أحد القوانين المهمة لانتشار الموجات الضوئية في المواد الشفافة هو قانون الانكسار، الذي صاغه الهولندي سنيل في بداية القرن السابع عشر. المعلمات التي تظهر في الصيغة الرياضية لظاهرة الانكسار هي مؤشرات وزوايا الانكسار. تتناول هذه المقالة كيفية تصرف الوسائط المختلفة عند المرور عبر السطح.

ما هي ظاهرة الانكسار؟

الخاصية الرئيسية لأي موجة كهرومغناطيسية هي حركة مستقيمةفي مساحة متجانسة (متجانسة). عند حدوث أي عدم تجانس، تواجه الموجة درجة أكبر أو أقل من الانحراف عن المسار المستقيم. قد يكون عدم التجانس هذا هو وجود مجال جاذبية أو كهرومغناطيسي قوي في منطقة معينة من الفضاء. في هذه المقالة، لن يتم النظر في هذه الحالات، ولكن سيتم إيلاء الاهتمام على وجه التحديد لعدم التجانس المرتبط بالمادة.

إن تأثير انكسار شعاع الضوء في صيغته الكلاسيكية يعني تغييراً حاداً من اتجاه مستقيم لحركة هذا الشعاع إلى اتجاه آخر عند المرور عبر سطح يفصل بين وسطين شفافين مختلفين.

الأمثلة التالية تلبي التعريف الوارد أعلاه:

• انتقال الشعاع من الهواء إلى الماء.
• من الزجاج إلى الماء.
• من الماء إلى الماس، الخ.

لماذا تحدث هذه الظاهرة؟

السبب الوحيد للتأثير الموصوف هو الاختلاف في سرعات الموجات الكهرومغناطيسية في وسطين مختلفين. إذا لم يكن هناك مثل هذا الاختلاف، أو كان غير مهم، فعند المرور عبر الواجهة، سيحتفظ الشعاع باتجاهه الأصلي للانتشار.

تتميز الوسائط الشفافة المختلفة بكثافات فيزيائية مختلفة، التركيب الكيميائي، درجة حرارة. كل هذه العوامل تؤثر على سرعة الضوء. على سبيل المثال، ظاهرة السراب هي نتيجة مباشرة لانكسار الضوء في طبقات الهواء المسخنة إلى درجات حرارة مختلفة قريبة سطح الأرض.

القوانين الرئيسية للانكسار

هناك اثنان من هذه القوانين، ويمكن لأي شخص التحقق منها إذا كان مسلحا بمنقلة ومؤشر ليزر وقطعة سميكة من الزجاج.

قبل صياغتها، يجدر إدخال بعض التدوين. يُكتب معامل الانكسار بالرمز n i، حيث يحدد i الوسط المقابل. يتم تحديد زاوية السقوط بالرمز θ 1 (ثيتا واحد)، وزاوية الانكسار هي θ 2 (ثيتا اثنان). يتم قياس كلا الزاويتين ليس بالنسبة للمستوى السطحي، بل بالنسبة للمستوى العمودي له.

القانون رقم 1. يقع الشعاعان الطبيعيان (θ 1 و θ 2) في نفس المستوى. هذا القانون مشابه تمامًا للقانون الأول للتفكير.

القانون رقم 2. بالنسبة لظاهرة الانكسار فإن المساواة تكون صحيحة دائما:

من الأسهل تذكر هذه النسبة في هذا النموذج. في أشكال أخرى يبدو أقل ملاءمة. فيما يلي خياران آخران لكتابة القانون رقم 2:

الخطيئة (θ 1) / الخطيئة (θ 2) = ن 2 / ن 1؛

الخطيئة (θ 1) / الخطيئة (θ 2) = الخامس 1 / الخامس 2.

حيث v i هي سرعة الموجة في الوسط i. يمكن الحصول على الصيغة الثانية بسهولة من الأولى عن طريق الاستبدال المباشر للتعبير عن n i:

كلا هذين القانونين هما نتيجة العديد من التجارب والتعميمات. ومع ذلك، يمكن الحصول عليها رياضيًا باستخدام ما يسمى بمبدأ الزمن الأقل أو مبدأ فيرما. وبدوره، فإن مبدأ فيرما مشتق من مبدأ هيجنز-فريسنل بشأن مصادر الموجات الثانوية.

مميزات القانون رقم 2

ن 1 * الخطيئة (θ 1) = ن 2 * الخطيئة (θ 2).

يمكن ملاحظة أنه كلما زاد المؤشر n 1 (وسط بصري كثيف تنخفض فيه سرعة الضوء بشكل كبير)، كلما اقتربت θ 1 من الوضع الطبيعي (تزداد الدالة sin (θ) بشكل رتيب على المقطع).

إن مؤشرات الانكسار وسرعة حركة الموجات الكهرومغناطيسية في الوسائط هي قيم مجدولة يتم قياسها تجريبياً. على سبيل المثال، بالنسبة للهواء n هو 1.00029، وللماء 1.33، وللكوارتز 1.46، وللزجاج حوالي 1.52. يبطئ الضوء حركته بشكل كبير في الماس (ما يقرب من 2.5 مرة)، ومعامل انكساره هو 2.42.

تشير الأشكال المعطاة إلى أن أي انتقال للشعاع من الوسط المحدد إلى الهواء سيكون مصحوبًا بزيادة في الزاوية (θ 2 > θ 1). عند تغيير اتجاه الشعاع، فإن النتيجة المعاكسة هي الصحيحة.

يعتمد معامل الانكسار على تردد الموجة. الأرقام المذكورة أعلاه للوسائط المختلفة تتوافق مع طول موجة يبلغ 589 نانومتر في الفراغ ( أصفر). بالنسبة للضوء الأزرق، ستكون هذه الأرقام أعلى قليلاً، وبالنسبة للضوء الأحمر - أقل.

تجدر الإشارة إلى أن زاوية الإصابة تساوي الحزمة فقط في حالة واحدة عندما تكون المؤشرات n 1 و n 2 متماثلة.

يمر الشعاع من الهواء إلى الزجاج أو الماء

هناك حالتان تستحقان النظر في كل بيئة. يمكنك أن تأخذ كمثال زاويتي السقوط 15 درجة و 55 درجة عند حدود الزجاج والماء مع الهواء. يمكن حساب زاوية الانكسار في الماء أو الزجاج باستخدام الصيغة:

θ 2 = أركسين (ن 1 / ن 2 * خطيئة (θ 1)).

والوسط الأول في هذه الحالة هو الهواء، أي ن 1 = 1.00029.

بالتعويض عن زوايا السقوط المعروفة في التعبير أعلاه، نحصل على:

• للمياه:

(ن 2 = 1.33): θ 2 = 11.22 س (θ 1 = 15 س) و θ 2 = 38.03 س (θ 1 = 55 س)؛

• للزجاج:

(ن 2 = 1.52): θ 2 = 9.81 س (θ 1 = 15 س) و θ 2 = 32.62 س (θ 1 = 55 س).

