Taittuminen

Taittuminen ( taittuminen ) on säteen ( aallon ) suunnan muutos, joka tapahtuu kahden väliaineen rajalla, jonka läpi tämä säde kulkee [1] , tai yhdessä väliaineessa, mutta muuttuvilla ominaisuuksilla, jossa aallon etenemisnopeus ei ole sama [2] .

Taittumisilmiö selittyy energian ja liikemäärän säilymisen laeilla . Lähetysväliaineen vaihtuessa aallon nopeus muuttuu , mutta sen taajuus pysyy samana. Valon taittuminen lasin tai veden läpi on yksinkertaisin ja ilmeisin esimerkki säteen vääristymisestä, mutta taittumislait pätevät kaikille aallolle, sähkömagneettiselle , akustiselle ja jopa merelle. Yleensä taittumislakia kuvaa Snellin laki .

Termejä " taitto " ja " taitto " käytetään vaihtokelpoisesti [2] ; perinteisesti termiä "taitto" käytetään useammin kuvaamaan säteilyä väliaineissa , joissa taitekerroin muuttuu tasaisesti pisteestä toiseen (säteen liikeradalla on tasaisesti kaareva viiva), kun taas termiä "taitto" käytetään useammin käytetään kuvaamaan jyrkkää muutosta säteen liikeradassa väliaineen rajan mukaan, mikä johtuu niiden taitekertoimien suuresta erosta [2] . Tässä tapauksessa toimii sama laki - aallonnopeuden riippuvuus tietyn lähettävän väliaineen taitekertoimesta.

Joskus lähettävän väliaineen tai säteilylähteen erityispiirteet edellyttävät, että tämän nimenomaisen taittumisen tutkimukset on esitettävä erityisessä osiossa. Joten ihmisen silmän taittumista tutkii oftalmologia , kun taas äänen taittumista vedessä tutkii hydroakustiikka , taivaankappaleiden taittumista tutkii tähtitiede ja niin edelleen.

Taittumislakien tutkiminen on tieteen ja tekniikan kannalta perustavanlaatuista. Niiden soveltaminen eri osaamisaloilla mahdollistaa tarkkojen optisten instrumenttien ( teleskoopit , mikroskoopit , kamerat, elokuvakamerat, lasit, piilolinssit jne.) luomisen, yhdisteiden kemiallisen rakenteen tutkimisen ja kemiallisten seosten koostumuksen määrittämisen [3] , saada tarkat geodeettiset ja tähtitieteelliset koordinaatit [4] , luoda optimaaliset viestintäjärjestelmät ja paljon muuta.

Ilmiön fysiikka

Taittuminen havaitaan, kun sähkömagneettisten aaltojen vaihenopeudet kosketuksissa olevissa väliaineissa eroavat toisistaan ​​(katso taitekerroin ). Tässä tapauksessa aallonnopeuden kokonaisarvon tulisi olla erilainen median välisen rajapinnan eri puolilla. Jos kuitenkin jäljitetään esimerkiksi aallonharjan liikettä rajapintaa pitkin, niin vastaavan nopeuden tulisi olla sama molemmilla aallon "puolilla" (koska rajaa ylitettäessä aallon maksimi pysyy maksimina , ja päinvastoin; eli voimme puhua tulevan ja lähetettyjen aaltojen synkronoinnista kaikissa rajapisteissä, katso yläkuva). Yksinkertaisesta geometrisesta konstruktiosta saadaan, että harjanteen ja aallon etenemissuuntaan kulmassa kallistuneen linjan leikkauspisteen nopeus on yhtä suuri kuin , missä  on aallon etenemisnopeus.

Tämä on selvää siitä tosiasiasta, että vaikka aallonharja kulkee etenemissuunnassaan (eli kohtisuoraan harjaan nähden) etäisyyden, joka on yhtä suuri kuin kolmion jalka, harjan ja rajan leikkauspiste ohittaa etäisyys yhtä suuri kuin hypotenuusa, ja näiden etäisyyksien suhde, joka on yhtä suuri kuin kulman sini, on nopeussuhde.

