Reflexion und Brechung

Quelle: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics & Astronomie, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA

Licht bewegt sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten je nach Material, durch das es verbreiten wird. Wenn Licht von einem Material zum anderen reist, wird es entweder verlangsamen oder beschleunigen. Um zu sparen Energie und Dynamik, das Licht müssen die Richtung ändern, in der es propagiert. Diese Krümmung des Lichts nennt man Brechung. Ein Teil des Lichts spiegelt sich auch an der Schnittstelle zwischen den beiden Materialien. In besonderen Fällen kann ein Lichtstrahl so scharf an einer Schnittstelle gebrochen werden, dass es eigentlich komplett zurück in das Medium reflektiert wird, aus dem es kam.

Linsen machen nutzen das Prinzip der Lichtbrechung. Linsen gibt es in zwei Varianten mit unterschiedlichen Krümmungen: konvexe Linsen und konkaven Linsen. Konvexe Linsen werden häufig verwendet, um Licht fokussieren aber können auch verwendet werden, um vergrößerte Bilder von Objekten zu erstellen. Wenn eine konvexe Linse die Lichtstrahlen, die von einem Objekt auseinander, das menschliche Auge Richter bewirkt, dass das Licht von einem bestimmten Punkt hinter das eigentliche Objekt das Licht stammt zu kommen. Das Bild des Objekts wird in diesem Fall vergrößert werden. Diese Art von Bildern nennt man ein virtuelles Bild. Konkave Linsen kann auch Lichtstrahlen divergieren, und erstellen Sie virtuelle Bilder, obwohl das Bild demagnified werden.

Dieses Labor zeigen das grundlegende Gesetz der Lichtbrechung und prüft die Möglichkeiten, in denen Objektive Bilder erstellen.

Wenn Licht auf die Schnittstelle zwischen zwei Materialien trifft, ist es durch einige Winkel gebogen, das hängt von der Zusammensetzung der beiden Materialien. An der Grenze, die Geschwindigkeit, mit der das Licht breitet sich Änderungen, wodurch seine Richtung der Fortpflanzung als auch ändern. Jedes Medium hat einen charakteristischen "Brechungsindex", das als das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit von Licht im Vakuum und die Lichtgeschwindigkeit im Medium definiert ist:

wo n ist die dimensionslose Brechungsindex, c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in Meter pro Sekunde (m/s) und v ist die Geschwindigkeit des Lichts im Medium in Meter pro Sekunde (m/s). Licht bewegt langsam in ein Medium mit einem hohen Brechungsindex und schneller in einem Medium mit einem niedrigen Brechungsindex.

Für einen bestimmten Einfallswinkel, ө_ich (Winkel, bei dem das Licht die Grenze zwischen den beiden Medien trifft), der Winkel, in dem der Lichtstrahl gebrochen wird, ө_R, gegeben durch Gesetz der Lichtbrechung, welche ist besser bekannt als Snell Gesetz:

ө_ich und ө_R in Grad sind, wobei n1 und n2 der dimensionslose Indizes der Brechung der Anfangs- und Endwert Materialien durch die sind reist des Lichts. Die Refraktion-Winkel gibt die Richtung in der gebrochene Welle in das zweite Medium reist (siehe Abbildung 1). Ein Teil des einfallenden Lichts spiegelt sich auch wieder in das erste Medium in einem Winkel der Einfallswinkel gleich.

Ein interessantes Phänomen tritt auf, wenn Licht von einem Material mit einem hohen Brechungsindex zu einem mit einem niedrigeren Index geht. Es gibt eine kritische Einfallswinkel an dem gebrochene Winkel 90° werden wird. Wenn Licht die Grenze auf der Grenzwinkel trifft, der gebrochene Strahl entlang der Grenze zwischen den Medien reist und etwas Licht zurück in den hohen Brechungsindex Material reflektiert wird (siehe Abbildung 2). Trifft Licht auf die Grenze in einem Winkel größer als dieser Grenzwinkel, wird es vollständig zurück in den hohen Brechungsindex Material in einer Veranstaltung namens Totalreflexion reflektiert.

Abbildung 1: Einen einfallenden Lichtstrahl an der Grenze zwischen zwei Medienergebnisse in einem reflektierten Strahl und einem gebrochenen Strahl.

Abbildung 2: Total interne Reflexion n₂ > n₁. Blue Ray ist im kritischen Winkel einfallenden und führt zu einem gebrochenen Strahl Reisen entlang der Grenzfläche und reflektierter Strahl. Der rote Strahl ist in einem Winkel größer als der Grenzwinkel Vorfall und führt zu einem völlig intern reflektierten Strahl.

