Snell's Law • James Trefil สารานุกรม "สองร้อยกฎแห่งจักรวาล"

กฎหมายของ Snell

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำให้เราเรียนรู้ว่าไม่มีอะไรเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง แต่มีเคล็ดลับเล็กน้อยในสูตรนี้ซึ่งมักถูกลืม นักทฤษฎีกล่าวว่า "ความเร็วของแสง" หมายถึงความเร็วของแสงในสูญญากาศซึ่งโดยปกติจะแสดงด้วยอักษรลาติน กับและสำหรับพวกเขามันก็เห็นได้ชัดว่าพวกเขาไม่ได้พูดชัดแจ้งนอกจากนี้ "ในสุญญากาศ" แต่เมื่อแสงกระจายอยู่ในสื่อโปร่งใสเช่นน้ำหรือแก้วจะเคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็ว กับ เนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมของวัสดุอย่างต่อเนื่อง

ดังนั้นสิ่งที่เกิดขึ้นกับด้านหน้าของคลื่นแสงเมื่อมันผ่านขอบของสองสื่อโปร่งใส? คำตอบนี้ได้รับตามกฎหมายของ Snell (หรือ "กฎหมายของ Snell" ถ้าคุณทำตามไม่ใช่ภาษาละติน แต่เป็นการสะกดแบบชาวดัตช์ – ประมาณ การแปล) ชื่อหลังจากนักธรรมชาตินิยมชาวดัตช์ Willebrord Snellius ซึ่งเป็นคนแรกที่กำหนดรูปแบบนี้ เราสังเกตตัวอย่างที่สำคัญที่สุดของการหักเหเช่นนี้เมื่อลำแสงจากอากาศเข้าสู่แก้วและพุ่งเข้าไปในอากาศอีกครั้งและนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้น (และบ่อยครั้งกว่าหนึ่งครั้ง) ในอุปกรณ์ออปติคัลใด ๆ ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการที่ซับซ้อนที่สุดหรือคู่แว่นตาคู่ลองจินตนาการว่านักท่องเที่ยวเดินไปตามแนวทแยงมุมผ่านช่องสี่เหลี่ยมตรงกลางซึ่งขนานไปกับสองด้านผ่านชายแดนหลังจากที่บึงเริ่มต้น เป็นที่ชัดเจนว่านักท่องเที่ยวสามารถเดินทางได้เร็วขึ้นในพื้นที่ที่สะอาดและช้าลงตามบริเวณที่มีน้ำล้น ดังนั้นเมื่อนักท่องเที่ยวคนแรกถึงขอบของบึงและเริ่มติดค้างอยู่ในโคลนความเร็วของการล่มสลายของพวกเขาจะลดลงและพวกเขาเหมือนกับคนปกติเบี่ยงเบนไปจากเส้นทางเพื่อไปทางด้านตรงข้ามของที่ราบลุ่มในขณะที่คนที่ติดตามตาม และในทิศทางเดียวกัน ขณะที่นักท่องเที่ยวใหม่ทุกคนปีนขึ้นไปที่ลุ่มน้ำพวกเขาก็ชะลอตัวลงและเริ่มตัดมุม ด้วยเหตุนี้จากมุมมองตาของนกขบวนนักท่องเที่ยวจึงดูหักเหไป – จะไปในทุ่งนาในทิศทางเดียวและในที่ราบลุ่มอื่น ๆ เช่นเดียวกับแสง: ถ้าเมื่อข้ามพรมแดนของสื่อทั้งสองความเร็วของแสงในสื่อที่สองจะต่ำกว่าความเร็วของแสงในสื่อแรกลำแสงจะเบนเข็มไปทางด้านข้าง ปกติ (เส้นแนวตั้งฉากกับเส้นขอบ) ถ้าในสื่อที่สองความเร็วของการแพร่กระจายแสงจะสูงขึ้น (เช่นเมื่อแสงผ่านจากแก้วไปสู่อากาศ) ลำแสงนั้นจะเบี่ยงเบนจากปกติไปยังมุมที่ใหญ่ขึ้น (นักท่องเที่ยวจะเร่งขึ้นและหันทิศทาง)

อัตราส่วนของความเร็วของแสงในสูญญากาศกับความเร็วของแสงในสื่อเรียกว่า ดัชนีหักเห สิ่งแวดล้อม ดังนั้นดัชนีหักเหของแก้วประมาณ 1.5 (ขึ้นอยู่กับชนิดของแก้ว) นั่นคือแสงในกระจกจะลดลงประมาณหนึ่งในสามเมื่อเทียบกับความเร็วของการขยายพันธุ์ในสูญญากาศ วัสดุโปร่งใสแต่ละชิ้นมีดัชนีหักเหของตัวเอง (ตรงกันแน่นอนว่าเป็นไปได้ แต่ไม่ได้พูดอะไร)