تسمح لنا البيانات التي تم الحصول عليها باستخلاص استنتاجين مهمين:

1. وبما أن زاوية انكسار الهواء إلى الزجاج أصغر من زاوية انكسار الماء، فإن الزجاج يغير اتجاه حركة الأشعة بقوة أكبر إلى حد ما.
2. كلما زادت زاوية السقوط، كلما انحرف الشعاع عن اتجاهه الأصلي.

ينتقل الضوء من الماء أو الزجاج إلى الهواء

ومن المثير للاهتمام حساب السبب يساوي الزاويةالانكسار لمثل هذه الحالة العكسية. تظل صيغة الحساب كما هي كما في الفقرة السابقة، الآن فقط المؤشر n 2 = 1.00029، أي يتوافق مع الهواء. سوف تنجح

• عندما يتحرك الشعاع خارج الماء:

(ن 1 = 1.33): θ 2 = 20.13 س (θ 1 = 15 س) و θ 2 = غير موجود (θ 1 = 55 س)؛

• عند تحريك شعاع زجاجي:

(ن 1 = 1.52): θ 2 = 23.16 س (θ 1 = 15 س) و θ 2 = غير موجود (θ 1 = 55 س).

بالنسبة للزاوية θ 1 = 55 o ليس من الممكن تحديد θ 2 المقابلة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه تبين أن أكثر من 90 س. وتسمى هذه الحالة الانعكاس الكلي داخل وسط كثيف بصريًا.

يتميز هذا التأثير بزوايا الإصابة الحرجة. ويمكن حسابها بمساواة الخطيئة (θ 2) بالوحدة في القانون رقم 2:

θ 1c = أركسين (ن 2 / ن 1).

باستبدال مؤشرات الزجاج والماء في هذا التعبير، نحصل على:

• للمياه:

(ن 1 = 1.33): θ 1ج = 48.77 س؛

• للزجاج:

(ن 1 = 1.52): θ 1ج = 41.15 س.

أي زاوية سقوط أكبر من القيم التي تم الحصول عليها للوسائط الشفافة المقابلة ستؤدي إلى تأثير الانعكاس الكلي من الواجهة، أي أن الشعاع المنكسر لن يكون موجودا.

تعد العمليات المرتبطة بالضوء عنصرًا مهمًا في الفيزياء وتحيط بنا في حياتنا الحياة اليوميةفي كل مكان. والأهم في هذه الحالة هو قوانين انعكاس وانكسار الضوء، التي تقوم عليها البصريات الحديثة. يعد انكسار الضوء جزءًا مهمًا من العلم الحديث.

تأثير التشويه

ستخبرك هذه المقالة ما هي ظاهرة انكسار الضوء، وكذلك كيف يبدو قانون الانكسار وما يتبعه.

أساسيات الظاهرة الفيزيائية

عندما يسقط شعاع على سطح يفصل بين مادتين شفافتين لهما كثافات بصرية مختلفة (على سبيل المثال، نظارات مختلفة أو في الماء)، فإن بعض الأشعة سوف تنعكس، وبعضها سوف يخترق البنية الثانية (على سبيل المثال، سوف تنتشر في الماء أو الزجاج). عند الانتقال من وسط إلى آخر، عادةً ما يغير الشعاع اتجاهه. هذه هي ظاهرة انكسار الضوء.
يظهر انعكاس وانكسار الضوء بشكل خاص في الماء.

تأثير التشويه في الماء

عند النظر إلى الأشياء في الماء، تبدو مشوهة. هذا ملحوظ بشكل خاص عند الحدود بين الهواء والماء. بصريًا، تبدو الأجسام الموجودة تحت الماء وكأنها منحرفة قليلاً. إن الظاهرة الفيزيائية الموصوفة هي بالتحديد السبب وراء ظهور جميع الأشياء مشوهة في الماء. عندما تضرب الأشعة الزجاج، يكون هذا التأثير أقل وضوحًا.
انكسار الضوء هو ظاهرة فيزيائية تتميز بتغير اتجاه حركة الشعاع الشمسي لحظة انتقاله من وسط (بنية) إلى آخر.
لتحسين فهمنا لهذه العملية، فكر في مثال لشعاع يضرب الماء من الهواء (وبالمثل بالنسبة للزجاج). ومن خلال رسم خط عمودي على طول الواجهة، يمكن قياس زاوية الانكسار وعودة شعاع الضوء. سيتغير هذا المؤشر (زاوية الانكسار) عندما يخترق التدفق الماء (داخل الزجاج).
ملحوظة! تُفهم هذه المعلمة على أنها الزاوية التي يشكلها خط عمودي مرسوم على فصل مادتين عندما يخترق شعاع من الهيكل الأول إلى الثاني.

ممر الشعاع

نفس المؤشر نموذجي للبيئات الأخرى. وقد ثبت أن هذا المؤشر يعتمد على كثافة المادة. إذا سقط الشعاع من بنية أقل كثافة إلى بنية أكثر كثافة، فإن زاوية التشوه الناتجة ستكون أكبر. وإذا كان العكس فهو أقل.
وفي الوقت نفسه، فإن التغيير في منحدر الانخفاض سيؤثر أيضًا على هذا المؤشر. لكن العلاقة بينهما لا تبقى ثابتة. وفي الوقت نفسه، ستبقى نسبة جيبيهما قيمة ثابتة، وهو ما تنعكس بالصيغة التالية: sinα / sinγ = n، حيث:

• n هي قيمة ثابتة موصوفة لكل مادة محددة (الهواء، الزجاج، الماء، إلخ). لذلك، يمكن تحديد هذه القيمة باستخدام جداول خاصة؛
• α – زاوية الإصابة؛
• γ – زاوية الانكسار.

لتحديد هذا ظاهرة فيزيائيةوتم إنشاء قانون الانكسار.

القانون الفيزيائي

يسمح لنا قانون انكسار تدفقات الضوء بتحديد خصائص المواد الشفافة. ويتكون القانون نفسه من حكمين:

• الجزء الاول. الشعاع (الحادث، المعدل) والعمودي، الذي تم استعادته عند نقطة السقوط على الحدود، على سبيل المثال، الهواء والماء (الزجاج، وما إلى ذلك)، سيكونان موجودين في نفس المستوى؛
• الجزء الثاني. ستكون نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب نفس الزاوية المتكونة عند عبور الحدود قيمة ثابتة.

وصف القانون

في هذه الحالة، في اللحظة التي يخرج فيها الشعاع من الهيكل الثاني إلى الأول (على سبيل المثال، عندما يمر تدفق الضوء من الهواء، عبر الزجاج ويعود إلى الهواء)، سيحدث أيضًا تأثير تشويه.