Objektive nutzen Sie Brechung erstelle echte und virtuelle Bilder von Objekten. Ein reelles Bild ist ein Bild, gebildet durch die physische Konvergenz der Lichtstrahlen, die von einem Objekt kam. Ein virtuelles Bild entsteht, wenn Lichtstrahlen erscheinen zu konvergieren, aber nicht tatsächlich physisch konvergieren. Unsere Augen konstruieren ein Ausgangspunkt für divergierende Strahlen, und dieser Punkt von Ursprung dient als Quelle für die virtuellen Abbilder obwohl die Lichtstrahlen nicht tatsächlich an diesem Punkt konvergieren. Beispiele für reale und virtuelle Bilder von einer konvexen Linse gebildet sind in Abbildung 3dargestellt. Objektive haben eine charakteristische Länge, genannt die "Brennweite", die die Entfernung von der Linse ist bei denen die Lichtstrahlen mit Ursprung unendlich weit weg richtet sich nach dem Durchgang durch die Linse. Die Brennweite eines Objektivs angegeben, wird der Abstand zwischen dem Objekt und dem Objektiv den Speicherort des Bildes entsprechend der dünne Linse Gleichung ermitteln:

Wo f ist die Brennweite des Objektivs in Metern (m), o ist der Abstand zwischen Objektiv und Objekt in Metern (m), und ich ist der Abstand zwischen dem Objektiv und Bild in Metern (m). Wenn die Objektentfernung ergriffen werden, um eine positive Menge werden dann, wenn die Bild-Abstand positiv ist, das Bild werden real und befindet sich auf der Seite der Linse gegenüber dem Objekt. Wenn die Bild-Abstand negativ ist, wird das Bild virtuelle, vergrößerte und befindet sich auf der gleichen Seite des Objektivs als das Objekt sein.

Abbildung 3: Eine konvexe Linse, die Herstellung von realen und virtuellen Bildern. Reale Bilder in Form von echte Konvergenz Lichtstrahlen. Virtuelle Bilder entstehen durch unsere Augen von divergierenden Lichtstrahlen.

1. bestimmen Sie den Brechungsindex des Wassers mit Snell Gesetz (Gesetz der Lichtbrechung) und finden Sie der Grenzwinkel für Totalreflexion zu.

1. Erhalten Sie einen spezialisierte Brechung Tank mit einer Lichtquelle.
2. Die Brechung Tank mit Wasser füllen und die Lichtquelle einschalten. Leiten Sie den Lichtstrahl von der Lichtquelle in der Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt. Es möglicherweise notwendig, das Licht in den Raum zu verdunkeln.
3. Verwenden Sie Winkelmesser auf die Brechung Tank zur Messung des Strahls Einfallswinkel (der Winkel gemessen in der Hälfte des Tanks mit Wasser gefüllt) und Winkel der Brechung (der Winkel gemessen in der Hälfte des mit Luft gefüllten Tanks) für die Luft-Wasser-Schnittstelle in den Tank.
4. Verwenden Sie die gemessenen Winkel und dem Brechungsindex für Luft (n_Luft = 1.00) zur Berechnung der Brechungsindex für Wasser.
5. Wiederholen Sie die vorherigen Schritte für ein paar einfallende Winkel von 0° auf knapp unter 90°.
6. Da der Einfallswinkel erhöht wird, wird man feststellen, dass der gebrochene Lichtstrahl nicht mehr in der Hälfte des Behälters mit Luft zu sehen. Drehen Sie langsam die Lichtquelle über dem Tank erreicht der Punkt, an dem der Lichtstrahl zunächst aus der Luft verschwindet. Dies ist der Grenzwinkel für Totalreflexion.
7. Wenn die Lichtquelle weiter gedreht wird, ist darauf hinzuweisen, dass der Strahl wieder ins Wasser widerspiegelt.
8. Die Lichtquelle zu bewegen, so dass der Strahl die Hälfte des Tanks gefüllt mit Luft zuerst vor Reisen ins Wasser Eintritt. Nehmen Sie ein paar Winkel der Inzidenz und Brechung unter dieser Bedingung. Beachten Sie, dass zuvor der Einfallswinkel der Winkel war an dem das Licht durch das Wasser gereist. Da das Licht nun durch die Luft geht erstens neue Einfallswinkel ist der Winkel, in dem sie durch die Luft reist, und der neue Winkel der Brechung ist der Winkel, in dem sie durch das Wasser reist.
9. Beachten Sie, dass interne Totalreflexion nicht in dieser Konfiguration auftritt. Totalreflexion tritt nur auf, wenn Licht von einem Medium mit einem hohen Brechungsindex auf ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex geht.

