bias tinggi n 1 > n 2 (Gbr. 4), maka sudut bias lebih besar dari sudut datang. Cahaya dibiaskan (melewati medium kedua) hanya dalam sudut datang saya pr , yang sesuai dengan sudut bias rm = 90 °.

Beras. 4. Pembiasan cahaya selama transisi dari medium yang lebih rapat secara optik ke medium

kurang rapat optik.

Cahaya datang pada sudut besar dipantulkan sepenuhnya dari batas media (Gbr. 4 balok 3). Fenomena ini disebut refleksi internal total, dan sudut datang saya pr adalah sudut pembatas dari refleksi internal total.

Membatasi sudut refleksi internal total saya pr ditentukan dengan syarat:

, maka sin r m = 1, oleh karena itu, .

Jika cahaya merambat dari suatu medium ke ruang hampa atau ke udara, maka

Karena reversibilitas lintasan sinar untuk kedua media ini, sudut bias pembatas dalam transisi dari media pertama ke media kedua sama dengan sudut pembatas pantulan internal total ketika berkas melewati dari media kedua ke media pertama. .

Sudut pembatas total refleksi internal untuk kaca kurang dari 42°. Oleh karena itu, sinar yang merambat melalui kaca dan datang pada permukaannya dengan sudut 45° dipantulkan sepenuhnya. Sifat kaca ini digunakan dalam prisma putar (Gbr. 5a) dan reversibel (Gbr. 4b), yang sering digunakan dalam instrumen optik.

Beras. 5: a – prisma putar; b - prisma terbalik.

serat optik. Refleksi internal total digunakan dalam konstruksi fleksibel panduan cahaya. Cahaya, masuk ke dalam serat transparan yang dikelilingi oleh zat dengan indeks bias yang lebih rendah, dipantulkan berkali-kali dan merambat di sepanjang serat ini (Gbr. 6).

Gbr.6. Lintasan cahaya di dalam serat transparan yang dikelilingi oleh materi

dengan indeks bias yang lebih rendah.

Untuk mentransmisikan fluks cahaya tinggi dan mempertahankan fleksibilitas sistem pemandu cahaya, serat individu dirakit menjadi bundel - panduan cahaya. Cabang optik yang berhubungan dengan transmisi cahaya dan gambar melalui pemandu cahaya disebut serat optik. Istilah yang sama mengacu pada bagian dan perangkat serat optik itu sendiri. Dalam kedokteran, panduan cahaya digunakan untuk menerangi rongga internal dengan cahaya dingin dan mengirimkan gambar.

Bagian praktis

Alat untuk menentukan indeks bias zat disebut refraktometer(Gbr. 7).

Gbr.7. Skema optik refraktometer.

1 - cermin, 2 - kepala pengukur, 3 - sistem prisma untuk menghilangkan dispersi, 4 - lensa, 5 - prisma putar (rotasi balok sebesar 90 0), 6 - skala (dalam beberapa refraktometer

ada dua skala: skala indeks bias dan skala konsentrasi larutan),

7 - lensa mata.

Bagian utama dari refraktometer adalah kepala pengukur, yang terdiri dari dua prisma: yang menerangi, yang terletak di bagian lipat kepala, dan yang mengukur.

Di pintu keluar prisma yang menerangi, permukaan mattenya menciptakan seberkas cahaya yang tersebar yang melewati cairan uji (2-3 tetes) di antara prisma. Sinar jatuh pada permukaan prisma ukur pada sudut yang berbeda, termasuk pada sudut 90 0 . Dalam prisma pengukur, sinar dikumpulkan di wilayah sudut pembiasan terbatas, yang menjelaskan pembentukan batas bayangan cahaya pada layar perangkat.

Gbr.8. Jalur balok di kepala pengukur:

1 – prisma bercahaya, 2 – cairan yang diselidiki,

3 - mengukur prisma, 4 - layar.

PENENTUAN PERSENTASE GULA DALAM LARUTAN

Cahaya alami dan terpolarisasi. cahaya tampak- ini gelombang elektromagnetik dengan frekuensi osilasi dalam rentang dari 4∙10 14 hingga 7,5∙10 14 Hz. Gelombang elektromagnetik adalah melintang: vektor E dan H dari kekuatan medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus dan terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap vektor kecepatan rambat gelombang.

