معامل انكسار الضوء المطلق والنسبي. قانون انكسار الضوء. مؤشرات الانكسار المطلقة والنسبية. إجمالي الانعكاس الداخلي

معامل انكسار الوسط نسبة إلى الفراغ، أي في حالة انتقال الأشعة الضوئية من الفراغ إلى الوسط، يسمى مطلقا ويتم تحديده بالصيغة (27.10): n=c/v.

عند الحساب، يتم أخذ مؤشرات الانكسار المطلقة من الجداول، حيث يتم تحديد قيمتها بدقة تامة من خلال التجارب. وبما أن c أكبر من v، إذن معامل الانكسار المطلق أكبر دائمًا من الوحدة.

إذا مر إشعاع ضوئي من الفراغ إلى وسط فإن صيغة قانون الانكسار الثاني تكتب على النحو التالي:

الخطيئة ط / الخطيئة β = ن. (29.6)

غالبًا ما تُستخدم الصيغة (29.6) عمليًا عندما تنتقل الأشعة من الهواء إلى وسط ما، نظرًا لأن سرعة انتشار الضوء في الهواء تختلف قليلاً جدًا عن c. ويمكن ملاحظة ذلك من خلال حقيقة أن معامل الانكسار المطلق للهواء هو 1.0029.

عندما ينتقل شعاع من وسط إلى فراغ (إلى الهواء)، فإن صيغة قانون الانكسار الثاني تأخذ الشكل:

الخطيئة أنا/الخطيئة β = 1 /ن. (29.7)

في هذه الحالة، عند مغادرة الوسط، تتحرك الأشعة بالضرورة بعيدًا عن العمودي إلى الواجهة بين الوسط والفراغ.

دعونا نتعرف على كيفية العثور على معامل الانكسار النسبي n21 من معامل الانكسار المطلق. دع الضوء يمر من الوسط مع المؤشر المطلق n1 يوم الأربعاء بالقيمة المطلقة n2. ثم n1 = ج/V1 ون2 = ج/الإصدار الثاني، من:

n2/n1=v1/v2=n21. (29.8)

غالبًا ما تتم كتابة صيغة قانون الانكسار الثاني لمثل هذه الحالة على النحو التالي:

الخطيئة أنا/الخطيئة β = n2/n1. (29.9)

دعونا نتذكر ذلك من خلال نظرية ماكسويل الأس المطلقيمكن إيجاد الانكسار من العلاقة: n = √(με). نظرًا لأن المواد التي تكون شفافة للإشعاع الضوئي، فإن μ تساوي عمليًا الوحدة، فيمكننا أن نفترض أن:

ن = √ε. (29.10)

نظرًا لأن تردد التذبذبات في الإشعاع الضوئي يبلغ حوالي 10 14 هرتز، فلن يكون لدى ثنائيات القطب ولا الأيونات الموجودة في العازل الكهربائي، والتي لها كتلة كبيرة نسبيًا، الوقت الكافي لتغيير موضعها بمثل هذا التردد، كما أن خصائص العزل الكهربائي للمادة في ظل هذه الظروف يتم تحديدها فقط عن طريق الاستقطاب الإلكتروني لذراتها. وهذا بالضبط ما يفسر الفرق بين القيمة ε=n 2 من (29.10) و ε st في الكهرباء الساكنة.لذلك، بالنسبة للمياه ε = n 2 = 1.77، و ε st = 81؛ بالنسبة للعازل الأيوني الصلب NaCl ε = 2.25، و ε st = 5.6. عندما تتكون المادة من ذرات متجانسة أو جزيئات غير قطبية، أي أنها لا تحتوي على أيونات ولا ثنائيات أقطاب طبيعية، فإن استقطابها يمكن أن يكون إلكترونيًا فقط. بالنسبة للمواد المتشابهة، ε من (29.10) و ε st يتطابقان. ومن الأمثلة على هذه المادة الماس الذي يتكون من ذرات الكربون فقط.

لاحظ أن قيمة معامل الانكسار المطلق، بالإضافة إلى نوع المادة، تعتمد أيضًا على تردد التذبذب، أو على الطول الموجي للإشعاع . مع انخفاض الطول الموجي، كقاعدة عامة، يزيد معامل الانكسار.

في مقرر الفيزياء للصف الثامن، تعلمت عن ظاهرة انكسار الضوء. الآن أنت تعلم أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ذات نطاق ترددي معين. واستنادًا إلى المعرفة بطبيعة الضوء، يمكنك فهم السبب الفيزيائي للانكسار وشرح العديد من الظواهر الضوئية الأخرى المرتبطة به.

أرز. 141. بالانتقال من وسط إلى آخر، ينكسر الشعاع، أي يغير اتجاه الانتشار

حسب قانون انكسار الضوء (الشكل 141):

• الحادث، والأشعة المنكسرة والمتعامدة المرسومة على السطح البيني بين وسطين عند نقطة سقوط الشعاع تقع في نفس المستوى؛ نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار هي قيمة ثابتة لهاتين الوسيطتين

حيث n 21 هو معامل الانكسار النسبي للوسط الثاني بالنسبة للوسط الأول.

إذا مر الشعاع إلى أي وسط من الفراغ، إذن

حيث n هو معامل الانكسار المطلق (أو ببساطة معامل الانكسار) للوسط الثاني. وفي هذه الحالة، فإن "الوسيط" الأول هو الفراغ، الذي تعتبر قيمته المطلقة وحدة.

تم اكتشاف قانون انكسار الضوء تجريبياً على يد العالم الهولندي ويليبورد سنيليوس عام 1621. وقد تمت صياغة القانون في أطروحة عن البصريات، والتي تم العثور عليها في أوراق العالم بعد وفاته.

