รูปภาพในเลนส์ การทำงานของเครื่องมือต่างๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์และกล้องโทรทรรศน์ ปรากฏการณ์ของรุ้งกินน้ำ และการรับรู้ที่หลอกลวงเกี่ยวกับความลึกของน้ำ ล้วนเป็นตัวอย่างของปรากฏการณ์การหักเหของแสง กฎหมายที่อธิบายปรากฏการณ์นี้จะกล่าวถึงในบทความนี้
ปรากฏการณ์หักเห
ก่อนที่จะพิจารณากฎการหักเหของแสงในวิชาฟิสิกส์ เรามาทำความคุ้นเคยกับแก่นแท้ของปรากฏการณ์กันก่อน
อย่างที่คุณทราบ ถ้าสื่อมีความเป็นเนื้อเดียวกันในทุกจุดในอวกาศ แสงก็จะเคลื่อนที่ไปตามทางตรง การหักเหของเส้นทางนี้เกิดขึ้นเมื่อลำแสงตัดผ่านในมุมหนึ่งที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุโปร่งใสสองชนิด เช่น แก้วกับน้ำ หรืออากาศกับแก้ว การเคลื่อนไปยังตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันอีกตัวหนึ่ง แสงจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงเช่นกัน แต่แสงจะถูกส่งไปยังมุมหนึ่งไปยังวิถีโคจรในตัวกลางแรกแล้ว นี่คือปรากฏการณ์การหักเหของลำแสง
วิดีโอด้านล่างสาธิตปรากฏการณ์การหักเหของแสงโดยใช้กระจกเป็นตัวอย่าง
จุดสำคัญตรงนี้คือมุมตกกระทบบนระนาบอินเทอร์เฟซ ค่าของมุมนี้กำหนดว่าจะสังเกตปรากฏการณ์การหักเหของแสงหรือไม่ หากลำแสงตกลงไปในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว เมื่อผ่านเข้าไปในตัวกลางที่สอง ลำแสงจะเคลื่อนที่ต่อไปในแนวเส้นตรงเดียวกัน กรณีที่สอง เมื่อไม่มีการหักเหของแสง คือมุมตกกระทบของลำแสงที่เคลื่อนจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่าไปเป็นมุมที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ซึ่งมากกว่าค่าวิกฤตบางค่า ในกรณีนี้ พลังงานแสงจะสะท้อนกลับเข้าสู่ตัวกลางแรกอย่างสมบูรณ์ ผลกระทบสุดท้ายจะกล่าวถึงด้านล่าง
กฎข้อที่หนึ่งของการหักเห
เรียกว่ากฎสามบรรทัดในระนาบเดียวก็ได้ สมมติว่ามีลำแสง A ตกกระทบที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุโปร่งใสสองชนิด ที่จุด O ลำแสงจะหักเหและเริ่มเคลื่อนที่ไปตามเส้นตรง B ซึ่งไม่ต่อเนื่องของ A หากเราคืนค่า N ตั้งฉากกับระนาบแยกไปยังจุด O ดังนั้นกฎข้อที่ 1 สำหรับปรากฏการณ์ของ การหักเหของแสงสามารถกำหนดได้ดังนี้: ลำแสงตกกระทบ A, N ปกติ และลำแสงหักเห B อยู่ในระนาบเดียวกัน ซึ่งตั้งฉากกับระนาบอินเทอร์เฟซ
กฎง่ายๆนี้ไม่ชัดเจน สูตรของมันเป็นผลมาจากการวางนัยทั่วไปของข้อมูลการทดลอง ในทางคณิตศาสตร์ มันสามารถหาได้จากสิ่งที่เรียกว่า หลักการแฟร์มาต์ หรือ หลักการใช้เวลาน้อยที่สุด
กฎข้อที่สองของการหักเห
ครูฟิสิกส์ของโรงเรียนมักมอบหมายงานต่อไปนี้ให้นักเรียน: "กำหนดกฎการหักเหของแสง" เราได้พิจารณาหนึ่งในนั้นแล้ว มาต่อกันที่ข้อที่สอง
แสดงมุมระหว่างรังสี A และแนวตั้งฉาก N เป็น θ1 มุมระหว่างรังสี B และ N จะถูกเรียกว่า θ2. นอกจากนี้เรายังคำนึงถึงความเร็วของลำแสง A ในตัวกลาง 1 คือ v1 ความเร็วของลำแสง A ในตัวกลาง 2 คือ v2 ตอนนี้เราสามารถให้สูตรทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่ 2 สำหรับปรากฏการณ์ที่กำลังพิจารณา:
sin(θ1)/v1=บาป(θ2)/ v2.