Karena fakta bahwa baik efek kimia dan biologi cahaya terutama terkait dengan komponen listrik dari gelombang elektromagnetik, vektor E intensitas medan ini disebut vektor cahaya, dan bidang osilasi vektor ini adalah bidang osilasi gelombang cahaya.

Dalam sumber cahaya apa pun, gelombang dipancarkan oleh banyak atom dan molekul, vektor cahaya dari gelombang ini terletak di berbagai bidang, dan osilasi terjadi dalam fase yang berbeda. Akibatnya, bidang osilasi vektor cahaya dari gelombang yang dihasilkan terus menerus mengubah posisinya dalam ruang (Gbr. 1). Cahaya ini disebut alami, atau tidak terpolarisasi.

Beras. 1. Representasi skematis dari sinar dan cahaya alami.

Jika kita memilih dua bidang yang saling tegak lurus melewati seberkas cahaya alami dan memproyeksikan vektor E pada bidang tersebut, maka rata-rata proyeksi ini akan sama. Dengan demikian, lebih mudah untuk menggambarkan seberkas cahaya alami sebagai garis lurus di mana jumlah yang sama dari kedua proyeksi berada dalam bentuk garis dan titik:

Ketika cahaya melewati kristal, dimungkinkan untuk mendapatkan cahaya yang bidang osilasi gelombangnya menempati posisi konstan di ruang angkasa. Cahaya ini disebut datar- atau terpolarisasi linier. Karena susunan atom dan molekul yang teratur dalam kisi spasial, kristal hanya mentransmisikan osilasi vektor cahaya yang terjadi dalam karakteristik bidang tertentu dari kisi yang diberikan.

Gelombang cahaya terpolarisasi bidang mudah digambarkan sebagai berikut:

Polarisasi cahaya juga bisa parsial. Dalam hal ini, amplitudo osilasi vektor cahaya di salah satu bidang secara signifikan melebihi amplitudo osilasi di bidang lain.

Cahaya terpolarisasi sebagian secara konvensional dapat digambarkan sebagai berikut: , dst. Rasio jumlah garis dan titik menentukan tingkat polarisasi cahaya.

Dalam semua metode untuk mengubah cahaya alami menjadi cahaya terpolarisasi, komponen dengan orientasi bidang polarisasi yang terdefinisi dengan baik akan dipilih seluruhnya atau sebagian dari cahaya alami.

Metode untuk memperoleh cahaya terpolarisasi: a) pemantulan dan pembiasan cahaya pada batas dua dielektrik; b) transmisi cahaya melalui kristal uniaksial anisotropik optik; c) transmisi cahaya melalui media, anisotropi optik yang dibuat secara artifisial oleh aksi medan listrik atau magnet, serta karena deformasi. Metode ini didasarkan pada fenomena anisotropi.

Anisotropi adalah ketergantungan sejumlah properti (mekanik, termal, listrik, optik) pada arah. Benda yang sifat-sifatnya sama ke segala arah disebut isotropik.

Polarisasi juga diamati selama hamburan cahaya. Derajat polarisasi semakin tinggi, semakin kecil ukuran partikel tempat terjadinya hamburan.

Perangkat yang dirancang untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi disebut polarizer.

Polarisasi cahaya selama pemantulan dan pembiasan pada antarmuka antara dua dielektrik. Ketika cahaya alami dipantulkan dan dibiaskan pada antarmuka antara dua dielektrik isotropik, polarisasi liniernya terjadi. Pada sudut datang yang berubah-ubah, polarisasi cahaya yang dipantulkan adalah parsial. Sinar pantul didominasi oleh osilasi tegak lurus terhadap bidang datang, sedangkan sinar bias didominasi oleh osilasi sejajar dengannya (Gbr. 2).

Beras. 2. Polarisasi parsial cahaya alami selama pemantulan dan pembiasan

Jika sudut datang memenuhi kondisi tg i B = n 21, maka cahaya yang dipantulkan terpolarisasi sempurna (hukum Brewster), dan sinar bias terpolarisasi tidak sepenuhnya, tetapi maksimal (Gbr. 3). Dalam hal ini sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus.

adalah indeks bias relatif dari dua media, i B adalah sudut Brewster.

Beras. 3. Polarisasi total sinar pantul selama pemantulan dan pembiasan

pada antarmuka antara dua dielektrik isotropik.