معلمة مهمة لكائنات مختلفة

المؤشر الرئيسي في هذه الحالة هو نسبة جيب زاوية السقوط إلى معلمة مماثلة، ولكن للتشويه. على النحو التالي من القانون الموصوف أعلاه، فإن هذا المؤشر هو قيمة ثابتة.
علاوة على ذلك، عندما تتغير قيمة منحدر الانخفاض، سيكون الوضع نفسه نموذجيًا لمؤشر مماثل. هذه المعلمة لديها أهمية عظيمةلأنها صفة متكاملة للمواد الشفافة.

مؤشرات لكائنات مختلفة

بفضل هذه المعلمة، يمكنك التمييز بفعالية بين أنواع الزجاج، وكذلك الأحجار الكريمة المختلفة. ومن المهم أيضًا تحديد سرعة الضوء في البيئات المختلفة.

ملحوظة! أعلى سرعة لتدفق الضوء تكون في الفراغ.

عند الانتقال من مادة إلى أخرى تقل سرعتها. على سبيل المثال، في الماس، الذي يتمتع بأعلى معامل انكسار، ستكون سرعة انتشار الفوتون أعلى بمقدار 2.42 مرة من سرعة انتشار الهواء. وفي الماء، سوف تنتشر بشكل أبطأ بمقدار 1.33 مرة. ل أنواع مختلفةزجاج تتراوح هذه المعلمة من 1.4 إلى 2.2.

ملحوظة! تحتوي بعض النظارات على معامل انكسار يبلغ 2.2، وهو قريب جدًا من الماس (2.4). لذلك، ليس من الممكن دائمًا التمييز بين قطعة الزجاج والماس الحقيقي.

الكثافة البصرية للمواد

يمكن أن يخترق الضوء مواد مختلفةوالتي تتميز بكثافات بصرية مختلفة. وكما قلنا سابقًا، باستخدام هذا القانون يمكنك تحديد خاصية الكثافة للوسط (البنية). كلما كانت أكثر كثافة، كانت سرعة انتشار الضوء من خلالها أبطأ. على سبيل المثال، سيكون الزجاج أو الماء أكثر كثافة بصريًا من الهواء.
وبالإضافة إلى أن هذه المعلمة قيمة ثابتة، فإنها تعكس أيضًا نسبة سرعة الضوء في مادتين. يمكن عرض المعنى المادي بالصيغة التالية:

يبين هذا المؤشر كيف تتغير سرعة انتشار الفوتونات عند الانتقال من مادة إلى أخرى.

مؤشر مهم آخر

عندما يتحرك تدفق الضوء عبر الأجسام الشفافة، يكون استقطابه ممكنًا. يتم ملاحظته أثناء مرور تدفق الضوء من الوسائط المتناحية العازلة. يحدث الاستقطاب عندما تمر الفوتونات عبر الزجاج.

تأثير الاستقطاب

يُلاحظ الاستقطاب الجزئي عندما تختلف زاوية حدوث تدفق الضوء عند حدود عازلين كهربائيين عن الصفر. تعتمد درجة الاستقطاب على زوايا السقوط (قانون بروستر).

انعكاس داخلي كامل

في ختام رحلتنا القصيرة، لا يزال من الضروري اعتبار مثل هذا التأثير بمثابة انعكاس داخلي كامل.

ظاهرة العرض الكامل

لكي يظهر هذا التأثير، من الضروري زيادة زاوية حدوث تدفق الضوء في لحظة انتقاله من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة عند السطح البيني بين المواد. في الحالة التي تتجاوز فيها هذه المعلمة قيمة حدية معينة، فإن الفوتونات الساقطة على حدود هذا القسم سوف تنعكس بالكامل. في الواقع، ستكون هذه هي الظاهرة التي نريدها. وبدونها، كان من المستحيل صنع الألياف الضوئية.

خاتمة

لقد أعطى التطبيق العملي لسلوك تدفق الضوء الكثير، مما أدى إلى إنشاء مجموعة متنوعة من الأجهزة التقنية لتحسين حياتنا. وفي الوقت نفسه، لم يكشف الضوء بعد عن كل إمكانياته للبشرية، كما أن إمكاناته العملية لم تتحقق بالكامل بعد.

كيف تصنع مصباحًا ورقيًا بيديك
كيفية التحقق من أداء شريط LED

تصف إحدى الأطروحات اليونانية القديمة التجربة: "عليك أن تقف بحيث تكون الحلقة المسطحة الموجودة في أسفل الوعاء مخفية خلف حافتها. ثم، دون تغيير موقف العينين، صب الماء في الوعاء. فينعكس الضوء على سطح الماء فتظهر الحلقة». يمكنك إظهار هذه "الحيلة" لأصدقائك الآن (انظر الشكل 12.1)، لكن لا يمكنك شرحها إلا بعد دراسة هذه الفقرة.

أرز. 12.1. "خدعة" بعملة معدنية. إذا لم يكن هناك ماء في الكأس، فإننا لا نرى العملة ملقاة في الأسفل (أ)؛ إذا صببت الماء، يبدو أن قاع الكوب يرتفع وتصبح العملة مرئية (ب)

وضع قوانين انكسار الضوء

دعونا نوجه شعاعًا ضيقًا من الضوء على السطح المسطح لنصف أسطوانة زجاجية شفافة مثبتة على غسالة بصرية.

لن ينعكس الضوء من سطح نصف الأسطوانة فحسب، بل سيمر جزئيًا عبر الزجاج. وهذا يعني أنه عند المرور من الهواء إلى الزجاج، يتغير اتجاه انتشار الضوء (الشكل 12.2).

يسمى التغير في اتجاه انتشار الضوء في السطح البيني بين وسطين بانكسار الضوء.

الزاوية γ (غاما)، التي تتكون من شعاع منكسر وعمودي على السطح البيني بين وسطين مرسومين من خلال نقطة سقوط الشعاع، تسمى زاوية الانكسار.

بعد إجراء سلسلة من التجارب باستخدام غسالة بصرية، نلاحظ أنه مع زيادة زاوية السقوط، تزداد زاوية الانكسار أيضًا، ومع انخفاض زاوية السقوط، تنخفض زاوية الانكسار (الشكل 12.3). ). إذا سقط الضوء بشكل عمودي على السطح البيني بين وسطين (زاوية السقوط α = 0)، فإن اتجاه انتشار الضوء لا يتغير.

يمكن العثور على أول ذكر لانكسار الضوء في الأعمال الفيلسوف اليوناني القديمأرسطو (القرن الرابع قبل الميلاد) الذي طرح السؤال: "لماذا تبدو العصا مكسورة في الماء؟" لكن القانون الذي يصف انكسار الضوء كميًا لم يتم إنشاؤه إلا في عام 1621 على يد العالم الهولندي ويليبرورد سنيليوس (1580-1626).

قوانين انكسار الضوء:

2. إن نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار لوسيطين محددين هي قيمة ثابتة:

حيث n 2 1 كمية فيزيائية تسمى معامل الانكسار النسبي للوسط. 2 (الوسط الذي ينتشر فيه الضوء بعد انكساره) نسبة إلى الوسط 1 (الوسط الذي يسقط منه الضوء).