بعد اكتشاف سنيل، افترض العديد من العلماء أن انكسار الضوء يرجع إلى تغير في سرعته عند مروره عبر حدود وسطين. تم تأكيد صحة هذه الفرضية من خلال البراهين النظرية التي أجراها بشكل مستقل عالم الرياضيات الفرنسي بيير فيرما (في عام 1662) والفيزيائي الهولندي كريستيان هويجنز (في عام 1690). لقد توصلوا إلى نفس النتيجة بطرق مختلفة، مما يثبت ذلك

• نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار هي قيمة ثابتة لهذين الوسيطين، تساوي نسبة سرعات الضوء في هذين الوسطين:

(3)

يستنتج من المعادلة (3) أنه إذا كانت زاوية الانكسار β أقل من زاوية السقوط a، فإن الضوء ذو التردد المعطى في الوسط الثاني ينتشر بشكل أبطأ من الوسط الأول، أي V 2

وكانت العلاقة بين الكميات المتضمنة في المعادلة (3) بمثابة سبب مقنع لظهور صيغة أخرى لتعريف معامل الانكسار النسبي:

• معامل الانكسار النسبي للوسط الثاني نسبة إلى الأول هو كمية فيزيائية تساوي نسبة سرعات الضوء في هذه الوسائط:

ن 21 = ق 1 / ق 2 (4)

دع شعاع الضوء يمر من الفراغ إلى وسط ما. بالتعويض عن v1 في المعادلة (4) بسرعة الضوء في الفراغ c، وعن v 2 بسرعة الضوء في وسط v، نحصل على المعادلة (5)، وهي تعريف معامل الانكسار المطلق:

• معامل الانكسار المطلق للوسط هو كمية فيزيائية تساوي نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء في وسط معين:

وفقًا للمعادلتين (4) و (5)، يوضح n 21 عدد المرات التي تتغير فيها سرعة الضوء عندما ينتقل من وسط إلى آخر، و n - عند المرور من الفراغ إلى الوسط. هذا هو المعنى الجسديمعامل الانكسار.

قيمة معامل الانكسار المطلق n لأي مادة أكبر من واحد (وهذا ما تؤكده البيانات الواردة في جداول الكتب المرجعية المادية). ثم، وفقا للمعادلة (5)، c/v > 1 و c > v، أي أن سرعة الضوء في أي مادة أقل من سرعة الضوء في الفراغ.

ودون إعطاء مبررات صارمة (وهي معقدة ومرهقة)، نلاحظ أن سبب انخفاض سرعة الضوء أثناء انتقاله من الفراغ إلى المادة هو تفاعل موجة الضوء مع ذرات وجزيئات المادة. كلما زادت الكثافة الضوئية للمادة، كلما كان هذا التفاعل أقوى، وانخفضت سرعة الضوء وارتفع معامل الانكسار. وبالتالي، فإن سرعة الضوء في الوسط ومعامل الانكسار المطلق يتم تحديدهما من خلال خصائص هذا الوسط.

واستناداً إلى القيم العددية لمؤشرات انكسار المواد، يمكن مقارنة كثافتها الضوئية. على سبيل المثال، مؤشرات الانكسار أصناف مختلفةوتتراوح درجات الزجاج من 1.470 إلى 2.040، ومعامل انكسار الماء 1.333. وهذا يعني أن الزجاج وسط أكثر كثافة بصريا من الماء.

دعونا ننتقل إلى الشكل 142، الذي يمكننا من خلاله شرح سبب تغير اتجاه انتشار موجة الضوء أيضًا عند حدود الوسيطتين، مع تغير السرعة.

أرز. 142. عندما تنتقل موجات الضوء من الهواء إلى الماء، تقل سرعة الضوء، ويتغير اتجاه الموجة الأمامية ومعها سرعتها

يوضح الشكل موجة ضوئية تمر من الهواء إلى الماء وتسقط على السطح البيني بين هذه الوسائط بزاوية a. ينتقل الضوء في الهواء بسرعة v1، وفي الماء بسرعة أقل v2.

تصل النقطة A من الموجة إلى الحدود أولاً. خلال فترة زمنية Δt، ستصل النقطة B، التي تتحرك في الهواء بنفس السرعة v 1، إلى النقطة B." خلال نفس الوقت، ستتحرك النقطة A، التي تتحرك في الماء بسرعة أقل v 2، مسافة أقصر وتصل فقط إلى النقطة أ." في هذه الحالة، سيتم تدوير ما يسمى بمقدمة الموجة AB في الماء بزاوية معينة بالنسبة لمقدمة الموجة AB في الهواء. ويدور متجه السرعة (الذي يكون دائمًا متعامدًا مع مقدمة الموجة ويتزامن مع اتجاه انتشارها) مقتربًا من الخط المستقيم OO"، عموديًا على السطح البيني بين الوسائط. في هذه الحالة، زاوية الانكسار β تبين أن زاوية السقوط أقل من α. وهكذا يحدث انكسار الضوء.

ويتضح أيضًا من الشكل أنه عند الانتقال إلى وسط آخر وتدوير مقدمة الموجة، يتغير الطول الموجي أيضًا: عند الانتقال إلى وسط أكثر كثافة بصريًا، تنخفض السرعة، وينخفض ​​​​الطول الموجي أيضًا (π 2)< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны.

أسئلة

1. أي المادتين أكثر كثافة بصريا؟
2. كيف يتم تحديد معاملات الانكسار من خلال سرعة الضوء في الوسائط؟
3. أين ينتقل الضوء بأقصى سرعة؟
4. ما هو السبب الفيزيائي لنقصان سرعة الضوء عند انتقاله من الفراغ إلى وسط أو من وسط ذو كثافة أقل؟ الكثافة البصريةيوم الاربعاء مع المزيد؟
5. ما الذي يحدد (أي ما الذي يعتمد عليه) معامل الانكسار المطلق للوسط وسرعة الضوء فيه؟
6. أخبرنا بما يوضحه الشكل 142.