Refraksi ganda. Ada sejumlah kristal (kalsit, kuarsa, dll.) di mana seberkas cahaya, yang dibiaskan, terbagi menjadi dua berkas dengan sifat yang berbeda. Kalsit (Spar Islandia) adalah kristal dengan kisi heksagonal. Sumbu simetri prisma heksagonal yang membentuk selnya disebut sumbu optik. Sumbu optik bukanlah garis, tetapi arah dalam kristal. Setiap garis yang sejajar dengan arah ini juga merupakan sumbu optik.

Jika sebuah pelat dipotong dari kristal kalsit sehingga wajahnya tegak lurus terhadap sumbu optik, dan seberkas cahaya diarahkan sepanjang sumbu optik, maka tidak ada perubahan yang akan terjadi di dalamnya. Namun, jika balok diarahkan pada sudut sumbu optik, maka itu akan dibagi menjadi dua balok (Gbr. 4), yang satu disebut biasa, yang kedua - luar biasa.

Beras. 4. Birefringence ketika cahaya melewati pelat kalsit.

MN adalah sumbu optik.

Berkas sinar biasa terletak pada bidang datang dan memiliki indeks bias yang biasa untuk zat tertentu. Berkas luar biasa terletak pada bidang yang melewati berkas datang dan sumbu optik kristal, yang ditarik pada titik datang berkas. Pesawat ini disebut bidang utama kristal. Indeks bias sinar biasa dan sinar luar biasa berbeda.

Sinar biasa dan sinar luar biasa terpolarisasi. Bidang osilasi sinar biasa tegak lurus terhadap bidang utama. Osilasi sinar luar biasa terjadi di bidang utama kristal.

Fenomena birefringence disebabkan oleh anisotropi kristal. Sepanjang sumbu optik, kecepatan gelombang cahaya untuk sinar biasa dan luar biasa adalah sama. Di arah lain, kecepatan gelombang luar biasa dalam kalsit lebih besar daripada gelombang biasa. Perbedaan terbesar antara kecepatan kedua gelombang terjadi pada arah tegak lurus sumbu optik.

Menurut prinsip Huygens, dengan birefringence pada setiap titik pada permukaan gelombang yang mencapai batas kristal, dua gelombang elementer muncul secara bersamaan (bukan satu, seperti pada media biasa), yang merambat dalam kristal.

Kecepatan rambat satu gelombang ke segala arah adalah sama, yaitu gelombang memiliki bentuk bola dan disebut biasa. Kecepatan rambat gelombang lain dalam arah sumbu optik kristal sama dengan kecepatan gelombang biasa, dan dalam arah tegak lurus sumbu optik berbeda dari itu. Gelombang memiliki bentuk ellipsoid dan disebut luar biasa(Gbr.5).

Beras. 5. Perambatan gelombang biasa (o) dan luar biasa (e) dalam kristal

dengan pembiasan ganda.

Prisma Nicholas. Untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi, digunakan prisma polarisasi Nicol. Prisma dengan bentuk dan ukuran tertentu dipotong dari kalsit, kemudian digergaji di sepanjang bidang diagonal dan direkatkan dengan balsam Kanada. Ketika seberkas cahaya datang pada permukaan atas sepanjang sumbu prisma (Gbr. 6), sinar luar biasa datang pada bidang perekatan dengan sudut yang lebih kecil dan melewati hampir tanpa mengubah arah. Balok biasa jatuh pada sudut yang lebih besar dari sudut pantul total untuk balsam Kanada, dipantulkan dari bidang perekatan dan diserap oleh permukaan prisma yang menghitam. Prisma Nicol menghasilkan cahaya terpolarisasi penuh, bidang osilasinya terletak pada bidang utama prisma.

Beras. 6. Prisma Nicolas. Skema perjalanan biasa

dan sinar yang luar biasa.

Dikroisme. Ada kristal yang menyerap sinar biasa dan luar biasa dengan cara yang berbeda. Jadi, jika seberkas cahaya alami diarahkan pada kristal turmalin yang tegak lurus dengan arah sumbu optik, maka dengan ketebalan pelat hanya beberapa milimeter, sinar biasa akan diserap sepenuhnya, dan hanya sinar luar biasa yang akan keluar darinya. kristal (Gbr. 7).

Beras. 7. Lintasan cahaya melalui kristal turmalin.

