การหักเหของแสง: องค์ประกอบกฎและการทดลอง - กายภาพ - 2025

การหักเหของแสงเป็นปรากฏการณ์ทางแสงที่เกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบบนพื้นผิวการแยกของสื่อสองชนิดที่มีดัชนีหักเหต่างกัน เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้แสงจะเปลี่ยนทิศทางและความเร็ว

การหักเหเกิดขึ้นเช่นเมื่อแสงผ่านจากอากาศไปยังน้ำเนื่องจากมีดัชนีหักเหต่ำกว่า เป็นปรากฏการณ์ที่สามารถชื่นชมได้อย่างสมบูรณ์แบบในสระว่ายน้ำเมื่อสังเกตว่ารูปร่างของร่างกายใต้น้ำดูเหมือนจะเบี่ยงเบนไปจากทิศทางที่พวกเขาควรจะมี

Atoma

เป็นปรากฏการณ์ที่ส่งผลกระทบต่อคลื่นประเภทต่างๆแม้ว่ากรณีของแสงจะเป็นตัวแทนมากที่สุดและเป็นปรากฏการณ์ที่มีอยู่มากที่สุดในชีวิตประจำวันของเรา

คำอธิบายเกี่ยวกับการหักเหของแสงได้รับการเสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Willebrord Snell van Royen ซึ่งเป็นผู้กำหนดกฎหมายเพื่ออธิบายเรื่องนี้ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อกฎของสเนลล์

นักวิทยาศาสตร์อีกคนที่ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการหักเหของแสงคือไอแซกนิวตัน เพื่อศึกษาเรื่องนี้เขาได้สร้างปริซึมแก้วที่มีชื่อเสียง ในปริซึมแสงจะทะลุผ่านใบหน้าด้านใดด้านหนึ่งของมันหักเหและสลายตัวเป็นสีต่างๆ ด้วยวิธีนี้จากปรากฏการณ์การหักเหของแสงเขาได้พิสูจน์แล้วว่าแสงสีขาวประกอบด้วยสีทั้งหมดของรุ้ง

องค์ประกอบของการหักเหของแสง

องค์ประกอบหลักที่ต้องพิจารณาในการศึกษาการหักเหของแสงมีดังต่อไปนี้: - รังสีตกกระทบซึ่งเป็นรังสีที่ตกกระทบบนพื้นผิวการแยกของสื่อทางกายภาพทั้งสอง - รังสีหักเหซึ่งเป็นรังสีที่ผ่านตัวกลางปรับเปลี่ยนทิศทางและความเร็ว - เส้นปกติซึ่งเป็นเส้นสมมุติที่ตั้งฉากกับพื้นผิวการแยกของสื่อทั้งสอง - มุมตกกระทบ (i) ซึ่งกำหนดเป็นมุมที่เกิดจากรังสีตกกระทบกับค่าปกติ - มุมของการหักเหของแสง (r) ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นมุมที่เกิดขึ้นจากค่าปกติกับรังสีหักเห

- นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาดัชนีการหักเหของแสง (n) ของตัวกลางซึ่งเป็นผลหารของความเร็วแสงในสุญญากาศและความเร็วของแสงในตัวกลาง

n = c / v

ในเรื่องนี้ควรจำไว้ว่าความเร็วของแสงในสุญญากาศมีค่า 300,000,000 m / s

ดัชนีหักเหของแสงในสื่อต่างๆ

ดัชนีการหักเหของแสงในสื่อที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่ :

กฎการหักเหของแสง

กฎของสเนลล์มักเรียกกันว่ากฎการหักเหของแสง แต่ความจริงก็คือกฎของการหักเหของแสงสามารถกล่าวได้ว่ามีสองเท่า

กฎข้อแรกของการหักเหของแสง

รังสีตกกระทบรังสีหักเหและค่าปกติอยู่ในระนาบเดียวกันของอวกาศ ในกฎหมายนี้ซึ่งอนุมานโดย Snell การสะท้อนก็มีผล

กฎข้อที่สองของการหักเหของแสง

ประการที่สองกฎการหักเหของแสงหรือกฎของสเนลล์ถูกกำหนดโดยนิพจน์ต่อไปนี้:

n ₁บาป i = n ₂บาป r

โดยที่ n _{1 คือ}ดัชนีการหักเหของตัวกลางที่แสงมา ฉันมุมตกกระทบ; n ₂ดัชนีการหักเหของตัวกลางที่แสงหักเห r คือมุมหักเห

โจเซลล์ 7

หลักการของแฟร์มาต์

จากหลักการของเวลาขั้นต่ำหรือหลักการของแฟร์มาต์ทั้งกฎแห่งการสะท้อนและกฎการหักเหของแสงที่เราเพิ่งเห็นสามารถอนุมานได้

หลักการนี้ระบุว่าเส้นทางที่แท้จริงตามด้วยรังสีของแสงที่เดินทางระหว่างจุดสองจุดในอวกาศเป็นเส้นทางที่ต้องใช้เวลาเดินทางน้อยที่สุด