نتعرف على سبب انكسار الضوء

فلماذا يغير الضوء اتجاهه عند انتقاله من وسط إلى آخر؟

والحقيقة هي أن الضوء ينتشر في الوسائط المختلفة بسرعات مختلفة، ولكنه دائمًا أبطأ منه في الفراغ. على سبيل المثال، سرعة الضوء في الماء أقل بـ 1.33 مرة من سرعة الضوء في الفراغ؛ فعندما ينتقل الضوء من الماء إلى الزجاج، تنخفض سرعته بمقدار 1.3 مرة أخرى؛ في الهواء، تكون سرعة انتشار الضوء أكبر بمقدار 1.7 مرة من الزجاج، وأقل قليلاً (حوالي 1.0003 مرة) من الفراغ.

إن التغير في سرعة انتشار الضوء عند انتقاله من وسط شفاف إلى آخر هو الذي يسبب انكسار الضوء.

من المعتاد الحديث عن الكثافة البصرية للوسط: كلما انخفضت سرعة انتشار الضوء في الوسط (كلما زاد معامل الانكسار)، زادت الكثافة البصرية للوسط.

ما رأيك، الكثافة البصرية للوسط أكبر - الماء أم الزجاج؟ أي الوسط أقل كثافة بصرية - الزجاج أم الهواء؟

هيا نكتشف المعنى الجسديمعامل الانكسار

يوضح معامل الانكسار النسبي (ن 2 1) عدد المرات التي تكون فيها سرعة الضوء في الوسط 1 أكبر (أو أقل) من سرعة الضوء في الوسط 2:

تذكر القانون الثاني لانكسار الضوء:

وبعد تحليل الصيغة الأخيرة، نخلص إلى الاستنتاجات التالية:

1) كلما زادت سرعة انتشار الضوء في السطح البيني بين وسطين، زاد انكسار الضوء؛

2) إذا مر شعاع من الضوء إلى وسط ذي كثافة بصرية أعلى (أي أن سرعة الضوء تنخفض: v 2)< v 1), то угол преломления меньше угла падения: γ<α (см., например, рис. 12.2, 12.3);

3) إذا مر شعاع من الضوء إلى وسط ذي كثافة بصرية أقل (أي أن سرعة الضوء تزداد: v 2 > v 1)، فإن زاوية الانكسار تكون أكبر من زاوية السقوط: γ > a ( الشكل 12.4).

عادة، تتم مقارنة سرعة انتشار الضوء في الوسط مع سرعة انتشاره في الفراغ. عندما يدخل الضوء إلى وسط ما من الفراغ، فإن معامل الانكسار n يسمى معامل الانكسار المطلق.

يوضح معامل الانكسار المطلق عدد المرات التي تكون فيها سرعة انتشار الضوء في الوسط أقل منها في الفراغ:

حيث c هي سرعة انتشار الضوء في الفراغ (c=3 · 10 8 م/ث)؛ v هي سرعة انتشار الضوء في الوسط.

أرز. 12.4. عندما ينتقل الضوء من وسط ذي كثافة بصرية أعلى إلى وسط ذي كثافة بصرية أقل، تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط (γ>α)

وبالتالي فإن سرعة انتشار الضوء في الفراغ أكبر منها في أي وسط آخر المؤشر المطلقيكون الانكسار دائمًا أكبر من الوحدة (انظر الجدول).

أرز. 12.5. إذا دخل الضوء إلى الهواء من الزجاج، فكلما زادت زاوية السقوط، تقترب زاوية الانكسار من 90 درجة، ويتناقص سطوع الشعاع المنكسر

وباعتبار انتقال الضوء من الهواء إلى الوسط سنفترض ذلك المؤشر النسبيانكسار الوسط يساوي المطلق.

تستخدم ظاهرة انكسار الضوء في تشغيل العديد من الأجهزة البصرية. سوف تتعلم عن بعض منهم في وقت لاحق.

نستخدم ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي للضوء

لنفكر في الحالة التي ينتقل فيها الضوء من وسط ذي كثافة بصرية أعلى إلى وسط ذي كثافة بصرية أقل (الشكل 12.5). نرى أنه كلما زادت زاوية السقوط (α 2 >ι)، اقتربت زاوية الانكسار γ من 90 درجة، وقل سطوع الشعاع المنكسر، وعلى العكس من ذلك، يزداد سطوع الشعاع المنعكس. ومن الواضح أننا إذا واصلنا زيادة زاوية السقوط فإن زاوية الانكسار ستصل إلى 90 درجة، وسيختفي الشعاع المنكسر، وسيعود الشعاع الساقط بالكامل (دون فقدان الطاقة) إلى الوسط الأول - الضوء سيكون تنعكس تماما.

تسمى الظاهرة التي لا يوجد فيها انكسار للضوء (ينعكس الضوء بالكامل من وسط ذي كثافة بصرية أقل) بالانعكاس الداخلي الكلي للضوء.

وظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي للضوء معروفة لدى من سبحوا تحت الماء بعيون مفتوحة(الشكل 12.6).

أرز. 12.6. بالنسبة للمراقب تحت الماء، يبدو جزء من سطح الماء لامعًا مثل المرآة

استخدم الجواهريون ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي لعدة قرون لتعزيز جاذبية الأحجار الكريمة. يتم قطع الحجارة الطبيعية - يتم إعطاؤها شكل متعدد الوجوه: تعمل حواف الحجر بمثابة "مرايا داخلية"، والحجر "يلعب" في أشعة الضوء المتساقطة عليه.

يستخدم الانعكاس الداخلي الكلي على نطاق واسع في التكنولوجيا البصرية (الشكل 12.7). لكن التطبيق الرئيسي لهذه الظاهرة هو في الألياف الضوئية. إذا تم توجيه شعاع من الضوء إلى نهاية أنبوب «زجاجي» رفيع متين، فبعد الانعكاس المتكرر، سيخرج الضوء من طرفه المقابل، بغض النظر عما إذا كان الأنبوب منحنيًا أو مستقيمًا. يسمى هذا الأنبوب دليل الضوء (الشكل 12.8).

تستخدم أدلة الضوء في الطب للبحث اعضاء داخلية(التنظير)؛ في مجال التكنولوجيا، وخاصة لتحديد الأعطال داخل المحركات دون تفكيكها؛ لإضاءة المساحات الداخلية بأشعة الشمس وما إلى ذلك (الشكل 12.9).