يمارس

انكسار الضوء- ظاهرة يغير فيها شعاع الضوء، الذي يمر من وسط إلى آخر، اتجاهه عند حدود هذه الوسائط.

يحدث انكسار الضوء وفقًا للقانون التالي:
تقع الأشعة الساقطة والمنكسرة والعمودي المرسوم على السطح البيني بين الوسطين عند نقطة سقوط الشعاع في نفس المستوى. نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار هي قيمة ثابتة لوسيطين:
,
أين α - زاوية السقوط،
β - زاوية الانكسار,
ن - قيمة ثابتة مستقلة عن زاوية السقوط.

عندما تتغير زاوية السقوط، تتغير زاوية الانكسار أيضًا. كلما زادت زاوية السقوط، زادت زاوية الانكسار.
إذا كان الضوء يأتي من وسط أقل كثافة بصريًا إلى وسط أكثر كثافة، فإن زاوية الانكسار تكون دائمًا أقل من زاوية السقوط: β < α.
يمر شعاع الضوء الموجه بشكل عمودي على السطح البيني بين وسطين من وسط إلى آخر دون الانكسار.

معامل الانكسار المطلق للمادة- قيمة تساوي نسبة سرعات طور الضوء (الموجات الكهرومغناطيسية) في الفراغ وفي بيئة معينة n=c/v
تسمى الكمية n المدرجة في قانون الانكسار بمعامل الانكسار النسبي لزوج من الوسائط.

القيمة n هي معامل الانكسار النسبي للوسط B بالنسبة للوسط A، وn" = 1/n هو معامل الانكسار النسبي للوسط A بالنسبة للوسط B.
هذه القيمة، مع تساوي العوامل الأخرى، أكبر من الوحدة عندما تنتقل الحزمة من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة، وأقل من الوحدة عندما تنتقل الحزمة من وسط أقل كثافة إلى وسط أكثر كثافة (على سبيل المثال، من غاز أو من الفراغ إلى سائل أو صلب). هناك استثناءات لهذه القاعدة، ولذلك فمن المعتاد أن نطلق على وسط بصري أكثر أو أقل كثافة من الآخر.
ينكسر الشعاع الذي يسقط من الفضاء الخالي من الهواء على سطح وسط ما B بقوة أكبر مما ينكسر عند سقوطه عليه من وسط آخر A؛ يُطلق على معامل الانكسار لسقوط شعاع على وسط من الفضاء الخالي من الهواء اسم معامل الانكسار المطلق.

(مطلق – نسبة إلى الفراغ.
نسبي - نسبة إلى أي مادة أخرى (نفس الهواء مثلا).
المؤشر النسبي لمادتين هو نسبة مؤشراتهما المطلقة.)

مكتمل انعكاس داخلي - الانعكاس الداخلي بشرط أن تزيد زاوية السقوط عن زاوية حرجة معينة. في هذه الحالة، تنعكس الموجة الساقطة بالكامل، وتتجاوز قيمة معامل الانعكاس حدها الأقصى قيم كبيرةللأسطح المصقولة. إن انعكاس الانعكاس الداخلي الكلي مستقل عن الطول الموجي.

في مجال البصريات، لوحظت هذه الظاهرة على نطاق واسع الإشعاع الكهرومغناطيسيبما في ذلك نطاق الأشعة السينية.

في البصريات الهندسية، يتم شرح هذه الظاهرة في إطار قانون سنيل. مع الأخذ في الاعتبار أن زاوية الانكسار لا يمكن أن تتجاوز 90 درجة، نحصل على ذلك عند زاوية الورود التي يكون جيبها أكبر من نسبة معامل الانكسار الأصغر إلى معامل الانكسار الأكبر، الموجة الكهرومغناطيسيةينبغي أن تنعكس بشكل كامل في أول يوم أربعاء.

ووفقا للنظرية الموجية لهذه الظاهرة، لا تزال الموجة الكهرومغناطيسية تخترق الوسط الثاني - وتنتشر هناك ما يسمى بـ "الموجة غير المنتظمة"، والتي تضمحل بشكل كبير ولا تحمل معها طاقة. إن العمق المميز لاختراق موجة غير متجانسة في الوسط الثاني هو في حدود طول الموجة.

قوانين انكسار الضوء.

ومن كل ما قيل نستنتج:
1 . عند السطح البيني بين وسطين لهما كثافات بصرية مختلفة، يغير شعاع الضوء اتجاهه عند مروره من وسط إلى آخر.
2. عندما يمر شعاع ضوئي إلى وسط ذي كثافة بصرية أعلى، تكون زاوية الانكسار أقل من زاوية السقوط؛ عندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط أكثر كثافة بصريا إلى وسط أقل كثافة، تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط.
ويصاحب انكسار الضوء انعكاس، ومع زيادة زاوية السقوط يزداد سطوع الشعاع المنعكس، ويضعف الشعاع المنكسر. ويمكن ملاحظة ذلك من خلال إجراء التجربة الموضحة في الشكل. وبالتالي فإن الشعاع المنعكس يحمل معه طاقة ضوئية أكبر، كلما زادت زاوية السقوط.

يترك مينيسوتا- السطح البيني بين وسطين شفافين، مثل الهواء والماء، هيئة الأوراق المالية- شعاع الحادث، أوب- الشعاع المنكسر، - زاوية السقوط، - زاوية الانكسار، - سرعة انتشار الضوء في الوسط الأول، - سرعة انتشار الضوء في الوسط الثاني.

العمل المختبري

انكسار الضوء. قياس معامل الانكسار للسائل

باستخدام مقياس الانكسار

الغرض من العمل: تعميق فهم ظاهرة انكسار الضوء؛ دراسة طرق قياس معامل الانكسار للوسائط السائلة؛ دراسة مبدأ العمل مع مقياس الانكسار.