ผลที่ตามมาของกฎของ Snell

ผลกระทบโดยตรงบางประการที่อนุมานได้จากนิพจน์ก่อนหน้านี้ ได้แก่

ก) ถ้า n ₂ > n ₁ ; บาป r <sin io ให้ r <i

ดังนั้นเมื่อรังสีของแสงผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหต่ำไปยังอีกอันหนึ่งที่มีดัชนีหักเหสูงกว่ารังสีหักเหเข้าใกล้ปกติ

b) ถ้า n2 <n ₁ ; บาป r> บาป io ให้ r> i

ดังนั้นเมื่อรังสีของแสงผ่านจากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหสูงกว่าไปยังอีกที่หนึ่งโดยมีดัชนีต่ำกว่ารังสีหักเหจะเคลื่อนที่ออกไปจากค่าปกติ

c) ถ้ามุมตกกระทบเป็นศูนย์แสดงว่ามุมของรังสีหักเหเป็นศูนย์

จำกัด มุมและการสะท้อนภายในทั้งหมด

ผลที่สำคัญอีกประการหนึ่งของกฎของสเนลล์คือสิ่งที่เรียกว่ามุม จำกัด นี่คือชื่อที่กำหนดให้กับมุมตกกระทบที่สอดคล้องกับมุมหักเหของ90º

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นรังสีหักเหจะเคลื่อนไปพร้อมกับพื้นผิวการแยกของสื่อทั้งสอง มุมนี้เรียกอีกอย่างว่ามุมวิกฤต

สำหรับมุมที่มากกว่ามุม จำกัด ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมดจะเกิดขึ้น เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นจะไม่มีการหักเหเกิดขึ้นเนื่องจากลำแสงทั้งหมดจะสะท้อนภายใน การสะท้อนภายในทั้งหมดเกิดขึ้นเมื่อเคลื่อนที่จากตัวกลางที่มีดัชนีหักเหสูงกว่าไปยังตัวกลางที่มีดัชนีหักเหต่ำกว่า

การประยุกต์ใช้การสะท้อนภายในทั้งหมดคือการนำแสงผ่านใยแก้วนำแสงโดยไม่สูญเสียพลังงาน ด้วยเหตุนี้เราจึงสามารถเพลิดเพลินกับความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลที่สูงจากเครือข่ายใยแก้วนำแสง

การทดลอง

การทดลองขั้นพื้นฐานเพื่อให้สามารถสังเกตปรากฏการณ์การหักเหของแสงประกอบด้วยการนำดินสอหรือปากกาในแก้วที่เต็มไปด้วยน้ำ อันเป็นผลมาจากการหักเหของแสงส่วนที่จมอยู่ใต้น้ำของดินสอหรือปากกาจะดูเหมือนหักเล็กน้อยหรือเบี่ยงเบนไปจากเส้นทางที่คาดว่าจะมี

Velual

คุณยังสามารถทดลองใช้ตัวชี้เลเซอร์ที่คล้ายกันได้ แน่นอนว่าจำเป็นต้องเทนมสองสามหยดลงในแก้วน้ำเพื่อปรับปรุงการมองเห็นของแสงเลเซอร์ ในกรณีนี้ขอแนะนำให้ทำการทดลองในสภาพแสงน้อยเพื่อให้สามารถชื่นชมเส้นทางของลำแสงได้ดีขึ้น

ในทั้งสองกรณีเป็นเรื่องน่าสนใจที่จะลองใช้มุมตกกระทบที่แตกต่างกันและสังเกตว่ามุมของการหักเหของแสงแตกต่างกันอย่างไรเมื่อมันเปลี่ยนไป

สาเหตุ

ต้องหาสาเหตุของเอฟเฟกต์แสงนี้ในการหักเหของแสงที่ทำให้ภาพของดินสอ (หรือลำแสงจากเลเซอร์) ดูเบี่ยงเบนไปใต้น้ำเมื่อเทียบกับภาพที่เราเห็นในอากาศ

การหักเหของแสงในชีวิตประจำวัน

การหักเหของแสงสามารถสังเกตได้ในหลาย ๆ สถานการณ์ในแต่ละวันของเรา บางคนเราตั้งชื่อแล้วคนอื่น ๆ เราจะแสดงความคิดเห็นด้านล่าง

ผลที่ตามมาอย่างหนึ่งของการหักเหของแสงก็คือแอ่งน้ำตื้นกว่าที่เป็นจริง

ผลกระทบของการหักเหของแสงอีกประการหนึ่งคือรุ้งที่เกิดขึ้นเนื่องจากแสงถูกหักเหโดยผ่านหยดน้ำที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศ เป็นปรากฏการณ์เดียวกันกับที่เกิดขึ้นเมื่อลำแสงผ่านปริซึม

ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของการหักเหของแสงคือเราสังเกตเห็นพระอาทิตย์ตกของดวงอาทิตย์เมื่อเวลาผ่านไปหลายนาทีนับตั้งแต่ที่มันเกิดขึ้นจริง

อ้างอิง

1. แสง (nd) ในวิกิพีเดีย. สืบค้นเมื่อวันที่ 14 มีนาคม 2019 จาก en.wikipedia.org.
2. เบิร์คจอห์นโรเบิร์ต (2542) ฟิสิกส์: ธรรมชาติของสิ่งต่างๆ Mexico DF: International Thomson Editores
3. การสะท้อนภายในทั้งหมด (nd) บน Wikipedia สืบค้นเมื่อวันที่ 12 มีนาคม 2019 จาก en.wikipedia.org.
4. แสง (nd) บน Wikipedia สืบค้นเมื่อวันที่ 13 มีนาคม 2019 จาก en.wikipedia.org.
5. เล็กเนอร์จอห์น (2530). ทฤษฎีการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นอนุภาค สปริงเกอร์.
6. การหักเห (nd) บน Wikipedia สืบค้นเมื่อวันที่ 14 มีนาคม 2019 จาก en.wikipedia.org.
7. ครอว์ฟอร์ดจูเนียร์แฟรงค์เอส. (2511) Waves (Berkeley Physics Course, Vol. 3), McGraw-Hill