Perbedaan sifat serapan sinar biasa dan sinar luar biasa disebut penyerapan anisotropi, atau dikroisme. Dengan demikian, kristal turmalin juga dapat digunakan sebagai polarizer.

Polaroid. Saat ini, polarizer banyak digunakan. polaroid. Untuk membuat polaroid, film transparan direkatkan di antara dua pelat kaca atau kaca plexiglass, yang mengandung kristal cahaya polarisasi zat dikroat (misalnya, iodokuinon sulfat). Selama proses pembuatan film, kristal diorientasikan sedemikian rupa sehingga sumbu optiknya sejajar. Seluruh sistem diperbaiki dalam bingkai.

Biaya polaroid yang rendah dan kemungkinan pembuatan pelat dengan area yang luas memastikan penerapannya yang luas dalam praktik.

Analisis cahaya terpolarisasi. Untuk mempelajari sifat dan derajat polarisasi cahaya, alat yang disebut analisa. Sebagai penganalisis, perangkat yang sama digunakan yang berfungsi untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi linier - polarizer, tetapi disesuaikan untuk rotasi di sekitar sumbu longitudinal. Alat analisa hanya melewatkan getaran yang bertepatan dengan bidang utamanya. Jika tidak, hanya komponen osilasi yang bertepatan dengan bidang ini yang melewati penganalisis.

Jika gelombang cahaya yang masuk ke alat analisis terpolarisasi linier, maka intensitas gelombang yang keluar dari alat analisis memenuhi Hukum Malus:

,

di mana I 0 adalah intensitas cahaya yang masuk, adalah sudut antara bidang cahaya yang masuk dan cahaya yang ditransmisikan oleh penganalisis.

Bagian cahaya melalui sistem polarizer-analyzer ditunjukkan secara skematis pada gambar. delapan.

Beras. Fig. 8. Skema lewatnya cahaya melalui sistem polarizer-analyzer (P - polarizer,

A - penganalisis, E - layar):

a) bidang utama polarizer dan analyzer bertepatan;

b) bidang utama polarizer dan analyzer terletak pada sudut tertentu;

c) bidang utama polarizer dan analyzer saling tegak lurus.

Jika bidang utama polarisator dan penganalisis bertepatan, maka cahaya sepenuhnya melewati penganalisis dan menerangi layar (Gbr. 7a). Jika mereka terletak pada sudut tertentu, cahaya melewati penganalisis, tetapi semakin dilemahkan (Gbr. 7b), semakin dekat sudut ini dengan 90 0 . Jika bidang-bidang ini saling tegak lurus, maka cahaya dipadamkan sepenuhnya oleh penganalisis (Gbr. 7c)

Rotasi bidang osilasi cahaya terpolarisasi. Polarimetri. Beberapa kristal, serta larutan zat organik, memiliki kemampuan untuk memutar bidang osilasi cahaya terpolarisasi yang melewatinya. Zat-zat tersebut disebut secara optik sebuah aktif. Ini termasuk gula, asam, alkaloid, dll.

Untuk sebagian besar zat optik aktif, keberadaan dua modifikasi ditemukan yang memutar bidang polarisasi searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam, masing-masing (untuk pengamat yang melihat ke arah sinar). Modifikasi pertama disebut dekstrorotatori, atau positif kedua - levorotary, atau negatif.

Aktivitas optik alami suatu zat dalam keadaan non-kristal disebabkan oleh asimetri molekul. Dalam zat kristal, aktivitas optik juga dapat disebabkan oleh kekhasan susunan molekul dalam kisi.

Dalam zat padat, sudut rotasi bidang polarisasi berbanding lurus dengan panjang d lintasan berkas cahaya dalam benda:

dimana adalah kemampuan rotasi (rotasi spesifik), tergantung pada jenis zat, suhu dan panjang gelombang. Untuk modifikasi rotasi kiri dan kanan, kemampuan rotasinya sama besarnya.

Untuk solusi, sudut rotasi bidang polarisasi

,

di mana adalah rotasi spesifik, c adalah konsentrasi zat aktif optik dalam larutan. Nilai tergantung pada sifat zat aktif optik dan pelarut, suhu dan panjang gelombang cahaya. Rotasi spesifik- ini adalah peningkatan sudut rotasi 100 kali untuk larutan setebal 1 dm pada konsentrasi zat 1 gram per 100 cm 3 larutan pada suhu 20 0 C dan pada panjang gelombang cahaya =589 nm. Metode yang sangat sensitif untuk menentukan konsentrasi c, berdasarkan rasio ini, disebut polarimetri (sakharimetri).