กฎหมาย Snell กำหนดอัตราส่วนระหว่างมุมของการบังเกิดและการหักเหของลำแสงเมื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีก ถ้า θ1 และ θ2 – มุมตามลำดับของอุบัติการณ์และการหักเหเทียบกับปกติ (ดูรูป) เมื่อลำแสงส่งผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกและ n1 และ n2 – ดัชนีหักเหของสื่อเหล่านี้แล้วมีความสัมพันธ์:

n1 บาป θ1 = n2 บาป θ2

ความหมายของกฎหมายนี้คือถ้าหากดัชนีหักเหของแสงในสื่อที่อยู่ติดกันสองตัวและมุมของการบังของลำแสงเป็นที่ทราบกันดีแล้วคุณสามารถคำนวณได้ว่าคานนั้นเบี่ยงเบนไปหลังจากที่ข้ามพรมแดนระหว่างสื่อแล้วหรือไม่

คุณเคยยืนอยู่ที่ด้านข้างของสระว่ายน้ำและสงสัยว่าทำไมแฟนของคุณยืนอยู่ในน้ำที่เอวดูเหมือนว่าสั้นเป็นสัดส่วน? และสิ่งที่เป็นที่รังสีแสงที่คุณรับรู้และที่นำมาให้คุณเห็นภาพ,ออกมาจากน้ำและตกลงไปในอากาศก็ยากจนและไปถึงดวงตาของคุณที่มุมเอียงมากกว่าถ้าสระว่ายน้ำได้โดยไม่ต้องน้ำ สมองเชื่อสายตาและดูเหมือนกับคุณว่าเท้าของแฟนของคุณใกล้กว่าที่เป็นจริง

ดูเพิ่มเติม:

ประมาณ 100 ADกฎของการสะท้อนแสง
1934Cherenkov รังสี

การสะท้อนภายในทั้งหมด

นึกภาพกระจกคู่ขนานจากด้านในซึ่งลำแสงของแสงตกบนใบหน้าของเขา เมื่อผ่านเขตแดนกับอากาศลำแสงจะหักเหและเนื่องจากดัชนีหักเหแสง (ประมาณ 1) ต่ำกว่ากระจก (ประมาณ 1.5) ลำแสงจะเบี่ยงเบนจากแนวตั้งฉาก (ปกติ) ถ้าหากลำแสงกระทบพื้นผิวที่มุมเช่น 30 องศาในด้านอื่น ๆ ของเส้นขอบจะออกมาในมุมที่กว้างกว่าปกติ (ประมาณ 49 °) เมื่อมุมเบี่ยงเบนของมุมที่เกิดขึ้นจากการเพิ่มขึ้นตามปกติมุมของการหักเหจะเพิ่มขึ้นที่ "ก้าวนำ" จนกระทั่งในที่สุดที่มุมของการเกิดประมาณ 42 °มุมคำนวณของการหักเหจะกลายเป็น 90 °ไปยังฉากตั้งฉาก – นั่นคือการกระแทกพื้นผิวลำแสงในกรณีนี้ จะไม่ผ่านมัน แต่จะหักเหอย่างเคร่งครัดตามขอบระหว่างแก้วและอากาศ

เกิดอะไรขึ้นกับการเพิ่มขึ้นของมุมของอุบัติการณ์ของลำแสง? มุมหักเหมากกว่า 90 °หมายถึงความหมายว่าคานจะไม่ไปไกลกว่าแก้วและยังคงอยู่ภายในแถบกระจกนั่นคือจะไม่ทำให้แตก แต่ จะสะท้อน จากขอบของแก้วกับอากาศ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด มุมที่สำคัญถูกกำหนดจากสมการ:

บาป θ > n2/n1

ค่า θ มากกว่ามุมที่สำคัญรังสีความร้อนจากภายในแก้วจะไม่แทรกซึมเข้าไปในอากาศอีก แต่จะสะท้อนกลับเข้ามาภายในกระจกเช่นเดียวกับกระจก