معدات: مقياس الانكسار، الحلول ملح الطعامماصة، قطعة قماش ناعمة لمسح الأجزاء البصرية للأجهزة.

نظرية

قوانين انعكاس وانكسار الضوء. معامل الانكسار.

عند السطح البيني بين الوسائط، يغير الضوء اتجاه انتشاره. يعود جزء من الطاقة الضوئية إلى الوسط الأول، أي. ينعكس الضوء. إذا كان الوسط الثاني شفافًا، فإن جزءًا من الضوء، في ظل ظروف معينة، يمر عبر السطح البيني بين الوسائط، مما يؤدي عادةً إلى تغيير اتجاه الانتشار. وتسمى هذه الظاهرة انكسار الضوء (الشكل 1).

أرز. 1. انعكاس وانكسار الضوء عند واجهة مسطحة بين وسطين.

يتم تحديد اتجاه الأشعة المنعكسة والمنكسرة عندما يمر الضوء عبر واجهة مسطحة بين وسطين شفافين بواسطة قوانين انعكاس وانكسار الضوء.

قانون انعكاس الضوء.يقع الشعاع المنعكس في نفس مستوى الشعاع الساقط ويتم استعادة الوضع الطبيعي إلى مستوى فصل الوسائط عند نقطة السقوط. زاوية السقوط يساوي زاوية الانعكاس
.

قانون انكسار الضوء.يقع الشعاع المنكسر في نفس مستوى الشعاع الساقط ويتم استعادة الوضع الطبيعي إلى مستوى فصل الوسائط عند نقطة السقوط. زاوية الإصابة نسبة جيبية α إلى جيب زاوية الانكسار β هناك قيمة ثابتة لهاتين الوسيلتين، تسمى معامل الانكسار النسبي للوسط الثاني بالنسبة إلى الأول:

معامل الانكسار النسبي وسطين تساوي نسبة سرعة الضوء في الوسط الأول v1 إلى سرعة الضوء في الوسط الثاني v2 :

إذا جاء الضوء من الفراغ إلى وسط فإن معامل انكسار الوسط نسبة إلى الفراغ يسمى معامل الانكسار المطلق لهذا الوسط ويساوي نسبة سرعة الضوء في الفراغ معلسرعة الضوء في وسط معين :

معاملات الانكسار المطلقة تكون دائمًا أكبر من الوحدة؛ للهواء نتؤخذ كواحدة.

يمكن التعبير عن معامل الانكسار النسبي لوسائطين بدلالة معاملاتهما المطلقة ن 1 و ن 2 :

تحديد معامل الانكسار للسائل

لتحديد معامل انكسار السوائل بسرعة وسهولة، توجد أدوات بصرية خاصة - أجهزة قياس الانكسار، الجزء الرئيسي منها عبارة عن منشورين (الشكل 2): مساعد افي. 1والقياس Pr.2.يُسكب السائل المراد اختباره في الفجوة بين المنشورات.

عند قياس المؤشرات يمكن استخدام طريقتين: طريقة شعاع الرعي (للسوائل الشفافة) وطريقة الانعكاس الداخلي الكلي (للمحاليل الداكنة والعكرة والملونة). في هذا العمل، يتم استخدام أول منهم.

في طريقة شعاع الرعي، الضوء من مصدر خارجييذهب على الحافة أ.بالمنشور المشروع 1,يتبدد على سطحه غير لامع تكييفثم يخترق طبقة السائل قيد الدراسة إلى المنشور Pr.2.ويصبح السطح المطفي مصدراً للأشعة في جميع الاتجاهات، بحيث يمكن ملاحظته من خلال الحافة هف المنشور Pr.2.ومع ذلك، الحافة تكييفيمكن رؤيتها من خلال هففقط بزاوية أكبر من زاوية دنيا معينة أنا. ويرتبط حجم هذه الزاوية بشكل فريد بمعامل انكسار السائل الموجود بين المنشورات، وهي الفكرة الرئيسية وراء تصميم مقياس الانكسار.

النظر في مرور الضوء من خلال الوجه إي إفمنشور القياس السفلي Pr.2.كما يتبين من الشكل. 2- بتطبيق قانون انكسار الضوء مرتين نحصل على علاقتين:

(1)

(2)

لحل نظام المعادلات هذا، من السهل التوصل إلى استنتاج مفاده أن معامل انكسار السائل

(3)

يعتمد على أربع كميات: س, ص, ص 1 و أنا. ومع ذلك، ليس كل منهم مستقلين. لذلك، على سبيل المثال،

ص+ ق= ر , (4)

أين ر - زاوية الانكسار للمنشور المشروع 2. وبالإضافة إلى ذلك، من خلال تحديد الزاوية سالقيمة القصوى هي 90°، ومن المعادلة (1) نحصل على:

(5)

لكن القيمة القصوى للزاوية ص , كما يتبين من الشكل. 2 والعلاقات (3) و (4)، تتوافق قيم الزاوية الدنيا أنا و ص 1 , أولئك. أنا دقيقة و ص دقيقة .

وبالتالي، فإن معامل انكسار السائل في حالة الأشعة "الرعوية" يرتبط فقط بالزاوية أنا. في هذه الحالة، هناك قيمة الحد الأدنى للزاوية أنا, عندما الحافة تكييفلا يزال مرئيًا، أي أنه يظهر في مجال الرؤية باللون الأبيض المرآة. بالنسبة لزوايا المشاهدة الأصغر، تكون الحافة غير مرئية، وفي مجال الرؤية يظهر هذا المكان باللون الأسود. نظرًا لأن تلسكوب الجهاز يلتقط منطقة زاوية واسعة نسبيًا، يتم ملاحظة المناطق الفاتحة والسوداء في مجال الرؤية في نفس الوقت، حيث يتوافق الحد بينهما مع الحد الأدنى لزاوية المراقبة ويرتبط بشكل فريد بمعامل انكسار السائل. باستخدام صيغة الحساب النهائية:

(تم حذف استنتاجه) وعدد من السوائل ذات معاملات الانكسار المعروفة، يمكنك معايرة الجهاز، أي إنشاء مراسلات فريدة بين معاملات انكسار السوائل والزوايا أنا دقيقة . جميع الصيغ المقدمة مشتقة لأشعة ذات طول موجي معين.

