Lichtbrechung: Elemente, Gesetze und Experimente
Die Lichtbrechung ist das optische Phänomen, das auftritt, wenn Licht schräg auf die Trennfläche zweier Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex trifft. In diesem Fall ändert das Licht seine Richtung und Geschwindigkeit.
Brechung tritt zum Beispiel auf, wenn Licht von Luft zu Wasser gelangt, da Wasser einen niedrigeren Brechungsindex aufweist. Es ist ein Phänomen, das im Becken perfekt sichtbar ist, wenn beobachtet wird, wie die Körperformen unter Wasser von der Richtung abzuweichen scheinen, die sie haben sollten.
Es ist ein Phänomen, das verschiedene Wellentypen betrifft, obwohl der Fall des Lichts der repräsentativste ist und in unserem Alltag mehr Präsenz hat.
Die Erklärung für die Lichtbrechung lieferte der niederländische Physiker Willebrord Snell van Royen, der ein Gesetz aufstellte, das als Snells Gesetz bekannt wurde.
Ein weiterer Wissenschaftler, der der Lichtbrechung besondere Aufmerksamkeit schenkte, war Isaac Newton. Um es zu studieren, schuf er das berühmte Glasprisma. Im Prisma dringt das Licht durch eines seiner Gesichter in ihn ein und zerfällt in den verschiedenen Farben. Auf diese Weise hat er durch das Phänomen der Lichtbrechung bewiesen, dass sich weißes Licht aus allen Farben des Regenbogens zusammensetzt.
Elemente der Brechung
Die Hauptelemente, die bei der Untersuchung der Lichtbrechung berücksichtigt werden sollten, sind die folgenden: - Der einfallende Strahl, bei dem es sich um den Strahl handelt, der schräg auf die Trennfläche der beiden physikalischen Medien einfällt. - Der gebrochene Strahl ist der Strahl, der das Medium durchquert und dessen Richtung und Geschwindigkeit ändert. -Die Normallinie ist die imaginäre Linie senkrecht zur Trennfläche der beiden Medien. - Der Einfallswinkel (i), der als der Winkel definiert ist, den der einfallende Strahl mit dem normalen bildet. - Der Brechungswinkel (r), der als der Winkel definiert ist, den die Normale mit dem gebrochenen Strahl bildet.-Zusätzlich sollte auch der Brechungsindex (n) eines Mediums berücksichtigt werden, der der Quotient aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit im Medium ist.
n = c / v
In diesem Zusammenhang ist daran zu erinnern, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum den Wert von 300.000.000 m / s annimmt.
Brechungsindex von Licht in verschiedenen Medien
Der Brechungsindex von Licht in einigen der häufigsten Mittel sind:
Gesetze der Brechung
Das Snell'sche Gesetz wird oft als das Brechungsgesetz bezeichnet, aber in Wahrheit kann gesagt werden, dass es sich bei den Brechungsgesetzen um zwei handelt.
Erstes Gesetz der Brechung
Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und der normale Strahl befinden sich in derselben Raumebene. In diesem Gesetz, das auch von Snell abgeleitet wurde, wird auch die Reflexion angewendet.
Zweites Gesetz der Brechung
Das zweite, das Brechungsgesetz oder das Snellsche Gesetz, wird durch den folgenden Ausdruck bestimmt:
n 1 sin i = n 2 sen r
N 1 ist der Brechungsindex des Mediums, von dem das Licht kommt; i der Einfallswinkel; n 2 der Brechungsindex des Mediums, in dem das Licht gebrochen wird; r den Brechungswinkel.
Fermats Prinzip
Ab dem Beginn der minimalen Zeit oder des Prinzips von Fermat können wir sowohl die Reflexions- als auch die Brechungsgesetze herleiten, die wir gerade gesehen haben.
Dieses Prinzip bestätigt, dass die reale Flugbahn, die einem Lichtstrahl folgt, der sich zwischen zwei Punkten des Raums bewegt, diejenige ist, die die kürzere Zeit benötigt, um ihn zu durchqueren.