ولكن في أغلب الأحيان، يتم استخدام أدلة الضوء ككابلات لنقل المعلومات (الشكل 12.10). "الكابل الزجاجي" أرخص بكثير وأخف وزنا من الكابل النحاسي، وعمليا لا يغير خصائصه عند تعرضه له بيئة، يسمح لك بنقل الإشارات لمسافات طويلة دون تضخيم. واليوم، تحل خطوط اتصالات الألياف الضوئية محل الخطوط التقليدية بسرعة. عند مشاهدة التلفزيون أو استخدام الإنترنت، تذكر أن جزءًا كبيرًا من مسارها تنتقل الإشارة على طول "الطريق الزجاجي".

تعلم حل المشكلات المشكلة. يمر شعاع الضوء من المتوسط ​​1 إلى المتوسط ​​2 (الشكل 12.11، أ). سرعة انتشار الضوء في الوسط 1 هي 2.4 · 10 8 م/ث. حدد معامل الانكسار المطلق للوسط 2 وسرعة انتشار الضوء في الوسط 2.

تحليل مشكلة جسدية

من الشكل. 12.11، ونرى أنه عند السطح البيني بين وسطين، ينكسر الضوء، مما يعني أن سرعة انتشاره تتغير.

لنقم بعمل رسم توضيحي (الشكل 12.11، ب)، حيث:

1) ارسم الأشعة الواردة في بيان المشكلة؛

2) رسم عمودي من خلال نقطة سقوط الحزمة على السطح البيني بين الوسيطين؛

3) دعونا نشير إلى زاوية السقوط بـ α وزاوية الانكسار بـ γ.

معامل الانكسار المطلق هو معامل الانكسار بالنسبة للفراغ. لذلك، لحل المشكلة، ينبغي للمرء أن يتذكر قيمة سرعة انتشار الضوء في الفراغ وإيجاد سرعة انتشار الضوء في الوسط 2 (ت 2).

لإيجاد v 2، نحدد جيب زاوية الورود وجيب زاوية الانكسار.

تحليل الحل. وبحسب شروط المشكلة فإن زاوية السقوط أكبر من زاوية الانكسار، وهذا يعني أن سرعة الضوء في الوسط 2 أقل من سرعة الضوء في الوسط 1. وبالتالي فإن النتائج المتحصل عليها حقيقية.

دعونا نلخص ذلك

ينقسم شعاع الضوء الذي يسقط على السطح البيني بين وسطين إلى شعاعين. أحدهما - المنعكس - ينعكس من السطح، ويخضع لقوانين انعكاس الضوء. والثاني - المنكسر - يمر إلى الوسط الثاني، ويغير اتجاهه.

قوانين انكسار الضوء:

1. الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمودي على السطح البيني بين وسطين مرسومين عبر نقطة سقوط الشعاع يقعان في نفس المستوى.

2. بالنسبة لاثنين من الوسائط المعطاة، تكون نسبة جيب زاوية السقوط α إلى جيب زاوية الانكسار γ قيمة ثابتة:

وسبب انكسار الضوء هو تغير سرعة انتشاره عند انتقاله من وسط إلى آخر. يوضح معامل الانكسار النسبي n 2 i عدد المرات التي تكون فيها سرعة انتشار الضوء في الوسط 1 أكبر (أو أقل) من سرعة انتشار الضوء

في البيئة 2:

عندما يدخل الضوء إلى وسط ما من الفراغ، فإن معامل الانكسار n يسمى معامل الانكسار المطلق: n = c/v.

إذا، عندما ينتقل الضوء من الوسط 1 إلى الوسط 2، تنخفض سرعة انتشار الضوء (أي أن معامل انكسار الوسط 2 أكبر من معامل انكسار الوسط 1: n 2 > n 1)، فيقال: ينتقل الضوء من وسط ذي كثافة بصرية أقل إلى وسط ذي كثافة بصرية أعلى (الكثافة الضوئية) (والعكس صحيح).

أسئلة التحكم

1. ما هي التجارب التي تؤكد ظاهرة انكسار الضوء عند السطح البيني بين وسطين؟ 2. صياغة قوانين انكسار الضوء. 3. ما هو سبب انكسار الضوء؟ 4. ماذا يظهر معامل انكسار الضوء؟ 5. ما علاقة سرعة الضوء بالكثافة الضوئية للوسط؟ 6. تحديد معامل الانكسار المطلق.

التمرين رقم 12

1. نقل الأرز. 1 لكل دفتر. بافتراض أن الوسيط 1 لديه كثافة بصرية أعلى من المتوسط ​​2، في كل حالة، قم ببناء الشعاع الساقط (أو المنكسر) بشكل تخطيطي، مع الإشارة إلى زاوية الورود وزاوية الانكسار.

2. حساب سرعة انتشار الضوء في الماس؛ ماء؛ هواء.

3. يسقط شعاع ضوئي من الهواء إلى الماء بزاوية مقدارها 60 درجة. الزاوية بين الأشعة المنعكسة والمنكسرة هي 80 درجة. احسب زاوية انكسار الشعاع.

4. عندما نقف على شاطئ خزان ما، نحاول تحديد عمقه بالعين المجردة، فإنه يبدو دائمًا أصغر مما هو عليه في الواقع. باستخدام الشكل. 2، اشرح لماذا حدث ذلك.

5. ما المدة التي يستغرقها الضوء للوصول إلى قاع بحيرة بعمق 900 متر إلى سطح الماء؟

6. اشرح "الحيلة" بالخاتم (العملة المعدنية) الموصوفة في بداية الفقرة 12 (انظر الشكل 12.1).

7. يمر شعاع الضوء من الوسط 1 إلى المتوسط ​​2 (الشكل 3). سرعة انتشار الضوء في الوسط 1 هي 2.5 · 10 8 م/ث. يُعرِّف:

1) أي الوسط لديه أعلى كثافة بصرية؟

2) معامل الانكسار للوسط 2 نسبة إلى المتوسط ​​1؛

3) سرعة انتشار الضوء في الوسط 2؛

4) معامل الانكسار المطلق لكل وسط.

8. يترتب على انكسار الضوء في الغلاف الجوي للأرض ظهور السراب، بالإضافة إلى أننا نرى الشمس والنجوم أعلى قليلاً من موضعها الحقيقي. استخدم مصادر إضافية للمعلومات وتعرف عليها ظاهرة طبيعيةالمزيد من التفاصيل.

المهام التجريبية

1. "خدعة العملة". اعرض تجربة العملة المعدنية (انظر الشكل 12.1) لأحد أصدقائك أو عائلتك واشرحها.

2. "مرآة الماء". لاحظ الانعكاس الكلي للضوء. للقيام بذلك، املأ الزجاج إلى منتصفه تقريبًا بالماء. ضع شيئًا داخل الزجاج، مثل جسم قلم بلاستيكي، ويفضل أن يكون مكتوبًا عليه. أمسك الزجاج بيدك، وضعه على مسافة 25-30 سم تقريبًا من عينيك (انظر الصورة). أثناء التجربة، يجب عليك مراقبة جسم القلم.

أولاً، عندما تنظر للأعلى، سترى جسم القلم بالكامل (سواء الأجزاء الموجودة تحت الماء أو فوق الماء). حرك الزجاج بعيدًا عنك ببطء دون تغيير ارتفاعه.