سوف ينكسر الضوء ذو الأطوال الموجية المختلفة مع مراعاة تشتت المنشور. وبالتالي، عندما يتم إضاءة المنشور بالضوء الأبيض، ستكون الواجهة غير واضحة وملونة بألوان مختلفة بسبب التشتت. ولذلك، فإن كل مقياس انكسار لديه معوض يلغي نتيجة التشتت. قد يتكون من منشور واحد أو اثنين من منشورات الرؤية المباشرة - منشورات Amici. يتكون كل منشور Amici من ثلاثة منشورات زجاجية ذات مؤشرات انكسار مختلفة وتشتت مختلف، على سبيل المثال، المنشور الخارجي مصنوع من زجاج التاج، والمنشور الأوسط مصنوع من زجاج الصوان (زجاج التاج وزجاج الصوان نوعان من الزجاج). من خلال تدوير منشور المعوض باستخدام جهاز خاص، يتم الحصول على صورة حادة عديمة اللون للواجهة، ويتوافق موضعها مع قيمة معامل الانكسار لخط الصوديوم الأصفر λ =5893 Å (تم تصميم المنشور بحيث لا تتعرض الأشعة ذات الطول الموجي 5893 Å للانحراف).

تدخل الأشعة التي تمر عبر المعوض إلى عدسة التلسكوب، ثم تمر عبر المنشور العكسي عبر عدسة التلسكوب إلى عين المراقب. يظهر المسار التخطيطي للأشعة في الشكل. 3.

تتم معايرة مقياس الانكسار بقيم معامل الانكسار وتركيز محلول السكروز في الماء ويقع في المستوى البؤري للعدسة.

الجزء التجريبي

المهمة 1. فحص مقياس الانكسار.

قم بتوجيه الضوء باستخدام مرآة إلى المنشور المساعد لجهاز قياس الانكسار. مع رفع المنشور المساعد، قم بوضع بضع قطرات من الماء المقطر على منشور القياس. من خلال خفض المنشور المساعد، يمكنك تحقيق أفضل إضاءة لمجال الرؤية وضبط العدسة بحيث يكون مقياس التقاطع ومعامل الانكسار مرئيًا بوضوح. من خلال تدوير كاميرا المنشور القياس، تحصل على حدود الضوء والظل في مجال الرؤية. قم بتدوير رأس المعوض حتى يتم إزالة لون الحدود بين الضوء والظل. قم بمحاذاة حدود الضوء والظل مع نقطة التقاطع وقياس معامل انكسار الماء ن يتغير . إذا كان مقياس الانكسار يعمل بشكل صحيح، فيجب أن تكون القيمة بالنسبة للماء المقطر ن 0 = 1.333 فإذا اختلفت القراءات عن هذه القيمة وجب تحديد التعديل Δن= ن يتغير - 1.333، والتي ينبغي بعد ذلك أخذها في الاعتبار عند مواصلة العمل باستخدام مقياس الانكسار. يرجى إجراء التصحيحات على الجدول 1.

الجدول 1.

المهمة 2. تحديد معامل انكسار السائل.

تحديد معاملات الانكسار للمحاليل ذات التركيزات المعروفة مع مراعاة التصحيح الموجود.

الجدول 2.

ارسم رسمًا بيانيًا يوضح اعتماد معامل انكسار محاليل ملح الطعام على التركيز بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها. استخلص استنتاجًا حول اعتماد n على C؛ استخلاص استنتاجات حول دقة القياسات باستخدام مقياس الانكسار.

خذ محلول ملحي مجهول التركيز مع س , حدد معامل انكساره واستخدم الرسم البياني لإيجاد تركيز المحلول.

يزيل مكان العمل، امسح موشورات مقياس الانكسار بعناية بقطعة قماش مبللة ونظيفة.

أسئلة أمنية

انعكاس وانكسار الضوء.

مطلق و المؤشرات النسبيةانكسار الوسط.

مبدأ تشغيل مقياس الانكسار. طريقة شعاع انزلاق.

رسم تخطيطي لمسار الأشعة في المنشور. لماذا هناك حاجة للمناشير المعوض؟

انتشار وانعكاس وانكسار الضوء

طبيعة الضوء كهرومغناطيسية. وأحد الأدلة على ذلك هو تزامن سرعات الموجات الكهرومغناطيسية مع الضوء في الفراغ.

في الوسط المتجانس، ينتقل الضوء في خط مستقيم. يسمى هذا البيان قانون الانتشار المستقيم للضوء. والدليل التجريبي على هذا القانون هو الظلال الحادة التي تنتجها مصادر الضوء النقطية.

ويسمى الخط الهندسي الذي يشير إلى اتجاه انتشار الضوء شعاع الضوء. في الوسط المتناحي، يتم توجيه أشعة الضوء بشكل عمودي على مقدمة الموجة.

ويسمى الموقع الهندسي للنقاط في الوسط المتذبذب في نفس الطور بسطح الموجة، وتسمى مجموعة النقاط التي وصل إليها التذبذب عند نقطة زمنية معينة جبهة الموجة. اعتمادًا على نوع مقدمة الموجة، يتم التمييز بين الموجات المستوية والكروية.

لشرح عملية انتشار الضوء يستخدمونها المبدأ العامالنظرية الموجية حول حركة جبهة الموجة في الفضاء، التي اقترحها الفيزيائي الهولندي هـ. هيجنز. وفقًا لمبدأ هويجنز، فإن كل نقطة في الوسط الذي يصل إليه إثارة الضوء هي مركز موجات ثانوية كروية، والتي تنتشر أيضًا بسرعة الضوء. ويعطي السطح المحيط بمقدمات هذه الموجات الثانوية موقع مقدمة الموجة المنتشرة فعليًا في تلك اللحظة من الزمن.