Ketergantungan rotasi bidang polarisasi pada panjang gelombang cahaya disebut dispersi rotasi. Pada aproksimasi pertama, ada Hukum Bio:

di mana A adalah koefisien tergantung pada sifat zat dan suhu.

Dalam pengaturan klinis, metode polarimetri digunakan untuk menentukan konsentrasi gula dalam urin. Alat yang digunakan untuk ini disebut sakharimeter(Gbr. 9).

Beras. 9. Tata letak optik sakharimeter:

Dan - sumber cahaya alami;

C - filter cahaya (monokromator), yang memastikan koordinasi operasi perangkat

dengan hukum Biot;

L adalah lensa konvergen yang memberikan berkas cahaya paralel pada output;

P - polarisator;

K – tabung dengan larutan uji;

A - analyzer dipasang pada disk berputar D dengan divisi.

Saat melakukan penelitian, penganalisis pertama kali disetel ke penggelapan maksimum bidang pandang tanpa larutan uji. Kemudian tabung dengan larutan ditempatkan di perangkat dan, dengan memutar penganalisis, bidang pandang digelapkan lagi. Yang lebih kecil dari dua sudut di mana penganalisis harus diputar adalah sudut rotasi untuk analit. Sudut digunakan untuk menghitung konsentrasi gula dalam larutan.

Untuk menyederhanakan perhitungan, tabung dengan larutan dibuat sedemikian panjang sehingga sudut rotasi alat analisis (dalam derajat) secara numerik sama dengan konsentrasi Dengan larutan (dalam gram per 100 cm 3). Panjang tabung glukosa adalah 19 cm.

mikroskop polarisasi. Metode ini didasarkan pada anisotropi beberapa komponen sel dan jaringan yang muncul ketika diamati dalam cahaya terpolarisasi. Struktur yang terdiri dari molekul yang disusun secara paralel atau piringan yang disusun dalam bentuk tumpukan, ketika dimasukkan ke dalam media dengan indeks bias yang berbeda dari indeks bias partikel struktur, menunjukkan kemampuan untuk pembiasan ganda. Ini berarti bahwa struktur hanya akan mentransmisikan cahaya terpolarisasi jika bidang polarisasi sejajar dengan sumbu panjang partikel. Ini tetap berlaku bahkan ketika partikel tidak memiliki birefringence sendiri. Optik anisotropi diamati pada otot, jaringan ikat (kolagen) dan serabut saraf.

Nama otot rangka lurik" karena perbedaan sifat optik dari masing-masing bagian serat otot. Ini terdiri dari area substansi jaringan yang lebih gelap dan lebih terang. Ini memberi serat lurik melintang. Studi tentang serat otot dalam cahaya terpolarisasi mengungkapkan bahwa area yang lebih gelap adalah anisotropik dan memiliki sifat birefringence, sedangkan daerah yang lebih gelap adalah isotropik. kolagen serat bersifat anisotropik, sumbu optiknya terletak di sepanjang sumbu serat. Misel dalam bubur neurofibril juga anisotropik, tetapi sumbu optiknya terletak dalam arah radial. Untuk pemeriksaan histologis struktur ini, digunakan mikroskop polarisasi.

Komponen terpenting dari mikroskop polarisasi adalah polarizer, yang terletak di antara sumber cahaya dan kapasitor. Selain itu, mikroskop memiliki panggung berputar atau tempat sampel, penganalisis yang terletak di antara objektif dan lensa okuler, yang dapat dipasang sehingga sumbunya tegak lurus dengan sumbu polarizer, dan kompensator.

Ketika polarizer dan analyzer disilangkan dan objek hilang atau isotropik lapangan tampak gelap merata. Jika ada objek dengan birefringence, dan terletak sehingga sumbunya membentuk sudut terhadap bidang polarisasi, berbeda dari 0 0 atau dari 90 0 , itu akan membagi cahaya terpolarisasi menjadi dua komponen - sejajar dan tegak lurus terhadap bidang analisa. Akibatnya, sebagian cahaya akan melewati penganalisis, menghasilkan gambar objek yang cerah dengan latar belakang gelap. Ketika objek berputar, kecerahan gambarnya akan berubah, mencapai maksimum pada sudut 45 0 relatif terhadap polarizer atau analyzer.