عندما يكون الزجاج بعيدًا بما فيه الكفاية عن عينيك، سيصبح سطح الماء كالمرآة بالنسبة لك - سوف ترى انعكاس المرآةالجزء تحت الماء من جسم المقبض.

اشرح الظاهرة المرصودة.

العمل المختبري رقم 4

موضوع. دراسة انكسار الضوء.

الغرض: تحديد معامل انكسار الزجاج بالنسبة للهواء.

المعدات: لوح زجاجي ذو حواف متوازية، قلم رصاص، مربع بمقياس ملليمتر، بوصلة.

تعليمات التشغيل

التحضير للتجربة

1. قبل أداء العمل، تذكر:

1) متطلبات السلامة عند العمل مع الأجسام الزجاجية؛

2) قوانين انكسار الضوء.

3) صيغة لتحديد معامل الانكسار.

2. قم بإعداد الرسومات لإكمال العمل (انظر الشكل 1). لهذا:

1) ضع اللوحة الزجاجية على صفحة دفتر واستخدم قلم رصاص حاد لتحديد الخطوط العريضة للوحة؛

2) على الجزء المقابل لموضع الحافة الانكسارية العلوية للوحة:

ضع علامة على النقطة O؛

ارسم خطًا مستقيمًا k عبر النقطة O، عموديًا على هذا الجزء؛

باستخدام البوصلة، أنشئ دائرة نصف قطرها 2.5 سم ومركزها النقطة O؛

3) بزاوية 45 درجة تقريبًا، ارسم شعاعًا يحدد اتجاه شعاع الضوء الساقط على النقطة O؛ ضع علامة على نقطة تقاطع الشعاع والدائرة بالحرف A؛

4) كرر الخطوات الموضحة في الخطوات 1-3 مرتين أخريين (قم بعمل رسمتين أخريين)، قم بالزيادة أولاً ثم بالتناقص زاوية محددةسقوط شعاع الضوء.

تجربة

اتبع بدقة تعليمات السلامة (انظر الصفحة الأخيرة من الكتاب المدرسي).

1. ضع طبق زجاجي على الدائرة الأولى.

2. بالنظر إلى شعاع AO من خلال الزجاج، ضع النقطة M عند الحافة السفلية للوحة بحيث تبدو وكأنها تقع على استمرار شعاع AO (الشكل 2).

3. كرر الخطوات الموضحة في الخطوتين 1 و2 لدائرتين إضافيتين.

معالجة نتائج التجربة

أدخل على الفور نتائج القياسات والحسابات في الجدول.

لكل تجربة (انظر الشكل 3):

1) ارسم الشعاع المنكسر OM؛

2) ابحث عن نقطة تقاطع الشعاع OM مع الدائرة (النقطة B) ؛

3) من النقطتين A و B، المتعامدين السفليين على الخط المستقيم k، قم بقياس الطول a و b للأجزاء الناتجة ونصف قطر الدائرة r؛

4) تحديد معامل انكسار الزجاج بالنسبة للهواء:

تحليل التجربة ونتائجها

تحليل التجربة ونتائجها. قم بصياغة استنتاج تشير فيه إلى: 1) ماذا الكمية الماديةقمت بتعريفها؛ 2) ما هي النتيجة التي حصلت عليها؟ 3) هل تعتمد قيمة القيمة التي تم الحصول عليها على زاوية سقوط الضوء؛ 4) ما أسباب الخطأ المحتمل للتجربة.

مهمة إبداعية

باستخدام الشكل. 4، فكر مليًا واكتب خطة لإجراء تجربة لتحديد معامل انكسار الماء بالنسبة للهواء. إذا كان ذلك ممكنا، قم بإجراء تجربة.

مهمة مع النجمة

حيث p meas هي قيمة معامل انكسار الزجاج بالنسبة للهواء الذي تم الحصول عليه أثناء التجربة؛ n هي القيمة المجدولة لمؤشر الانكسار المطلق للزجاج الذي صنعت منه اللوحة (راجع معلمك).

هذه هي مادة الكتاب المدرسي

موضوعات مقنن امتحان الدولة الموحدة: قانون انكسار الضوء، الانعكاس الداخلي الكلي.

عند السطح البيني بين وسطين شفافين، مع انعكاس الضوء، يتم ملاحظته الانكسار- انتقال الضوء إلى وسط آخر يغير اتجاه انتشاره.

يحدث انكسار شعاع الضوء عندما يميلالوقوع على الواجهة (وإن لم يكن ذلك دائمًا - اقرأ عن الانعكاس الداخلي الكلي). إذا سقط الشعاع بشكل عمودي على السطح، فلن يكون هناك انكسار - في الوسط الثاني، سيحتفظ الشعاع باتجاهه وسيكون أيضًا عموديًا على السطح.

قانون الانكسار (حالة خاصة).

سنبدأ بالحالة الخاصة عندما يكون أحد الوسائط هو الهواء. وهذا هو بالضبط الوضع الذي يحدث في الغالبية العظمى من المشاكل. سنناقش المناسب حالة خاصةقانون الانكسار، وعندها فقط سنقدم صيغته الأكثر عمومية.

لنفترض أن شعاع الضوء الذي ينتقل في الهواء يسقط بشكل غير مباشر على سطح الزجاج أو الماء أو أي وسط شفاف آخر. عند المرور إلى الوسط، ينكسر الشعاع، ويظهر مساره الإضافي في الشكل. 1 .

عند نقطة الاصطدام، يتم رسم خط عمودي (أو، كما يقولون أيضًا، طبيعي) إلى سطح الوسط. الشعاع، كما كان من قبل، يسمى الشعاع الساقط، والزاوية بين الشعاع الساقط والعمودي هي زاوية السقوط.راي هو شعاع منكسر; تسمى الزاوية المحصورة بين الشعاع المنكسر والعمودي على السطح زاوية الانكسار.

ويتميز أي وسط شفاف بكمية تسمى معامل الانكسارهذه البيئة. يمكن العثور على مؤشرات الانكسار للوسائط المختلفة في الجداول. على سبيل المثال، للزجاج، وللماء. بشكل عام، في أي بيئة؛ معامل الانكسار يساوي الوحدة فقط في الفراغ. في الهواء، لذلك، بالنسبة للهواء يمكننا أن نفترض بدقة كافية في المشاكل (في البصريات، الهواء لا يختلف كثيرا عن الفراغ).

قانون الانكسار (الانتقال بين الهواء والوسط) .

1) الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمودي على السطح المرسوم عند نقطة السقوط يقعون في نفس المستوى.
2) نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار تساوي معامل انكسار الوسط:

. (1)

وبما أنه من العلاقة (1) يترتب على ذلك أن زاوية الانكسار أقل من زاوية السقوط. يتذكر: عند انتقال الشعاع من الهواء إلى الوسط، يقترب الشعاع بعد انكساره من الوضع الطبيعي.