ومن الضروري التمييز بين أشعة الضوء وأشعة الضوء. شعاع الضوء هو جزء من موجة ضوئية تحمل الطاقة الضوئية في اتجاه معين. عند استبدال شعاع الضوء بشعاع ضوئي يصفه، يجب اعتبار الأخير متزامنًا مع محور ضوء ضيق بدرجة كافية، ولكن في نفس الوقت له عرض محدود (أبعاد المقطع العرضي أكبر بكثير من الطول الموجي) شعاع.

هناك أشعة ضوئية متباعدة ومتقاربة وشبه متوازية. غالبًا ما يتم استخدام مصطلحات شعاع الضوء أو ببساطة أشعة الضوء، مما يعني مجموعة من الأشعة الضوئية التي تصف شعاع الضوء الحقيقي.

سرعة الضوء في الفراغ c = 3108 م/ث هي ثابت عالمي ولا تعتمد على التردد. لأول مرة، تم تحديد سرعة الضوء تجريبيا بالطريقة الفلكية من قبل العالم الدنماركي O. Roemer. وبشكل أكثر دقة، تم قياس سرعة الضوء بواسطة أ. ميشيلسون.

سرعة الضوء في المادة أقل منها في الفراغ. تسمى نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعته في وسط معين بمعامل الانكسار المطلق للوسط:

حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ، و v هي سرعة الضوء في وسط معين. معاملات الانكسار المطلقة لجميع المواد أكبر من الواحد.

عندما ينتشر الضوء عبر وسط ما، فإنه يتم امتصاصه وتشتيته، وعند السطح البيني بين الوسائط ينعكس وينكسر.

قانون انعكاس الضوء: الشعاع الساقط، والشعاع المنعكس، والعمودي على السطح البيني بين وسطين، المستعادين عند نقطة سقوط الشعاع، يقعان في نفس المستوى؛ زاوية الانعكاس g تساوي زاوية السقوط a (الشكل 1). يتوافق هذا القانون مع قانون انعكاس الموجات مهما كانت طبيعتها ويمكن الحصول عليه نتيجة لمبدأ هيجنز.

قانون انكسار الضوء: الشعاع الساقط، والشعاع المنكسر، والعمودي على الواجهة بين وسطين، المستعادين عند نقطة سقوط الشعاع، يقعان في نفس المستوى؛ إن نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار لتردد معين من الضوء هي قيمة ثابتة تسمى معامل الانكسار النسبي للوسط الثاني نسبة إلى الأول:

تم شرح قانون انكسار الضوء الذي تم إنشاؤه تجريبيًا على أساس مبدأ هويجنز. وفقًا للمفاهيم الموجية، فإن الانكسار هو نتيجة التغيرات في سرعة انتشار الموجة عند انتقالها من وسط إلى آخر، والمعنى الفيزيائي لمؤشر الانكسار النسبي هو نسبة سرعة انتشار الموجات في الوسط الأول v1 إلى سرعة انتشارها في الوسط الثاني

بالنسبة للوسائط ذات معاملات الانكسار المطلقة n1 وn2، يكون معامل الانكسار النسبي للوسط الثاني بالنسبة للوسط الأول مساويًا لنسبة معامل الانكسار المطلق للوسط الثاني إلى معامل الانكسار المطلق للوسط الأول:

ويطلق على الوسط الذي يحتوي على معامل انكسار أعلى كثافة بصرية؛ وتكون سرعة انتشار الضوء فيه أقل. إذا مر الضوء من وسط أكثر كثافة بصريًا إلى وسط أقل كثافة بصريًا، عند زاوية سقوط معينة a0 يجب أن تصبح زاوية الانكسار مساوية لـ p/2. تصبح شدة الشعاع المنكسر في هذه الحالة مساوية للصفر. وينعكس منه الضوء الساقط على السطح البيني بين وسطين بالكامل.

تسمى زاوية السقوط a0 التي يحدث عندها الانعكاس الداخلي الكلي للضوء بالزاوية الحدية للانعكاس الداخلي الكلي. عند جميع زوايا السقوط التي تساوي أو أكبر من 0، يحدث انعكاس كلي للضوء.

تم العثور على قيمة الزاوية الحدية من العلاقة إذا كان n2 = 1 (فراغ)، إذن

2 معامل انكسار المادة هو قيمة تساوي نسبة سرعات طور الضوء (الموجات الكهرومغناطيسية) في الفراغ وفي وسط معين. يتحدثون أيضًا عن معامل الانكسار لأي موجات أخرى، على سبيل المثال، الصوت

يعتمد معامل الانكسار على خصائص المادة والطول الموجي للإشعاع؛ بالنسبة لبعض المواد، يتغير معامل الانكسار بقوة كبيرة عندما يتغير تردد الموجات الكهرومغناطيسية من الترددات المنخفضة إلى الترددات الضوئية وما بعدها، ويمكن أن يتغير أيضًا بشكل أكثر حدة في مناطق معينة من مقياس التردد. يشير الإعداد الافتراضي عادةً إلى النطاق البصري أو النطاق الذي يحدده السياق.

هناك مواد متباينة الخواص بصريًا يعتمد معامل انكسارها على اتجاه الضوء واستقطابه. هذه المواد شائعة جدًا، على وجه الخصوص، جميعها عبارة عن بلورات ذات تماثل منخفض إلى حد ما للشبكة البلورية، بالإضافة إلى المواد المعرضة للتشوه الميكانيكي.