Mikroskop polarisasi digunakan untuk mempelajari orientasi molekul dalam struktur biologis (misalnya sel otot), serta selama pengamatan struktur yang tidak terlihat dengan metode lain (misalnya gelendong mitosis selama pembelahan sel), identifikasi struktur heliks.

Cahaya terpolarisasi digunakan dalam kondisi model untuk menilai tekanan mekanis yang terjadi pada jaringan tulang. Metode ini didasarkan pada fenomena fotoelastisitas, yang terdiri dari terjadinya anisotropi optik pada padatan isotropik awalnya di bawah aksi beban mekanis.

PENENTUAN PANJANG GELOMBANG CAHAYA MENGGUNAKAN Kisi difraksi

Gangguan ringan. Interferensi cahaya adalah fenomena yang terjadi ketika gelombang cahaya ditumpangkan dan disertai dengan amplifikasi atau redamannya. Pola interferensi yang stabil muncul ketika gelombang koheren ditumpangkan. Gelombang koheren disebut gelombang dengan frekuensi yang sama dan fase yang sama atau memiliki pergeseran fase yang konstan. Amplifikasi gelombang cahaya selama interferensi (kondisi maksimum) terjadi jika cocok dengan jumlah setengah panjang gelombang yang genap:

di mana k – urutan maksimum, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ adalah panjang gelombang cahaya.

Pelemahan gelombang cahaya selama interferensi (kondisi minimum) diamati jika jumlah ganjil setengah panjang gelombang masuk ke dalam perbedaan jalur optik :

di mana k adalah urutan minimum.

Perbedaan lintasan optik dua berkas adalah perbedaan jarak dari sumber ke titik pengamatan pola interferensi.

Interferensi pada film tipis. Interferensi pada lapisan tipis dapat diamati pada gelembung sabun, pada titik minyak tanah di permukaan air saat disinari oleh sinar matahari.

Biarkan balok 1 jatuh pada permukaan film tipis (lihat Gambar 2). Berkas, dibiaskan pada antarmuka udara-film, melewati film, dipantulkan dari permukaan bagian dalam, mendekati permukaan luar film, dibiaskan pada antarmuka film-udara, dan berkas keluar. Kami mengarahkan balok 2 ke titik keluar balok, yang melewati sejajar dengan balok 1. Balok 2 dipantulkan dari permukaan film , ditumpangkan pada balok , dan kedua balok berinterferensi.

Saat menyinari film dengan cahaya polikromatik, kami mendapatkan gambar pelangi. Ini disebabkan oleh fakta bahwa ketebalan film tidak seragam. Akibatnya, perbedaan jalur dengan magnitudo yang berbeda muncul, yang sesuai dengan panjang gelombang yang berbeda (film sabun berwarna, warna warni sayap beberapa serangga dan burung, lapisan minyak atau minyak pada permukaan air, dll.).

Interferensi cahaya digunakan dalam perangkat - interferometer. Interferometer adalah perangkat optik yang dapat digunakan untuk memisahkan dua berkas secara spasial dan membuat perbedaan jalur tertentu di antara keduanya. Interferometer digunakan untuk menentukan panjang gelombang dengan tingkat akurasi yang tinggi dari jarak kecil, indeks bias zat dan menentukan kualitas permukaan optik.

Untuk tujuan sanitasi dan higienis, interferometer digunakan untuk menentukan kandungan gas berbahaya.

Kombinasi interferometer dan mikroskop (mikroskop interferensi) digunakan dalam biologi untuk mengukur indeks bias, konsentrasi bahan kering, dan ketebalan objek mikro transparan.

Prinsip Huygens-Fresnel. Menurut Huygens, setiap titik medium, yang dicapai gelombang primer pada saat tertentu, merupakan sumber gelombang sekunder. Fresnel menyempurnakan posisi Huygens ini dengan menambahkan bahwa gelombang sekunder koheren, yaitu. ketika ditumpangkan, mereka akan memberikan pola interferensi yang stabil.

Difraksi cahaya. Difraksi cahaya adalah fenomena penyimpangan cahaya dari propagasi bujursangkar.