يرتبط معامل الانكسار ارتباطًا مباشرًا بسرعة انتشار الضوء في وسط معين. وتكون هذه السرعة دائمًا أقل من سرعة الضوء في الفراغ: . واتضح ذلك

. (2)

سوف نفهم سبب حدوث ذلك عندما ندرس البصريات الموجية. في الوقت الحالي، دعونا ندمج الصيغ. (1) و (2) :

. (3)

وبما أن معامل انكسار الهواء قريب جدًا من الوحدة، فيمكننا أن نفترض أن سرعة الضوء في الهواء تساوي تقريبًا سرعة الضوء في الفراغ. أخذ هذا في الاعتبار والنظر في الصيغة. (3) نستنتج: نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار تساوي نسبة سرعة الضوء في الهواء إلى سرعة الضوء في الوسط.

انعكاس أشعة الضوء.

الآن دعونا نفكر في المسار العكسي للحزمة: انكسارها عند المرور من الوسط إلى الهواء. المبدأ المفيد التالي سيساعدنا هنا.

مبدأ انعكاس أشعة الضوء. لا يعتمد مسار الشعاع على ما إذا كان الشعاع ينتشر في الاتجاه الأمامي أو الخلفي. عند التحرك في الاتجاه المعاكس، ستتبع الحزمة نفس المسار تمامًا كما هو الحال في الاتجاه الأمامي.

وفقًا لمبدأ الانعكاس، عند الانتقال من وسط إلى هواء، ستتبع الحزمة نفس المسار كما هو الحال أثناء الانتقال المقابل من الهواء إلى الوسط (الشكل 2). 2 من الشكل. 1 هو أن اتجاه الشعاع قد تغير إلى العكس.

وبما أن الصورة الهندسية لم تتغير، فإن الصيغة (1) ستبقى كما هي: نسبة جيب الزاوية إلى جيب الزاوية لا تزال مساوية لمؤشر انكسار الوسط. صحيح أن الزوايا الآن تغيرت أدوارها: أصبحت الزاوية زاوية الورود، وأصبحت الزاوية زاوية الانكسار.

على أية حال، بغض النظر عن كيفية انتقال الشعاع - من الهواء إلى الوسط أو من الوسط إلى الهواء - تنطبق القاعدة البسيطة التالية. نحن نأخذ زاويتين - زاوية السقوط وزاوية الانكسار؛ نسبة جيب الزاوية الكبرى إلى جيب الزاوية الأصغر تساوي معامل انكسار الوسط.

نحن الآن على استعداد تام لمناقشة قانون الانكسار في الحالة الأكثر عمومية.

قانون الانكسار (حالة عامة).

دع الضوء يمر من الوسط 1 ذو معامل انكسار إلى الوسط 2 ذو معامل انكسار. يسمى الوسط ذو معامل انكسار مرتفع بصريا أكثر كثافة; وبناء على ذلك، يسمى الوسط ذو معامل انكسار أقل بصريا أقل كثافة.

بالانتقال من وسط أقل كثافة بصريًا إلى وسط أكثر كثافة بصريًا، يقترب شعاع الضوء بعد الانكسار من الوضع الطبيعي (الشكل 3). وفي هذه الحالة تكون زاوية السقوط أكبر من زاوية الانكسار: .

أرز. 3.

على العكس من ذلك، عند الانتقال من وسط أكثر كثافة بصريًا إلى وسط أقل كثافة بصريًا، ينحرف الشعاع أكثر عن الوسط الطبيعي (الشكل 4). هنا زاوية السقوط أقل من زاوية الانكسار:

أرز. 4.

وتبين أن كلتا الحالتين مشمولتان بصيغة واحدة - القانون العامالانكسار، صالح لأي وسطين شفافين.

قانون الانكسار.
1) يقع الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمودي على الواجهة بين الوسائط المرسومة عند نقطة السقوط في نفس المستوى.
2) نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار تساوي نسبة معامل انكسار الوسط الثاني إلى معامل انكسار الوسط الأول:

. (4)

من السهل أن نرى أن قانون الانكسار الذي تمت صياغته مسبقًا للانتقال بين الهواء والوسط هو حالة خاصة من هذا القانون. في الواقع، عند وضع الصيغة (4) نصل إلى الصيغة (1).

دعونا نتذكر الآن أن معامل الانكسار هو نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء في وسط معين: . وبالتعويض في (4) نحصل على:

. (5)

الصيغة (5) تعمم بشكل طبيعي الصيغة (3). نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار تساوي نسبة سرعة الضوء في الوسط الأول إلى سرعة الضوء في الوسط الثاني.

انعكاس داخلي كامل.

عندما تنتقل أشعة الضوء من وسط أكثر كثافة بصريا إلى وسط أقل كثافة بصريا، يتم ملاحظة ظاهرة مثيرة للاهتمام - كاملة انعكاس داخلي. دعونا معرفة ما هو عليه.

وللتأكد من ذلك، نفترض أن الضوء يأتي من الماء إلى الهواء. لنفترض أنه يوجد في أعماق الخزان مصدر نقطي للأشعة الضوئية في جميع الاتجاهات. وسوف ننظر إلى بعض هذه الأشعة (الشكل 5).

يضرب الشعاع سطح الماء بأصغر زاوية. ينكسر هذا الشعاع جزئيًا (شعاعًا) وينعكس جزئيًا مرة أخرى في الماء (شعاعًا). وهكذا، يتم نقل جزء من طاقة الشعاع الساقط إلى الشعاع المنكسر، والجزء المتبقي من الطاقة إلى الشعاع المنعكس.

زاوية سقوط الشعاع أكبر. وينقسم هذا الشعاع أيضًا إلى شعاعين - منكسر ومنعكس. لكن طاقة الشعاع الأصلي تتوزع بينهما بشكل مختلف: الشعاع المنكسر سيكون أقل سطوعا من الشعاع (أي أنه سيتلقى حصة أصغر من الطاقة)، ​​وسيكون الشعاع المنعكس أكثر سطوعا من الشعاع (سيكون كذلك). الحصول على حصة أكبر من الطاقة).

ومع زيادة زاوية السقوط، يتم ملاحظة نفس النمط: كل شيء حصة كبيرةتذهب طاقة الشعاع الساقط إلى الشعاع المنعكس، وأقل فأقل تذهب إلى الشعاع المنكسر. يصبح الشعاع المنكسر باهتًا باهتًا، وفي مرحلة ما يختفي تمامًا!

ويحدث هذا الاختفاء عند الوصول إلى زاوية السقوط المقابلة لزاوية الانكسار. في هذه الحالة، يجب أن يكون الشعاع المنكسر موازيًا لسطح الماء، ولكن لم يتبق شيء ليذهب - كل طاقة الشعاع الساقط ذهبت بالكامل إلى الشعاع المنعكس.