2. Messen Sie die Brennweite eines Objektivs und erstellen Sie reale und virtuelle Bilder eines Objekts zu.

1. Erhalten Sie eine konvexe Linse, eine konkave Linse, ein weißes Blatt Papier, ein Lineal und ein kleines unverwechselbaren Objekt. Es hilft auch, eine optische Bank mit Halterungen für die Objektive und Objekt sowie eine Vorrichtung, das Blatt Papier senkrecht zu halten haben.
2. Legen Sie die konvexe Linse zwischen dem Objekt und das Stück Papier, alle in einer Linie und auf gleicher Höhe.
3. Verschieben Sie das Objekt und Papier herum bis ein scharfes Bild des Objekts auf dem Papier erscheint. Das Bild auf dem Papier ist ein reelles Bild.
4. Messen Sie den Abstand von der Linse zum Objekt und die Entfernung von der Linse auf das Papier. Verwenden Sie die dünne Linse-Gleichung um zu bestimmen, die Brennweite des Objektivs.
5. Legen Sie das Papier beiseite und verschieben Sie das Objekt näher an der Linse, bis der Abstand zwischen Objektiv und Objekt kleiner als die Brennweite des Objektivs ist.
6. Schauen Sie durch das Objektiv: eine vergrößerte Version des Objekts sollte gesehen werden. Dieses Bild ist ein virtuelles Bild.
7. Ersetzen Sie die konvexe Linse durch die konkave Linse. Schauen Sie durch die konkave Linse: jetzt eine demagnified Version des Objekts angezeigt wird. Dies ist auch ein virtuelles Bild.

Snell Gesetz bestimmt den Winkel, bei dem Licht, beim Überschreiten der Grenze zwischen zwei Medien gebogen wird. Die gemessenen Vorfall und gebrochenen Winkel an der Wasser-Luft-Schnittstelle sind in Tabelle 1angegeben. Unten ist eine Beispielrechnung geben dem Brechungsindex für Wasser mit Snell Gesetz für einen Einfallswinkel gleich 30,1 ° gezeigt das Lämpchen aus dem Wasser in die Luft:

1.33

Die Berechnung kann für die verschiedenen Blickwinkel in Tabelle 1wiederholt werden, und der Mittelwert der Messungen bieten eine noch bessere Messung von dem Brechungsindex als jede der einzelnen Messungen zur Verfügung stellt.

Tabelle 1: Ergebnisse.

Schnittstelle	ӨIch	Өr	nWasser
→ Luft-Wasser	10.0	13.5	1.34
→ Luft-Wasser	19,8	26.6	1.32
→ Luft-Wasser	30.1	41,9	1.33
→ Luft Wasser	20.1	15.1	1.32
→ Luft Wasser	44,9	32,0	1.33
→ Luft Wasser	75,2	46.7	1.33

Der Grenzwinkel für Totalreflexion tritt auf, wenn der Brechung Winkel 90° entspricht. Für die Luft-Wasser-Schnittstelle prognostiziert Snell Gesetz, dass der Grenzwinkel der Inzidenz 48,8 ° ist.

Es lohnt sich, beachten, dass der gebrochene Strahl noch konnte in einem Winkel größer als 48,8 ° beobachtet werden bei der Betrachtung der Schnittstelle zu dem des Lichtstrahls aus der Luft ins Wasser ging. Es ist nur an der Grenze, bei der der Strahl aus dem Wasser in die Luft ging, dass der Strahl intern in einem Winkel größer als 48,8 ° widerspiegelte. Totalreflexion kann nur auftreten, wenn Licht von einem Medium mit einem hohen Brechungsindex auf ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex geht.

Für das Objektiv Teil des Experiments, wenn das Objekt, um über o eingefügt wurde = 11,02 cm, das Bild kam in den Mittelpunkt ca. 9,21 cm. Die dünne Linse Gleichung dann offenbart die Brennweite der Sammellinse ca. 5,02 cm sein.

Dieses Labor untersucht die Physik der Lichtbrechung und Linsen. Snell Gesetz wurde verwendet, um den Brechungsindex für Wasser mit Hilfe von Messungen der Vorfall und gebrochenen Winkel zu messen. Das Phänomen der Totalreflexion an der Wasser-Luft-Schnittstelle wurde auch beobachtet. Es zeigte sich, dass konkave Linsen Licht zu konzentrieren und auch, virtuelle Bilder erstellen, so dass sie als Vergrößerung Geräte dienen können.

Das menschliche Auge sieht durch die Fokussierung von Licht auf die Netzhaut, und schlechter Sicht kann entstehen, wenn das Licht konzentriert sich vor oder hinter der Netzhaut. Brille helfen, um schlechten Sicht durch richtig Neuausrichtung das Licht auf die Netzhaut zu korrigieren. Kameras verwenden Sie ein Objektiv zu konzentrieren auf einem Sensor Licht genauso wie Augen Licht auf die Netzhaut zu fokussieren. Lupen sind einfach konvexen Linsen, die erweiterten, erstellen virtuelle Bilder von Objekten. Optische Mikroskope verwenden mehrere Objektive, um kleine Objekte, wie Zellen immens zu vergrößern. Ebenso gibt es eine Art von Teleskop genannt ein Refraktor, die Linsen verwendet, um das Licht von Sternen, Galaxien und andere astrophysikalische Objekte zu erfassen. Totalreflexion wird am häufigsten in Form von optischen Fasern verwendet, die für die Datenübertragung sowie Fiberskope verwendet werden.