ปรากฏการณ์ของการสะท้อนภายในทั้งหมดคุณสามารถสังเกตตัวเองได้อย่างง่ายดาย ครั้งต่อไปเมื่อรับประทานอาหารใต้แสงเทียนให้ดื่มไวน์สักแก้วและยกสูงขึ้นเหนือศีรษะของคุณและมองแสงเทียนผ่านพื้นผิวของไวน์เริ่มลดลงเรื่อย ๆ ตอนแรกแก้วยกขึ้นสูงพอเทียนจะส่องผ่านพื้นผิวของไวน์ อย่างไรก็ตามในบางจุดเมื่อคุณลดแก้วคุณจะไปถึงจุดหนึ่งเมื่อพื้นผิวของไวน์กลายเป็นสีเข้มสนิท แต่สิ่งที่คุณได้มาถึงมุมวิกฤติของการบังเกิดของลำแสงและแสงเทียนตอนนี้ได้รับการสะท้อนภายในเต็มรูปแบบทำให้ไม่มีแสงไหลซึมออกมา

อย่างไรก็ตามการสะท้อนภายในทั้งหมดไม่ได้เป็นเพียงเคล็ดลับที่น่าสนใจ แต่เป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่สำคัญหลายประการ แรกของทั้งหมด – ผลกระทบนี้ underlies การเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง. แสงที่เข้ามาจากปลายข้างหนึ่งเข้าไปในเส้นใยแก้วที่บางที่สุดในมุมที่ใหญ่มากจะถูกบังคับให้แพร่กระจายไปตามเส้นใยนี้โดยไม่ทิ้งข้อ จำกัด ของมันซ้ำ ๆ สะท้อนออกมาจากผนังเนื่องจากมุมของการบังเกิดไม่เพียงพอที่จะแตกออกจากขีด จำกัด เนื่องจาก ที่ปลายตรงข้ามเอาต์พุตของสัญญาณออปติคัลจะไม่สูญเสียไปอย่างมาก ถ้าคุณมัดเส้นใยแสงจำนวนมากไว้ในลำแสงการสลับของพัลส์แสงและช่องว่างที่มืดลงที่เอาต์พุตของสายเคเบิลใยแก้วนำแสงดังกล่าวจะสอดคล้องกับสัญญาณที่ได้รับจากอินพุตอย่างเคร่งครัด หลักการนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันโดยใช้เทคโนโลยีทางการแพทย์ที่ทันสมัย ​​(โดยเฉพาะใน arthroscopy) เมื่อมีการนำเส้นใยแสงบาง ๆ เข้าสู่ร่างกายของผู้ป่วยผ่านแผลเล็ก ๆ หรือปากตามธรรมชาติและส่งตัวอักษรไปยังอวัยวะที่อยู่ระหว่างการผ่าตัดด้วยวิธีทางศัลยศาสตร์ ดูบนหน้าจอว่าอะไรและทำงานอย่างไร

การใช้อย่างแพร่หลายอย่างเท่าเทียมกันได้รับการสะท้อนอย่างเต็มที่ในด้านการส่งผ่านข้อมูลความเร็วสูงผ่านสายโทรศัพท์ใยแก้วนำแสงโดยการส่งสัญญาณแสงแบบปรับเปลี่ยนแทนการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเราสามารถเร่งการส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายโทรคมนาคมได้หลายระดับ ในความเป็นจริงในทุกประเทศอุตสาหกรรมอย่างแท้จริงของโลกโทรศัพท์ทั้งหมดได้รับการถ่ายโอนไปยังการสื่อสารด้วยระบบไฟเบอร์ออปติกแล้ว

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

นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เกิดในไลเดนในครอบครัวของศาสตราจารย์วิชาคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยในท้องถิ่น เขาเรียนวิชาคณิตศาสตร์และกฎหมายในมหาวิทยาลัยต่างๆในยุโรปเดินทางมากได้พบนักวิทยาศาสตร์ที่โดดเด่นหลายสมัยของเขารวมถึง Johann Kepler ใน 1,653 เขาประสบความสำเร็จพ่อของเขาเป็นอาจารย์ที่ Leiden University. เขายืนอยู่ที่ต้นกำเนิดของวิทยาศาสตร์ใหม่ของ geodesy ก่อนเห็นความสำคัญของการใช้วิธีการของความคล้ายคลึงกันของสามเหลี่ยมเมื่อทำการวัด geodezji ในปี ค.ศ. 1621 หลังจากการทดลองหลาย ๆ ครั้งเกี่ยวกับเลนส์เขาได้ค้นพบกฎของการหักเหของรังสีหลังจากได้รับการตั้งชื่อตามชื่อของเขา Snellius ไม่ได้เผยแพร่ผลของเขา – พวกเขารวบรวมฝุ่นในคลังจนกว่าพวกเขาจะถูกค้นพบโดยRené Descartes ที่รวมพวกเขาในการทำงานพื้นฐานของเขาเริ่มต้นของปรัชญา


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

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