Sitten rinnastamalla nopeudet rajapinnalla tulevalle ja lähetetylle aallolle, saadaan , joka vastaa Snellin lakia , koska taitekerroin määritellään sähkömagneettisen säteilyn nopeuden suhteeksi tyhjiössä sähkömagneettisen säteilyn nopeuteen keskipitkä: .

Tämän seurauksena kahden väliaineen rajapinnassa havaitaan säteen taittuminen, joka laadullisesti koostuu siitä, että kulmat normaaliin kohdistuvan väliaineen väliseen rajapintaan tulevalle ja taittuneelle säteelle eroavat toisistaan, ts. palkki suoran sijaan katkeaa - säde taittuu.

Huomaa, että lähes identtinen tapa johtaa Snellin laki on rakentaa lähetetty aalto käyttämällä Huygens-Fresnel-periaatetta (katso kuva).

Kun aalto liikkuu väliaineessa, jolla on erilaiset taitekertoimet, sen taajuus säilyy ja aallonpituus muuttuu suhteessa nopeuteen.

Siniaallon isotrooppisessa väliaineessa, jolle on tunnusomaista aallon etenemissuuntaa vastaan ​​kohtisuorassa oleva taajuus ja aaltovektori, seikka, että rajapinnan suuntaisen aaltovektorin komponentin on oltava sama ennen tämän rajapinnan läpi kulkemista ja sen jälkeen, johtaa sama taittumislain muoto.

Lisäksi on syytä huomata, että fotonin aaltovektori on yhtä suuri kuin sen liikemäärävektori jaettuna Planckin vakiolla , ja tämä mahdollistaa luonnollisesti Snellin lain tulkinnan fotonin liikemäärän projektion mediarajapinnalle säilymisenä. ristit.

Sisäinen kokonaisheijastus

Taittumiseen liittyy läheisesti läpinäkyvien välineiden välisen rajapinnan heijastusilmiö. Tietyssä mielessä nämä ovat saman ilmiön kaksi puolta.

Sisäisen kokonaisheijastuksen (TIR) ​​ilmiö johtuu siitä, että Snellin lain mukaista taitettua aaltoa ei ole olemassa joillekin tulokulmille. Tämä tarkoittaa, että vain heijastunut aalto ilmestyy ja siksi aalto heijastuu kokonaan. TIR on mahdollista, kun aalto putoaa väliaineesta, jossa aalto etenee pienemmällä vaihenopeudella (korkeampi taitekerroin) sellaisen väliaineen rajalle, jolla on suurempi tällaisen aallon vaihenopeus (pienempi taitekerroin).

Kun tulokulma kasvaa asteittain normaaliin nähden, taittunut säde osuu jossain vaiheessa median välisen rajapinnan kanssa ja katoaa sitten - vain heijastunut säde jää jäljelle.

Täysi taittuminen

Jos pystysuunnassa polarisoitu aalto putoaa rajapinnalle Brewsterin kulmassa , havaitaan täydellisen taittumisen vaikutus  - heijastuvaa aaltoa ei ole.

Taittuminen tavallisessa elämässä

Taittuminen tapahtuu joka askeleella ja se nähdään täysin tavallisena ilmiönä: voi nähdä, kuinka teekupissa oleva lusikka "särkyy" veden ja ilman rajalla. Tässä on aiheellista huomata, että tämä havainto ei-kriittisellä havainnolla antaa väärän käsityksen vaikutuksen merkistä: lusikan näennäinen taittuminen tapahtuu päinvastaisessa suunnassa kuin valonsäteiden todellinen taittuminen.

Valon taittuminen kahden median rajalla antaa paradoksaalisen visuaalisen vaikutelman: rajapinnan ylittävät esineet tiheämmässä väliaineessa näyttävät "taittuneelta ylöspäin"; kun taas tiheämpään väliaineeseen tuleva säde etenee siinä pienemmässä kulmassa, "taittuu alaspäin". Tämä optinen vaikutus johtaa virheisiin säiliön syvyyden visuaalisessa määrittämisessä, joka näyttää aina olevan pienempi kuin se todellisuudessa on.