Difraksi pada balok paralel dari satu celah. Biar tepat sasaran di seberkas cahaya monokromatik paralel jatuh (lihat Gambar 3):

Sebuah lensa dipasang di jalur sinar L , di bidang fokus tempat layar berada E . Kebanyakan balok tidak berdifraksi; tidak mengubah arah mereka, dan mereka difokuskan oleh lensa L di tengah layar, membentuk maksimum pusat atau maksimum orde nol. Sinar difraksi pada sudut difraksi yang sama φ , akan membentuk maxima pada layar 1,2,3,…, n - pesanan.

Jadi, pola difraksi yang diperoleh dari satu celah pada berkas paralel bila disinari dengan cahaya monokromatik adalah garis terang dengan penerangan maksimal di tengah layar, kemudian muncul garis gelap (minimal orde 1), kemudian muncul garis terang ( maksimal order ke 1)), dark band (minimal order ke 2), maksimal order ke-2, dst. Pola difraksi simetris terhadap maksimum pusat. Ketika celah disinari dengan cahaya putih, sistem pita berwarna terbentuk di layar, hanya maksimum pusat yang akan mempertahankan warna cahaya datang.

Ketentuan maksimal dan min difraksi. Jika dalam perbedaan jalur optik Δ muat sejumlah ganjil ruas sama dengan , maka terjadi peningkatan intensitas cahaya ( maksimal difraksi):

di mana k adalah urutan maksimum; k =±1,±2,±…,± n;

λ adalah panjang gelombang.

Jika dalam perbedaan jalur optik Δ muat sejumlah genap sama dengan , maka terjadi pelemahan intensitas cahaya ( min difraksi):

di mana k adalah urutan minimum.

Kisi difraksi. Kisi difraksi terdiri dari strip bolak-balik yang tidak tembus cahaya dengan garis-garis (celah) transparan terhadap cahaya dengan lebar yang sama.

Ciri utama kisi difraksi adalah periodenya d . periode kisi difraksi adalah lebar total pita transparan dan pita buram:

Sebuah kisi difraksi digunakan dalam instrumen optik untuk meningkatkan resolusi instrumen. Resolusi kisi difraksi bergantung pada orde spektrum k dan pada jumlah pukulan N :

di mana R - resolusi.

Turunan dari rumus kisi difraksi. Mari kita arahkan dua sinar sejajar ke kisi difraksi: 1 dan 2 sehingga jarak antara keduanya sama dengan periode kisi d .

Pada titik TETAPI dan PADA balok 1 dan 2 difraksi, menyimpang dari arah bujursangkar pada sudut φ adalah sudut difraksi.

sinar dan difokuskan oleh lensa L ke layar yang terletak di bidang fokus lensa (Gbr. 5). Setiap celah kisi dapat dianggap sebagai sumber gelombang sekunder (prinsip Huygens-Fresnel). Pada layar di titik D, kami mengamati pola interferensi maksimum.

Dari satu titik TETAPI di jalan balok jatuhkan tegak lurus dan dapatkan titik C. pertimbangkan segitiga ABC : segitiga siku-siku =Рφ sebagai sudut-sudut yang sisi-sisinya saling tegak lurus. Dari Δ ABC:

di mana AB=d (dengan konstruksi),

SW = adalah perbedaan jalur optik.

Karena di titik D kita amati interferensi maksimum, maka

di mana k adalah urutan maksimum,

λ adalah panjang gelombang cahaya.

Memasukkan nilai-nilai AB=d, ke dalam rumus untuk dosa :

Dari sini kita mendapatkan:

Secara umum, rumus kisi difraksi memiliki bentuk:

Tanda ± menunjukkan bahwa pola interferensi pada layar adalah simetris terhadap maksimum pusat.

Dasar fisik holografi. Holografi adalah metode perekaman dan rekonstruksi medan gelombang, yang didasarkan pada fenomena difraksi dan interferensi gelombang. Jika hanya intensitas gelombang yang dipantulkan dari objek yang ditetapkan pada foto biasa, maka fase gelombang juga direkam pada hologram, yang memberikan informasi tambahan tentang objek dan memungkinkan untuk memperoleh gambar tiga dimensi dari gelombang. objek.

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.

Menerapkan 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 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. Berkas 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 kurang 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 untuk Anda - Anda akan melihat bayangan cermin dari bagian bawah air dari badan pena.

Menjelaskan fenomena yang diamati.

laboratorium #4

Tema. 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.