مع زيادة أخرى في زاوية الإصابة، فإن الشعاع المنكسر سيكون غائبا.

الظاهرة الموصوفة هي انعكاس داخلي كامل. لا يطلق الماء أشعة ذات زوايا سقوط تساوي أو تتجاوز قيمة معينة - فكل هذه الأشعة تنعكس بالكامل مرة أخرى في الماء. تسمى الزاوية الحد من زاوية الانعكاس الكلي.

من السهل العثور على القيمة من قانون الانكسار. لدينا:

ولكن، لذلك

لذلك، بالنسبة للماء، فإن الزاوية الحدية للانعكاس الكلي تساوي:

يمكنك بسهولة ملاحظة ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي في المنزل. صب الماء في كوب، وارفعه وانظر إلى سطح الماء أسفل جدار الكوب مباشرة. سترى لمعانًا فضيًا على السطح - بسبب الانعكاس الداخلي الكلي، فإنه يتصرف مثل المرآة.

أهم تطبيق تقني للانعكاس الداخلي الكلي هو الألياف البصرية. انطلقت أشعة الضوء في الداخل كابل الألياف البصرية (الدليل المضيء) موازيًا لمحوره تقريبًا، يسقط على السطح بزوايا كبيرة وينعكس تمامًا مرة أخرى في الكابل دون فقدان الطاقة. تنعكس الأشعة بشكل متكرر، وتسافر أبعد وأبعد، وتنقل الطاقة عبر مسافة كبيرة. تُستخدم اتصالات الألياف الضوئية، على سبيل المثال، في شبكات تلفزيون الكابل والوصول إلى الإنترنت عالي السرعة.

وظاهرة انكسار الضوء كانت معروفة عند أرسطو. حاول بطليموس إنشاء القانون كميًا عن طريق قياس زوايا سقوط الضوء وانكساره. ومع ذلك، توصل العالم إلى نتيجة خاطئة مفادها أن زاوية الانكسار تتناسب مع زاوية السقوط. وبعده، جرت عدة محاولات أخرى لإقرار القانون، وكانت محاولة العالم الهولندي سنيليوس في القرن السابع عشر ناجحة.

يعد قانون انكسار الضوء أحد القوانين الأربعة الأساسية للبصريات، والتي تم اكتشافها تجريبيًا حتى قبل تحديد طبيعة الضوء. هذه هي القوانين:

1. الانتشار المستقيم للضوء.
2. استقلال عوارض الضوء.
3. انعكاس الضوء من سطح المرآة.
4. انكسار الضوء عند الحدود بين مادتين شفافتين.

وجميع هذه القوانين محدودة التطبيق وهي تقريبية. إن توضيح حدود وشروط تطبيق هذه القوانين له أهمية كبيرة في تحديد طبيعة الضوء.

بيان القانون

يقع شعاع الضوء الساقط والشعاع المنكسر والعمودي على الواجهة بين وسطين شفافين في نفس المستوى (الشكل 1). في هذه الحالة، ترتبط زاوية السقوط () وزاوية الانكسار () بالعلاقة:

حيث هي قيمة ثابتة مستقلة عن الزوايا، وهو ما يسمى بمعامل الانكسار. لكي نكون أكثر دقة، في التعبير (1) يتم استخدام معامل الانكسار النسبي للمادة التي ينتشر فيها الضوء المنكسر، بالنسبة إلى الوسط الذي تنتشر فيه موجة الضوء الساقطة:

حيث هو معامل الانكسار المطلق للوسط الثاني، هو معامل الانكسار المطلق للمادة الأولى؛ — سرعة طور انتشار الضوء في الوسط الأول؛ - السرعة الطورية لانتشار الضوء في المادة الثانية. في حالة أن العنوان = " تم تقديمه بواسطة QuickLaTeX.com" height="16" width="60" style="vertical-align: -4px;">, то вторая среда считается оптически более плотной, чем первая.!}

مع الأخذ في الاعتبار التعبير (2)، يُكتب قانون الانكسار أحيانًا على النحو التالي:

من تماثل التعبير (3) يتبع ذلك انعكاس أشعة الضوء. إذا قمت بعكس الشعاع المنكسر (الشكل 1) وجعلته يسقط على السطح البيني بزاوية، فإنه في الوسط (1) سوف يسير في الاتجاه المعاكس على طول الشعاع الساقط.

إذا انتشرت موجة ضوئية من مادة ذات معامل انكسار أعلى إلى وسط ذو معامل انكسار أقل، فإن زاوية الانكسار ستكون أكبر من زاوية السقوط.

وكلما زادت زاوية السقوط، زادت زاوية الانكسار أيضًا. يحدث هذا حتى عند زاوية سقوط معينة، والتي تسمى الزاوية الحدية ()، تصبح زاوية الانكسار تساوي 900. إذا كانت زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحدية ()، فإن كل الضوء الساقط ينعكس من الزاوية بالنسبة لزاوية السقوط المحددة، يتم تحويل التعبير (1 ) إلى الصيغة:

حيث تحقق المعادلة (4) قيم الزاوية عند وهذا يعني أن ظاهرة الانعكاس الكلي ممكنة عندما يدخل الضوء من مادة أكثر كثافة بصريا إلى مادة أقل كثافة بصريا.

شروط تطبيق قانون الانكسار

قانون انكسار الضوء يسمى قانون سنيل. يتم إجراؤه للضوء أحادي اللون، الذي يكون طوله الموجي أكبر بكثير من المسافات بين الجزيئات للوسط الذي ينتشر فيه.

ويخالف قانون الانكسار إذا كان حجم السطح الذي يفصل بين الوسطين صغيرا وتحدث ظاهرة الحيود. بالإضافة إلى ذلك، لا ينطبق قانون سنيل في حالة حدوث ظواهر غير خطية، والتي يمكن أن تحدث عند شدة الضوء العالية.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

يمارس	ما معامل انكسار السائل () إذا تعرض شعاع الضوء الساقط على الحد الفاصل بين الزجاج والسائل إلى انعكاس كلي؟ في هذه الحالة، الزاوية الحدية للانعكاس الكلي تساوي معامل انكسار الزجاج
حل	أساس حل المشكلة هو قانون سنيل الذي نكتبه على الصورة: لنعبر عن القيمة المطلوبة () من الصيغة (1.1) فنحصل على: دعونا نجري الحسابات:
إجابة

مثال 2

يمارس

بين لوحين شفافين بمؤشرات انكسار توجد طبقة من مادة شفافة ذات معامل انكسار (الشكل 2). يسقط شعاع من الضوء على الواجهة بين اللوحة الأولى والمادة بزاوية (أقل من الزاوية المحددة). الانتقال من طبقة المادة إلى اللوحة الثانية، فإنه يقع عليها بزاوية. أظهر أن الشعاع ينكسر في مثل هذا النظام كما لو لم تكن هناك طبقة بين الصفائح.