Undang-undang Snell • James Trefil, Ensiklopedia "Dua Ratus Hukum Alam Semesta"

Undang-undang Snell

Teori relativiti telah membawa kita untuk mengetahui bahawa tidak ada yang bergerak lebih cepat daripada cahaya, tetapi terdapat satu tipu muslihat dalam perumusan ini, yang sering dilupakan. Theorists, bercakap "kelajuan cahaya", bermakna kelajuan cahaya dalam vakum, yang biasanya dilambangkan oleh huruf Latin dengan, dan bagi mereka ia begitu jelas bahawa mereka tidak biasanya menyebutkan penambahan "dalam vakum". Tetapi apabila cahaya menyebarkan dalam medium telus, contohnya, air atau kaca, ia bergerak jauh lebih perlahan daripada kelajuan dengan kerana interaksi berterusan dengan atom-atom bahan media.

Jadi apa yang berlaku di hadapan gelombang cahaya kerana ia melewati sempadan dua media telus? Jawapan untuk ini diberikan oleh undang-undang Snell (atau "undang-undang Snell," jika anda tidak mengikuti bahasa Latin, tetapi ejaan Belanda – Nota penterjemah), yang dinamakan sempena naturalis Belanda Willebrord Snellius, yang mula-mula merumuskan corak ini. Kami melihat contoh yang paling penting dalam pembiasan itu apabila rasuk cahaya dari udara memasuki kaca dan kemudian kembali ke udara – dan ini adalah apa yang berlaku (dan selalunya lebih daripada sekali) dalam mana-mana peranti optik, sama ada peralatan makmal yang paling rumit atau sepasang gelas cetek.Bayangkan pelancong yang berjalan di atas pepenjuru melalui medan persegi, di tengah-tengahnya, sejajar dengan kedua-dua belah pihak, melewati sempadan, selepas itu rawa bermula. Adalah jelas bahawa pelancong boleh pergi lebih cepat ke lapangan yang bersih, dan lebih perlahan sepanjang cairan rawa. Oleh itu, apabila pelancong pertama sampai ke pinggir paya dan mula terjebak di dalam lumpur, kelajuan kemajuan mereka berkurang, dan mereka, seperti orang biasa, menyimpang dari kursus itu agar dapat cepat sampai ke pinggir yang bertentangan paya, sementara mereka yang mengikuti mengikuti dengan kelajuan yang sama dan dalam arah yang sama. Apabila semua pelancong baru mendaki ke paya, mereka juga perlahan dan mula memotong sudut. Akibatnya, dari pandangan mata burung, perarakan para pelancong kelihatan refracted – ia pergi di padang dalam satu arah, dan di rawa di sisi yang lain. Sama dengan rasuk cahaya: jika, apabila menyeberangi sempadan dua media, kelajuan cahaya dalam medium kedua adalah lebih rendah daripada kelajuan cahaya dalam medium pertama, rasuk dibelokkan ke sisi normals (garis serenjang ke sempadan). Jika dalam medium kedua, kelajuan penyebaran cahaya lebih tinggi (contohnya, apabila cahaya berpindah dari kaca ke udara), balok, sebaliknya, menyimpang dari normal ke sudut yang lebih besar (pelancong akan mempercepat dan meluruskan arahnya).

Nisbah kelajuan cahaya dalam vakum kepada kelajuan cahaya dalam medium dipanggil indeks biasan persekitaran. Oleh itu, indeks biasan kaca kira-kira 1.5 (bergantung kepada jenis kaca), iaitu cahaya dalam kaca perlahan pada kira-kira satu pertiga berbanding kelajuan perambatannya dalam vakum. Setiap bahan yang telus mempunyai indeks bias sendiri (perlawanan, tentu saja, mungkin, tetapi mereka tidak mengatakan apa-apa).

Undang-undang Snell menetapkan nisbah berangka antara sudut kejadian dan pembiasan rasuk apabila lulus dari satu pertengahan ke satu sama lain. Jika θ1 dan θ2 – sudut masing-masing, dari kejadian dan pembiasan berbanding dengan normal (lihat angka) apabila rasuk berlalu dari satu pertengahan ke satu sama lain, dan n1 dan n2 – indeks biasan media ini, maka ada hubungan:

n1 dosa θ1 = n2 dosa θ2

Makna undang-undang ini ialah jika indeks biasan cahaya dalam dua media bersebelahan dan sudut kejadian balok diketahui, adalah mungkin untuk mengira berapa banyak sinar menyimpang selepas menyeberangi sempadan antara media.

Pernahkah anda berdiri di sisi kolam dan bertanya-tanya mengapa teman wanita anda, berdiri di dalam air di pinggang, nampaknya tidak seimbang? Dan perkara itu ialah sinaran cahaya yang anda perhatikan dan membawa kepada anda gambaran visual,keluar dari air dan jatuh ke udara, ia pecah – dan sampai mata anda pada sudut yang lebih bodoh daripada jika kolam tanpa air. Otak percaya mata, dan sepertinya bagi anda bahawa kaki teman wanita anda lebih dekat daripada yang sebenarnya.