Folgen des Snellschen Gesetzes
Einige der direkten Konsequenzen, die sich aus dem vorherigen Ausdruck ergeben, sind:
a) Wenn n 2 > n 1 ist ; sen r <sen io sea r <i
Wenn ein Lichtstrahl von einem Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex zu einem Medium mit einem höheren Brechungsindex übergeht, nähert sich der gebrochene Strahl dem Normalzustand.
b) Wenn n 2 <n 1 ist ; sen r> sin io sea r> i
Wenn ein Lichtstrahl von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex zu einem Medium mit einem niedrigeren Index übergeht, bewegt sich der gebrochene Strahl von dem normalen weg.
c) Wenn der Einfallswinkel Null ist, ist auch der Winkel des Brechungsstrahls Null.
Grenzwinkel und Totalreflexion
Eine weitere wichtige Konsequenz des Snellschen Gesetzes ist der sogenannte Grenzwinkel. Dies ist die Bezeichnung für den Einfallswinkel, der einem Brechungswinkel von 90 ° entspricht.
In diesem Fall bewegt sich der gebrochene Strahl bündig mit der Trennfläche der beiden Medien. Dieser Winkel wird auch als kritischer Winkel bezeichnet.
Bei Winkeln oberhalb des Grenzwinkels tritt das als Totalreflexion bezeichnete Phänomen auf. In diesem Fall tritt keine Brechung auf, da der gesamte Lichtstrahl intern reflektiert wird. Interne Totalreflexion tritt nur auf, wenn von einem Medium mit höherem Brechungsindex zu einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex gewechselt wird.
Eine Anwendung der Totalreflexion ist die Lichtleitung durch die Lichtleitfaser, ohne dass ein Energieverlust auftritt. Dank dessen können wir die hohen Datenübertragungsgeschwindigkeiten genießen, die Glasfasernetzwerke bieten.
Experimente
Ein sehr grundlegendes Experiment, um das Phänomen der Brechung beobachten zu können, besteht darin, einen Bleistift oder einen Stift in ein Glas voll Wasser einzuführen. Infolge der Lichtbrechung erscheint der Teil des untergetauchten Stifts oder Stifts in Bezug auf die zu erwartende Flugbahn leicht gebrochen oder abweichend.
Sie können auch versuchen, ein ähnliches Experiment mit einem Laserpointer durchzuführen. Natürlich ist es notwendig, ein paar Tropfen Milch in das Glas Wasser zu gießen, um die Sichtbarkeit des Laserlichts zu verbessern. In diesem Fall wird empfohlen, das Experiment bei schlechten Lichtverhältnissen durchzuführen, um den Weg des Lichtstrahls besser einschätzen zu können.
In beiden Fällen ist es interessant, verschiedene Einfallswinkel auszuprobieren und zu beobachten, wie sich der Brechungswinkel ändert, wenn sich diese ändern.
Ursachen
Die Ursachen für diesen optischen Effekt müssen in der Brechung des Lichts gesucht werden, das bewirkt, dass das Bild des Bleistifts (oder des Laserstrahls) unter Wasser in Bezug auf das Bild, das wir in der Luft sehen, abgelenkt erscheint.
Die Lichtbrechung von Tag zu Tag
Die Lichtbrechung kann in vielen Situationen unseres Alltags beobachtet werden. Einige davon haben wir bereits genannt, andere werden wir weiter unten kommentieren.
Eine Folge der Brechung ist, dass die Pools flacher erscheinen als sie tatsächlich sind.
Ein weiterer Brechungseffekt ist der Regenbogen, der auftritt, weil Licht durch den Durchtritt von Wassertröpfchen in die Atmosphäre gebrochen wird. Es ist dasselbe Phänomen, das auftritt, wenn ein Lichtstrahl durch ein Prisma tritt.
Eine weitere Folge der Lichtbrechung ist, dass wir den Sonnenuntergang der Sonne beobachten, wenn bereits einige Minuten vergangen sind, seit es wirklich passiert ist.
