Attēli lēcās, tādu instrumentu kā mikroskopu un teleskopu darbība, varavīksnes fenomens un maldinoša ūdenstilpes dziļuma uztvere ir gaismas laušanas fenomena piemēri. Likumi, kas apraksta šo parādību, ir aplūkoti šajā rakstā.
Refrakcijas fenomens
Pirms aplūkot gaismas laušanas likumus fizikā, iepazīsimies ar pašas parādības būtību.
Kā zināms, ja vide ir viendabīga visos telpas punktos, tad gaisma tajā pārvietosies pa taisnu ceļu. Šī ceļa laušana notiek, kad gaismas stars leņķī šķērso saskarni starp diviem caurspīdīgiem materiāliem, piemēram, stiklu un ūdeni vai gaisu un stiklu. Pārejot uz citu viendabīgu vidi, arī gaisma pārvietosies pa taisnu līniju, bet jau pirmajā vidē tā tiks virzīta kādā leņķī pret savu trajektoriju. Tā ir gaismas stara laušanas parādība.
Tālāk esošajā videoklipā ir parādīta refrakcijas parādība, piemēram, izmantojot stiklu.
Šeit svarīgais punkts ir krišanas leņķissaskarnes plakne. Šī leņķa vērtība nosaka, vai refrakcijas parādība tiks novērota vai nē. Ja stars nokrīt perpendikulāri virsmai, tad, nonācis otrajā vidē, tas turpinās kustēties pa to pašu taisni. Otrais gadījums, kad refrakcija nenotiks, ir staru kūļa krišanas leņķi, kas iet no optiski blīvākas vides uz mazāk blīvu vidi, kas ir lielāki par kādu kritisko vērtību. Šajā gadījumā gaismas enerģija tiks pilnībā atspoguļota atpakaļ pirmajā vidē. Pēdējais efekts ir apspriests tālāk.
Pirmais refrakcijas likums
To var saukt arī par likumu par trim taisnēm vienā plaknē. Pieņemsim, ka ir gaismas stars A, kas krīt uz saskarnes starp diviem caurspīdīgiem materiāliem. Punktā O stars tiek lauzts un sāk kustēties pa taisni B, kas nav A turpinājums. Ja atjaunojam perpendikulāru N atdalīšanas plaknei līdz punktam O, tad 1. likums fenomenam refrakciju var formulēt šādi: krītošais stars A, normālais N un lauztais stars B atrodas vienā plaknē, kas ir perpendikulāra saskarnes plaknei.
Šis vienkāršais likums nav acīmredzams. Tās formulējums ir eksperimentālo datu vispārināšanas rezultāts. Matemātiski to var atvasināt, izmantojot tā saukto Fermā principu vai mazākā laika principu.
Otrais refrakcijas likums
Skolu fizikas skolotāji bieži dod skolēniem šādu uzdevumu: "Formulējiet gaismas laušanas likumus." Mēs esam apsvēruši vienu no tiem, tagad pāriesim pie otrā.
Apzīmējiet leņķi starp staru A un perpendikulāru N kā θ1, leņķis starp staru B un N tiks saukts par θ2. Ņemam vērā arī to, ka stara A ātrums vidē 1 ir v1, stara B ātrums vidē 2 ir v2. Tagad mēs varam sniegt aplūkojamās parādības 2. likuma matemātisko formulējumu:
sin(θ1)/v1=grēks(θ2)/ v2.
Šo formulu 17. gadsimta sākumā ieguva holandietis Snels, un tagad tā nes viņa uzvārdu.
No izteiksmes izriet svarīgs secinājums: jo lielāks gaismas izplatīšanās ātrums vidē, jo tālāk no normas būs stars (jo lielāks leņķa sinuss).
Vidnes refrakcijas indeksa jēdziens
Iepriekš minētā Snell formula šobrīd ir uzrakstīta nedaudz citā formā, ko ērtāk izmantot praktisku uzdevumu risināšanā. Patiešām, gaismas ātrums v vielā, lai arī mazāks nekā vakuumā, joprojām ir liela vērtība, ar kuru ir grūti strādāt. Tāpēc fizikā tika ieviesta relatīvā vērtība, kuras vienlīdzība ir parādīta zemāk:
n=c/v.
Šeit c ir stara ātrums vakuumā. Vērtība n parāda, cik reižu c vērtība ir lielāka par v vērtību materiālā. To sauc par šī materiāla refrakcijas indeksu.
Ņemot vērā ievadīto vērtību, gaismas laušanas likuma formula tiks pārrakstīta šādā formā:
sin(θ1)n1=grēks(θ2) n2.
Materiāls ar lielu n vērtību,sauc par optiski blīvu. Caur to ejot, gaisma samazina ātrumu par n reizēm, salīdzinot ar tādu pašu vērtību bezgaisa telpā.
Šī formula parāda, ka stars atrodas tuvāk normālajam vidē, kas ir optiski blīvāka.
Piemēram, mēs atzīmējam, ka gaisa laušanas koeficients ir gandrīz vienāds ar vienu (1, 00029). Ūdenim tā vērtība ir 1,33.
Tālā atstarošana optiski blīvā vidē
Veiksim šādu eksperimentu: iedarbināsim gaismas staru no ūdens staba uz tās virsmu. Tā kā ūdens ir optiski blīvāks par gaisu (1, 33>1, 00029), krišanas leņķis θ1 būs mazāks par laušanas leņķi θ2. Tagad mēs pakāpeniski palielināsim attiecīgi θ1, palielināsies arī θ2, savukārt nevienlīdzība θ1<θ2vienmēr paliek patiess.
Pienāks brīdis, kad θ1<90o un θ2=90 o. Šo leņķi θ1 sauc par kritisku ūdens-gaisa vides pārim. Jebkurš krišanas leņķis, kas ir lielāks par šo, neizraisīs to, ka neviena staru kūļa daļa nenonāks caur ūdens-gaisa saskarni mazāk blīvā vidē. Viss stars pie robežas piedzīvos pilnīgu atspīdumu.
Kritiskā leņķa θc aprēķinu veic pēc formulas:
θc=arcsin(n2/n1).
Mediju ūdenim ungaisa tas ir 48, 77o.
Ņemiet vērā, ka šī parādība nav atgriezeniska, tas ir, kad gaisma pāriet no gaisa uz ūdeni, nav kritiskā leņķa.
Aprakstītā parādība tiek izmantota optisko šķiedru darbībā, un kopā ar gaismas izkliedi ir cēlonis primāro un sekundāro varavīksņu parādīšanās lietus laikā.