Valon taittuminen, dispersio ja sisäinen heijastus vesipisaroissa muodostavat yhdessä sateenkaaren . Valon hajaantumisesta johtuen pisarat taittavat ja heijastavat eriväristä valoa eri tavoin : lyhimmän aallonpituuden ( violetti ) säteet taittuvat ja poikkeavat voimakkaimmin ja pisimmät ( punaiset ) säteet heikoimmin. Tuloksena on eri väreillä maalattu kaari.

Monikertainen taittuminen (ja osittain heijastus) pienissä läpinäkyvissä rakenteen elementeissä (lumihiutaleet, paperikuidut, kuplat) selittää mattapintojen (ei peilien) heijastavien pintojen, kuten valkoisen lumen, paperin, valkoisen vaahtomuovin, ominaisuudet.

Maan ilmakehän taittuminen selittää monia visuaalisia tehosteita. Esimerkiksi tietyissä sääolosuhteissa Maa (pieneltä korkeudelta) näyttää havainnoijalle koveralta kulholta (eikä osana kuperaa palloa). Taittumisen vuoksi tähdet näyttävät "välkkyvän" [4] . Myös valon taittuminen ilmakehässä johtaa siihen, että havaitsemme auringonnousun (ja yleensä minkä tahansa taivaankappaleen) hieman aikaisemmin ja auringonlaskun hieman myöhemmin kuin se olisi ilman ilmakehää [4] . Samasta syystä Auringon kiekko näyttää horisontissa hieman litistyneeltä vaakatasossa .

Sovellus

Teknisissä ja tieteellisissä instrumenteissa

Taittumisilmiö on taustalla taittuvien kaukoputkien toiminnan (tieteellisiin ja käytännön tarkoituksiin, mukaan lukien suurin osa kaukoputkesta, kiikarit ja muut havaintolaitteet), valokuva-, filmi- ja televisiokameroiden linssit, mikroskoopit , suurennuslasit, lasit, projektiolaitteet , optisten signaalien vastaanottimet ja lähettimet, voimakkaiden valonsäteiden keskittimet, prismaspektroskoopit ja -spektrometrit , prismamonokromaattorit ja monet muut optiset instrumentit, jotka sisältävät linssejä ja/tai prismoja . Se on otettava huomioon laskettaessa melkein kaikkien optisten laitteiden toimintaa. Kaikki tämä koskee sähkömagneettisen spektrin eri alueita.

Akustiikassa äänen taittuminen on erityisen tärkeää huomioida, kun tutkitaan äänen etenemistä epähomogeenisessa väliaineessa ja tietysti eri välineiden rajapinnassa.

Tekniikassa voi olla tärkeää ottaa huomioon erityyppisten aaltojen taittuminen, esimerkiksi aallot vedessä, erilaiset aallot aktiivisissa väliaineissa jne.

Lääketieteessä

Refraktioilmiötä käytetään sellaisilla lääketieteen aloilla kuin optometria ja oftalmologia . Foropterin avulla voidaan havaita potilaan silmän taittovirheet ja useiden eri taitevoimakkuuksien ja polttovälin linssien testeillä voidaan valita potilaalle sopivat lasit tai piilolinssit .

Katso myös

Kirjallisuus

Muistiinpanot

  1. ↑ Valon refraktio Arkistoitu 8. toukokuuta 2012 Wayback Machinessa  - Encyclopedia of Physics artikkeli
  2. ↑ 1 2 3 Taittuminen (valon taittuminen) // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia  : [30 osana]  / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M .  : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.
  3. ↑ Molekyylitaitto // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia  : [30 osana]  / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M .  : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.
  4. ↑ 1 2 3 Taittuminen (ilmakehän valon) // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia  : [30 nidettä]  / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M .  : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.

Linkit