يمكن التعبير عن معامل الانكسار كجذر منتج الثوابت المغناطيسية والعازلة للوسط

(يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن قيم النفاذية المغناطيسية وثابت العزل الكهربائي المطلق لنطاق التردد محل الاهتمام - على سبيل المثال، البصري - يمكن أن تختلف كثيرًا عن القيمة الثابتة لهذه القيم).

لقياس معامل الانكسار، يتم استخدام أجهزة قياس الانكسار اليدوية والآلية. عند استخدام مقياس الانكسار لتحديد تركيز السكر في محلول مائي، يسمى الجهاز مقياس السكر.

تسمى نسبة جيب زاوية السقوط () للحزمة إلى جيب زاوية الانكسار () عندما تمر الحزمة من الوسط A إلى الوسط B بمؤشر الانكسار النسبي لهذا الزوج من الوسائط.

الكمية n هي معامل الانكسار النسبي للوسط B بالنسبة للوسط A، аn" = 1/n هو معامل الانكسار النسبي للوسط A بالنسبة للوسط B.

هذه القيمة، مع تساوي الأشياء الأخرى، عادة ما تكون أقل من الوحدة عندما تنتقل الحزمة من وسط أكثر كثافة إلى وسط أقل كثافة، وأكثر من الوحدة عندما تنتقل الحزمة من وسط أقل كثافة إلى وسط أكثر كثافة (على سبيل المثال، من غاز أو من فراغ إلى سائل أو صلب). هناك استثناءات لهذه القاعدة، ولذلك فمن المعتاد تسمية وسط أكثر أو أقل كثافة بصريًا من وسيط آخر (يجب عدم الخلط بينه وبين الكثافة الضوئية كمقياس لعتامة الوسط).

ينكسر الشعاع الذي يسقط من الفضاء الخالي من الهواء على سطح وسط ما B بقوة أكبر مما ينكسر عند سقوطه عليه من وسط آخر A؛ يُطلق على معامل الانكسار لشعاع يسقط على وسط من الفضاء الخالي من الهواء اسم معامل الانكسار المطلق أو ببساطة معامل الانكسار لوسط معين، وهذا هو معامل الانكسار، الذي يرد تعريفه في بداية المقالة. يكون معامل انكسار أي غاز، بما في ذلك الهواء، في الظروف العادية أقل بكثير من معامل انكسار السوائل أو المواد الصلبة، وبالتالي، تقريبًا (وبدقة جيدة نسبيًا) يمكن الحكم على معامل الانكسار المطلق من خلال معامل الانكسار بالنسبة للهواء.

أرز. 3. مبدأ تشغيل مقياس إنكسار التداخل. يتم تقسيم شعاع الضوء بحيث يمر جزأه عبر تربيعات بطول l مملوءة بمواد ذات معاملات انكسار مختلفة. عند الخروج من الترعة، تكتسب الأشعة اختلافًا معينًا في المسار، وعندما يتم تجميعها معًا، فإنها تعطي على الشاشة صورة لتداخل الحد الأقصى والحد الأدنى بأوامر k (كما هو موضح بشكل تخطيطي على اليمين). فرق معامل الانكسار Dn=n2 –n1 =kl/2، حيث l هو الطول الموجي للضوء.

أجهزة قياس الانكسار هي أدوات تستخدم لقياس معامل انكسار المواد. يعتمد مبدأ تشغيل مقياس الانكسار على ظاهرة الانعكاس الكلي. إذا سقط شعاع ضوئي متناثر على السطح البيني بين وسطين لهما معاملات انكسار، ومن وسط أكثر كثافة بصريًا، فبدءًا من زاوية سقوط معينة، لا تدخل الأشعة إلى الوسط الثاني، ولكنها تنعكس تمامًا من السطح البيني في الوسط الأول. وتسمى هذه الزاوية الزاوية الحدية للانعكاس الكلي. ويبين الشكل 1 سلوك الأشعة عند سقوطها في تيار معين لهذا السطح. يأتي الشعاع بزاوية قصوى. ومن قانون الانكسار يمكننا تحديد: ، (منذ).

يعتمد حجم الزاوية المحددة على معامل الانكسار النسبي للوسائط. إذا كانت الأشعة المنعكسة من السطح موجهة إلى عدسة مجمعة، ففي المستوى البؤري للعدسة، يمكنك رؤية حدود الضوء والظل الجزئي، ويعتمد موضع هذه الحدود على قيمة الزاوية المحددة، وبالتالي على معامل الانكسار. إن التغيير في معامل الانكسار لأحد الوسائط يستلزم تغييرًا في موضع الواجهة. يمكن أن تكون الواجهة بين الضوء والظل بمثابة مؤشر عند تحديد معامل الانكسار، والذي يستخدم في أجهزة قياس الانكسار.

تسمى هذه الطريقة لتحديد معامل الانكسار بطريقة الانعكاس الكلي بالإضافة إلى طريقة الانعكاس الكلي، تستخدم أجهزة قياس الانكسار طريقة شعاع الرعي.في هذه الطريقة، يضرب شعاع ضوئي متناثر الحد من وسط أقل كثافة بصريًا في جميع الزوايا الممكنة (الشكل 2). الشعاع الذي ينزلق على سطح () يقابل -

زاوية الحد

الانكسار (الأشعة في الشكل 2). إذا وضعنا عدسة في مسار الأشعة () المنكسرة على السطح، فسنرى أيضًا في المستوى البؤري للعدسة حدودًا حادة بين الضوء والظل.

مسار الأشعة في المنشور الثلاثي

يوضح الشكل 9 مقطعًا عرضيًا لمنشور زجاجي ذي مستوى متعامد على حوافه الجانبية. ينحرف الشعاع الموجود في المنشور نحو القاعدة، وينكسر عند الحواف OA و0B. وتسمى الزاوية j بين هذه الوجوه زاوية انكسار المنشور. تعتمد زاوية انحراف الشعاع على زاوية انكسار المنشور، ومعامل انكسار مادة المنشور وزاوية السقوطأ. ويمكن حسابها باستخدام قانون الانكسار (1.4).

