Пречупване на светлината

Светлината се пречупва, когато преминава между среди с различна фазова скорост. Промяната на посоката следва от граничните условия за вълната на разделителната повърхност, докато честотата остава една и съща.

Показателят на пречупване свързва скоростта на светлината със средата

Показателят на пречупване е n = c/v, където c е скоростта във вакуум, а v е фазовата скорост в средата. За обичайни прозрачни материали n > 1 и следователно v < c.

Когато светлината влиза в среда с по-голям n, фазовата скорост намалява. Честотата обаче не се променя на границата, защото се задава от източника и времевото изменение на полето е непрекъснато.

Законът на Снел определя посоката на лъча

θ₁θ₂n₁n₂
Законът на Снел използва ъгли спрямо нормалата. Преходът към по-голям показател пречупва лъча към нормалата.

За ъгли, измерени спрямо нормалата, важи n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. При преход към по-голям n лъчът се пречупва към нормалата, а към по-малък n — от нормалата.

Ъглите винаги се измерват от нормалата, не от повърхността. Ако при преход от по-голям към по-малък n изчисленото sin θ₂ стане по-голямо от 1, няма реален пречупен лъч и настъпва пълно вътрешно отражение.

Калкулатор по закона на Снел

Честотата не се променя на границата

λf = const.v = c/n
На неподвижна граница честотата се запазва; промяната на фазовата скорост се проявява като промяна на дължината на вълната.

При неподвижна граница честотата е еднаква от двете страни. Понеже v = fλ, дължината на вълната трябва да се промени заедно с фазовата скорост. В среда λ = λ₀/n.

Следователно пречупването изменя посоката и дължината на вълната чрез промяната на скоростта, но не оптичната честота. Енергията на фотона E = hf не се изменя само заради идеална неподвижна граница.

Дисперсия и реални материали

В реални материали n зависи от честотата или дължината на вълната. Различните цветове затова се пречупват под малко различни ъгли. Призма разлага бяла светлина, защото например виолетовата и червената светлина имат различен n.

Посочена стойност на n се отнася до конкретни условия, често определена дължина на вълната и температура. Прецизната оптика използва дисперсионни данни вместо една универсална константа.

Разделяйте посока, скорост и дължина на вълната

Три въпроса се решават отделно: законът на Снел дава посоката, n = c/v фазовата скорост, а v = fλ дължината на вълната при известна f. Смесването им е чест източник на грешки.

Нормално падане не променя посоката на лъча, въпреки че скоростта и дължината на вълната се изменят. Голяма промяна на посоката може да настъпи без промяна на честотата.

Решени примери

1. От въздух към стъкло

Светлина преминава от въздух n₁ = 1,00 в стъкло n₂ = 1,50 при θ₁ = 30,0°. Намерете θ₂.

Решение

sin θ₂ = (1,00/1,50) sin 30,0° = 1/3, следователно θ₂ ≈ 19,5°. Лъчът се пречупва към нормалата.

2. Скорост на светлината във вода

Среда има n = 1,33. Намерете фазовата скорост на светлината.

Решение

v = c/n = (2,998 × 10⁸)/1,33 ≈ 2,26 × 10⁸ m s⁻¹.

3. Дължина на вълната в стъкло

Светлина има вакуумна дължина 600 nm и влиза в стъкло с n = 1,50. Намерете дължината в стъклото.

Решение

Честотата се запазва, затова λ = λ₀/n = 600/1,50 = 400 nm.