Dutchman Snell ได้สูตรนี้เมื่อต้นศตวรรษที่ 17 และตอนนี้ก็มีนามสกุลของเขา
ข้อสรุปที่สำคัญดังต่อไปนี้จากนิพจน์: ยิ่งความเร็วของการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางมากเท่าไร ลำแสงก็จะยิ่งห่างจากปกติมากขึ้นเท่านั้น (ไซน์ของมุมยิ่งมากขึ้น)
แนวคิดของดัชนีการหักเหของแสงของสื่อ
สูตร Snell ด้านบนนี้เขียนในรูปแบบที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย ซึ่งสะดวกกว่าในการแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติ แท้จริงแล้ว ความเร็ว v ของแสงในสสาร แม้ว่าจะน้อยกว่าในสุญญากาศ แต่ก็ยังเป็นค่าขนาดใหญ่ที่ยากต่อการใช้งาน ดังนั้นจึงแนะนำค่าสัมพัทธ์ในฟิสิกส์ซึ่งความเท่าเทียมกันดังแสดงด้านล่าง:
n=c/v.
นี่คือความเร็วของลำแสงในสุญญากาศ ค่าของ n แสดงจำนวนครั้งที่ค่าของ c มากกว่าค่าของ v ในวัสดุ เรียกว่าดัชนีหักเหของวัสดุนี้
เมื่อคำนึงถึงค่าที่ป้อน สูตรของกฎการหักเหของแสงจะถูกเขียนใหม่ในรูปแบบต่อไปนี้:
sin(θ1)n1=บาป(θ2) n2.
วัสดุที่มีค่า n มากเรียกว่าทึบแสง เมื่อผ่านเข้าไป แสงจะลดความเร็วลง n เท่า เมื่อเทียบกับค่าเดียวกันสำหรับพื้นที่สุญญากาศ
สูตรนี้แสดงว่าลำแสงจะอยู่ใกล้ค่าปกติในตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสงมากกว่า
ตัวอย่างเช่น เราสังเกตว่าดัชนีการหักเหของแสงในอากาศเกือบเท่ากับหนึ่ง (1, 00029) ค่าน้ำคือ 1.33.
ภาพสะท้อนทั้งหมดในตัวกลางที่มีความหนาแน่นทางแสง
มาทำการทดลองกัน: เริ่มต้นลำแสงจากเสาน้ำไปสู่ผิวของมัน เนื่องจากน้ำมีความหนาแน่นทางสายตามากกว่าอากาศ (1, 33>1, 00029) มุมตกกระทบ θ1 จะน้อยกว่ามุมหักเห θ2. ตอนนี้ เราจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น θ1 ตามลำดับ θ2 ก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ในขณะที่ความไม่เท่าเทียมกัน θ1<θ2จริงเสมอ
ชั่วขณะหนึ่งจะมาถึง θ1<90o และ θ2=90 o. มุมนี้ θ1 เรียกว่าวิกฤตสำหรับสื่อน้ำในอากาศ มุมตกกระทบใดๆ ที่มากกว่านี้จะส่งผลให้ไม่มีส่วนใดของลำแสงผ่านส่วนต่อประสานระหว่างน้ำกับอากาศเข้าไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า รังสีทั้งหมดที่ขอบจะเกิดการสะท้อนทั้งหมด
การคำนวณมุมวิกฤตของอุบัติการณ์ θc คำนวณโดยสูตร:
θc=arcsin(n2/n1).
สื่อกลางน้ำและอากาศมัน 48, 77o.
สังเกตว่าปรากฏการณ์นี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ กล่าวคือ เมื่อแสงเคลื่อนจากอากาศสู่น้ำ จะไม่มีมุมวิกฤต
ปรากฏการณ์ที่อธิบายไว้นี้ถูกใช้ในการทำงานของใยแก้วนำแสง และเมื่อรวมกับการกระจายของแสงก็เป็นสาเหตุของการเกิดรุ้งปฐมภูมิและทุติยภูมิในช่วงฝนตก