Lihat juga:

kira-kira 100 ADUndang-undang refleksi cahaya
1934Radiasi Cherenkov

Jumlah pantulan dalaman

Bayangkan sebuah gelas parallelepiped, dari dalamnya sinaran cahaya jatuh pada salah satu wajahnya. Apabila lulus sempadan dengan udara, pancaran refruks dan, kerana indeks biasan cahaya di udara (kira-kira 1) adalah lebih rendah daripada dalam kaca (kira-kira 1.5), pancaran itu menyimpang dari tegak lurus (normal). Menurut undang-undang Snell, jika rasuk menyentuh permukaan pada sudut, contohnya, 30 °, di sisi lain sempadan itu akan keluar pada sudut yang lebih tipis dengan normal (kira-kira 49 °). Oleh kerana sisihan sudut kejadian dari kenaikan biasa, sudut pembiasan akan meningkat pada kadar "puncak" sehingga akhirnya, pada sudut kejadian kira-kira 42 °, sudut kiraan pembiasan menjadi 90 ° untuk tegak lurus – iaitu, memukul permukaan, rasuk dalam kes ini tidak akan melaluinya, tetapi akan membatalkan secara tegas di sepanjang sempadan antara kaca dan udara.

Apa yang berlaku dengan peningkatan sudut sudut kejadian rasuk? Sudut pembiasan lebih daripada 90 ° asasnya bermaknabahawa rasuk tidak akan melampaui gelas dan kekal di dalam bar kaca – iaitu, ia tidak akan pecah, tetapi akan mencerminkan dari sempadan kaca dengan udara. Fenomena ini dipanggil jumlah pantulan dalaman. Sudut kritikal ditentukan dari persamaan:

dosa θ > n2/n1

Pada nilai-nilai θ lebih daripada sudut kritikal sinar cahaya dari dalam kaca tidak lagi menembusi udara, tetapi digambarkan kembali di dalam kaca, seperti dari cermin.

Fenomena keseluruhan refleksi dalaman, anda boleh dengan mudah memerhatikan diri sendiri. Di waktu yang lain, apabila makan dengan cahaya lilin, ambil segelas wain dan angkatnya di atas kepala anda, dan melihat cahaya lilin melalui permukaan wain, mula menurunkannya secara beransur-ansur. Pada mulanya, sementara kaca dibangkitkan cukup tinggi, api lilin akan menyala melalui permukaan wain. Walau bagaimanapun, pada satu ketika, apabila anda menurunkan kaca, anda akan mencapai titik apabila permukaan wain tiba-tiba menjadi gelap. Tetapi perkara itu adalah bahawa anda telah mencapai sudut kritikal kejadian rasuk, dan cahaya lilin kini menjalani refleksi dalaman penuh, dengan hasil yang tidak ada cahaya yang meresap.

Walau bagaimanapun, jumlah refleksi dalaman bukan hanya satu tipu muslihat, tetapi asas bagi beberapa teknologi moden yang penting; pertama sekali – kesan ini mendasari sambungan gentian optik. Cahaya, memasuki dari satu hujung ke serat gelas nipis pada sudut yang sangat besar, selanjutnya dipaksa untuk menyebarkan bersama serat ini, tidak meninggalkan batasnya, berulang kali mencerminkan dari dindingnya, kerana sudut kejadiannya tidak mencukupi untuk melepaskan batasnya, yang mana pada yang bertentangan, output isyarat optik tidak dapat dikurangkan dengan intensiti. Sekiranya anda mengikat banyak serat optik seperti dalam rasuk, penggantian denyutan cahaya dan jurang gelap pada output kabel serat optik tersebut akan tegas sesuai dengan isyarat yang diterima pada input. Prinsip ini digunakan secara meluas pada teknologi perubatan moden (terutamanya, dalam arthroscopy), apabila serat optik nipis dimasukkan ke dalam tubuh pesakit melalui kepak kecil atau mulut semulajadi dan dihantar secara literal ke organ itu sendiri, yang melakukan mikrosurgeri, yang membolehkan pakar bedah secara harfiah lihat pada skrin monitor dengan tepat apa dan bagaimana ia beroperasi.

Penggunaan yang sama secara meluas telah tercermin sepenuhnya dalam bidang transmisi maklumat berkelajuan tinggi melalui talian telefon serat optik.Dengan menghantar isyarat optik termodulat bukannya elektromagnetik, kita dapat mempercepatkan penghantaran maklumat melalui rangkaian telekomunikasi dengan beberapa pesanan magnitud. Malah, di semua negara yang benar-benar perindustrian di dunia, semua telefon telah dipindahkan ke komunikasi gentian optik.

Willebrord SNELLIUS (SNELL)
Willebrord Van Roijen Snell, 1580-1626

Ahli matematik dan fizik Belanda. Dilahirkan di Leiden dalam keluarga seorang profesor matematik di sebuah universiti tempatan. Beliau belajar matematik dan undang-undang di pelbagai universiti di Eropah, banyak mengembara, bertemu dengan ramai saintis terkemuka di zamannya, termasuk Johann Kepler. Pada tahun 1613, beliau berjaya menjadi bapaknya sebagai profesor di Universiti Leiden. Dia berdiri di asal-usul sains geodesi baru, pertama melihat pentingnya menggunakan kaedah persamaan segitiga semasa pengukuran geodetik. Pada tahun 1621, selepas banyak eksperimen mengenai optik, dia mendapati hukum pembiaran sinar, kemudian dinamakan sempena nama beliau. Snellius tidak menerbitkan hasilnya – mereka mengumpulkan habuk di dalam arkib sehingga mereka ditemui oleh René Descartes, yang memasukkan mereka dalam kerja asasnya, The Beginning of Philosophy.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: