Пречупване
Пречупване(рефракция) е явление на промяна на пътя на светлинен лъч (или други вълни), което възниква на границата между две прозрачни (пропускливи за тези вълни) среди или в дебелината на среда с непрекъснато променящи се свойства. Пречупването е характерно за много видове радиация от различно естество, например електромагнитни и звукови вълни.
- Пречупването на радиовълните има специфика и е разгледано в отделна статия.
Съдържание
Обща информация[редактиране]
Пречупването на почти всяка вълна се подчинява на закона на Снел. Ограничения върху приложимостта на този закон възникват, ако дължината на вълната е голяма в сравнение с пречупващия обект, така че дифракцията може напълно да маскира пречупването; необходима е и изотропността на средата - която много често се среща в практиката.
Тясно свързано с пречупването е явлението отражение от границата на прозрачната среда. В известен смисъл това са две страни на едно и също явление. Така например явлението пълно вътрешно отражение се дължи на факта, че няма пречупена вълна, която да отговаря на закона за пречупване за някои ъгли на падане, и вълната трябва да бъде напълно отразена.
За всеки конкретен тип вълни и среда има определени зависимости, които свързват интензитета на падащите, пречупените и отразените вълни в зависимост от ъгъла на падане.
Физика на феномена[редактиране]
Пречупване възниква, когато скоростта на вълните в контактната среда е различна (виж Индекс на пречупване). В този случай общата стойност на скоростта на вълната трябва да бъде различна от различните страни на интерфейса между медиите. Скоростта на гребена на вълната по протежение на границата обаче трябва да бъде еднаква и за двете "половини" на вълната (в крайна сметка награницата не може да бъде рязко нарушена). От геометрични съображения се оказва, че скоростта на билото \(
v_\alpha\) по линия, наклонена към посоката на разпространение на вълната под ъгъл \(
\alpha\), изразена като върхова скорост, измерена в посоката на разпространение на вълната \(
v_\alpha = v / sin\alpha.\)
(Това става ясно от факта, че през същото време, през което вълната преминава в посоката на своето разпространение, тоест перпендикулярно на гребена, разстояние, равно на катета на триъгълника, по наклонена линия тя ще измине разстояние, равно на хипотенузата през това време, а съотношението на тези разстояния, равно на синуса на ъгъла, ще даде отношението на скоростите). Вижте и снимки.
След това, записвайки същото за вълната във втората среда и приравнявайки скоростта по границата, получаваме
v_1 / sin \alpha = v_2 / sin \beta,\)
което е еквивалентно на закона на Снел, като се има предвид, че \(
v_1 = c / n_1, v_2 = c / n_2\).
За синусоидална вълна, характеризираща се с вълнов вектор, перпендикулярен (в изотропната среда, която се разглежда тук) спрямо посоката на разпространение на вълната и честота, същите съображения изясняват, че компонентът на вълновия вектор, успореден на интерфейса, трябва да бъде един и същ преди и след преминаване през този интерфейс, което води до същото заключение.
Освен това е интересно да се отбележи, че вълновият вектор на фотона е равен на неговия вектор на импулса, разделен на константата на Планк, и това позволява допълнителна физическа интерпретация на закона за пречупване по отношение на запазването на компонента на импулса по границата.
В резултат на това на границата между две контактни среди се наблюдава пречупване на светлинния лъч, което качествено се свежда до факта, че ъглите към нормалата към границата на падащия и пречупения лъчсе различават един от друг, тоест лъчът е счупен - пречупен.
Рефракция в инженерни и научни инструменти[редактиране]
Феноменът на рефракцията е в основата на работата на пречупващи телескопи (за научни и практически цели, включително по-голямата част от зрителни тръби, бинокли и други устройства за наблюдение), лещи за фото, филмови и телевизионни камери, микроскопи, лупи, очила, прожекционни устройства, приемници и предаватели на оптични сигнали, концентратори на мощни светлинни лъчи, призмени спектроскопи и спектрометри, при sm монохроматори и много други оптични устройства, съдържащи лещи и/или призми. Необходимо е да се вземе предвид при изчисляване на работата на почти всички оптични устройства. Всичко това се отнася за различни диапазони на електромагнитния спектър.
В акустиката пречупването на звука е особено важно да се вземе предвид при изучаване на разпространението на звука в нехомогенна среда и, разбира се, на границата между различни среди.