يستخدم مقياس الانكسار مصدر ضوء أبيض 3. بسبب التشتت، عندما يمر الضوء عبر المنشور 1 و 2، تصبح حدود الضوء والظل ملونة. ولتجنب ذلك، يتم وضع المعوض 4 أمام عدسة التلسكوب، ويتكون من منشورين متطابقين، يتم لصق كل منهما معًا من ثلاثة منشورات ذات مؤشرات انكسار مختلفة. يتم اختيار المنشور بحيث يكون شعاع أحادي اللون بطول موجي

= 589.3 ميكرومتر.

(الطول الموجي للخط الأصفر للصوديوم) لم يتم اختباره بعد اجتياز معوض الانحراف. تنحرف الأشعة ذات الأطوال الموجية الأخرى بواسطة المنشورات في اتجاهات مختلفة. من خلال تحريك منشورات المعوض باستخدام مقبض خاص، نضمن أن تصبح الحدود بين الضوء والظلام واضحة قدر الإمكان.

تدخل أشعة الضوء، بعد أن اجتازت المعوض، إلى العدسة رقم 6 للتلسكوب. يتم عرض صورة واجهة الظل الخفيف من خلال العدسة 7 للتلسكوب. في الوقت نفسه، يتم عرض المقياس 8 من خلال العدسة، نظرًا لأن زاوية الانكسار المحددة والزاوية المحددة للانعكاس الكلي تعتمد على معامل انكسار السائل، يتم تحديد قيم معامل الانكسار هذا على الفور على مقياس الانكسار. .يحتوي النظام البصري لمقياس الانكسار أيضًا على منشور دوار 5. وهو يسمح لك بوضع محور التلسكوب بشكل عمودي على المنشور 1 و2، مما يجعل المراقبة أكثر ملاءمة. مؤشر الانكسار(معامل الانكسار) - بصري. سمة البيئة المرتبطة بها

انكسار الضوء عند السطح البيني بين وسطين شفافين متجانسين بصريا ومتناحيين أثناء انتقالهما من وسط إلى آخر وبسبب اختلاف سرعات طور انتشار الضوء في الوسائط.قيمة P. p تساوي نسبة هذه السرعات.

تعتمد قيمة pp المطلقة على طبيعة وبنية المادة حالة التجميعودرجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك. عند الشدة العالية، يعتمد PP على شدة الضوء (انظر. البصريات غير الخطية). في عدد من المواد، يتغير P. تحت تأثير التأثيرات الخارجية. كهربائي الحقول ( تأثير كير- في السوائل والغازات. الكهروضوئية تأثير بوكلس- في بلورات).

بالنسبة لوسط معين، يعتمد نطاق الامتصاص على الطول الموجي للضوء l، وفي منطقة نطاقات الامتصاص يكون هذا الاعتماد شاذًا (انظر الشكل 1). تشتت الضوء).في الأشعة السينية. في المنطقة، يكون عامل الطاقة لجميع الوسائط تقريبًا قريبًا من 1، وفي المنطقة المرئية للسوائل والمواد الصلبة يبلغ حوالي 1.5؛ في منطقة الأشعة تحت الحمراء لعدد من الوسائط الشفافة 4.0 (لشركة Ge).

تتميز بوجود نقطتين PP: عادية (على غرار الوسائط المتناحية) وغير عادية، ويعتمد حجمها على زاوية سقوط الحزمة، وبالتالي اتجاه انتشار الضوء في الوسط (انظر. البصريات الكريستاليةبالنسبة للوسائط ذات الامتصاص (خاصة المعادن)، يكون معامل الامتصاص قيمة معقدة ويمكن تمثيله بالشكل حيث يكون ha هو معامل الامتصاص المعتاد، وهو مؤشر الامتصاص (انظر. امتصاص الضوء، البصريات المعدنية).

ص. عيانية. خصائص البيئة وارتباطها بها ثابت العزل الكهربائين ماج. نفاذية كلاسيكي نظرية الإلكترون (انظر تشتت الضوء) يسمح لنا بربط قيمة P. p بالمجهر. خصائص البيئة - الإلكترونية الاستقطابالذرة (أو الجزيء) حسب طبيعة الذرات وتردد الضوء والوسط: حيث ن- عدد الذرات لكل وحدة حجم.

الكهرباء المؤثرة على الذرة (الجزيء). يتسبب مجال الموجة الضوئية في إزاحة الموجة الضوئية. الإلكترون من موضع التوازن. تكتسب الذرة محرضات. يتغير عزم ثنائي القطب بمرور الوقت مع تردد الضوء الساقط، وهو مصدر الموجات الثانوية المتماسكة، والتي. تتداخل مع حادث موجة على الوسط، فإنها تشكل موجة ضوئية ناتجة تنتشر في الوسط بسرعة الطور وبالتالي

وهي كميات ثابتة (عند تردد معين)، مستقلة عن شدة الضوء. في تدفقات الضوء المكثفة الناتجة عن أشعة الليزر القوية، تكون القيمة الكهربائية. يمكن أن يكون مجال الموجة الضوئية متناسبًا مع الكهرباء داخل الذرة.

الحقول ونموذج مذبذب الانسجام غير مقبول. إن الأخذ في الاعتبار عدم تناغم القوى في نظام الذرة والإلكترون يؤدي إلى اعتماد استقطابية الذرة، وبالتالي استقطابية الجسيم، على شدة الضوء. وتبين أن العلاقة بين و غير خطية؛ يمكن تمثيل P. p حيث - ص. عند شدة الإضاءة المنخفضة؛(عادة

تسمية مقبولة ) - إضافة غير خطية إلى P. p. أو المعامل. اللاخطية.ص.يعتمد على طبيعة البيئة مثلا. لنظارات السيليكات