4.1. Konsep dasar dan hukum optik geometris
Hukum pemantulan cahaya.Hukum refleksi pertama:
sinar datang dan sinar pantul terletak pada bidang yang sama dengan tegak lurus permukaan pantul, dipugar pada titik datang sinar tersebut.
Hukum refleksi kedua:
sudut datang sama dengan sudut pantul (lihat Gambar 8).
α - sudut datang, β - sudut pantulan.
Hukum pembiasan cahaya. Indeks bias.
Hukum pembiasan pertama:
sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus yang direkonstruksi pada titik datang ke antarmuka terletak pada bidang yang sama (lihat Gambar 9). 
Hukum pembiasan kedua:
perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media tertentu dan disebut indeks bias relatif media kedua terhadap media pertama. 
Indeks bias relatif menunjukkan berapa kali kecepatan cahaya pada medium pertama berbeda dengan kecepatan cahaya pada medium kedua: 
Refleksi total.
Jika cahaya merambat dari medium yang optiknya lebih rapat ke medium yang optiknya kurang rapat, maka jika syarat α > α 0 terpenuhi, di mana α 0 adalah sudut pantulan total, maka cahaya tidak akan masuk ke medium kedua sama sekali. Itu akan sepenuhnya tercermin dari antarmuka dan tetap berada di media pertama. Dalam hal ini, hukum pemantulan cahaya memberikan hubungan sebagai berikut: 
4.2. Konsep dasar dan hukum optik gelombang
Gangguan adalah proses superposisi gelombang dari dua sumber atau lebih satu sama lain, sebagai akibatnya energi gelombang didistribusikan kembali dalam ruang. Untuk mendistribusikan kembali energi gelombang di ruang angkasa, sumber gelombang harus koheren. Ini berarti bahwa mereka harus memancarkan gelombang dengan frekuensi yang sama dan pergeseran fasa antara osilasi sumber-sumber ini tidak boleh berubah seiring waktu.Tergantung pada perbedaan jalur (∆) pada titik tumpang tindih sinar, interferensi maksimum atau minimum. Jika beda lintasan sinar dari sumber sefase ∆ sama dengan bilangan bulat panjang gelombang mλ (M - bilangan bulat), maka ini adalah interferensi maksimalnya:
jika jumlah setengah gelombang ganjil, interferensi minimumnya adalah:
Difraksi disebut simpangan rambat gelombang dari arah bujursangkar atau penetrasi energi gelombang ke dalam daerah bayangan geometri. Difraksi terlihat jelas ketika ukuran rintangan dan lubang yang dilalui gelombang sepadan dengan panjang gelombang.
Salah satu alat optik yang baik untuk mengamati difraksi cahaya adalah kisi difraksi. Ini adalah pelat kaca tempat guratan diterapkan pada jarak yang sama satu sama lain dengan berlian. Jarak antar pukulan - konstanta kisi d. Sinar yang melewati kisi didifraksikan pada semua sudut yang memungkinkan. Lensa mengumpulkan sinar-sinar yang datang dengan sudut difraksi yang sama pada salah satu titik bidang fokus. Datang dari sudut yang berbeda - di titik lain. Ditumpangkan satu sama lain, sinar-sinar ini memberikan pola difraksi maksimum atau minimum. Kondisi untuk mengamati maxima in kisi difraksi memiliki bentuk:
Di mana M- bilangan bulat, λ - panjang gelombang (lihat Gambar 10).
Salah satu risalah Yunani kuno menjelaskan eksperimen tersebut: “Anda harus berdiri agar cincin datar yang terletak di bagian bawah kapal tersembunyi di balik tepinya. Kemudian, tanpa mengubah posisi mata, tuangkan air ke dalam wadah. Cahaya akan dibiaskan pada permukaan air dan cincin itu akan terlihat.” Anda dapat menunjukkan “trik” ini kepada teman Anda sekarang (lihat Gambar 12.1), tetapi Anda hanya dapat menjelaskannya setelah mempelajari paragraf ini.
Beras. 12.1. "Trik" dengan koin. Jika tidak ada air di dalam cangkir, kita tidak melihat koin tergeletak di dasar (a); jika Anda menuangkan air, dasar cangkir tampak naik dan koin menjadi terlihat (b)
Menetapkan hukum pembiasan cahaya
Mari kita arahkan seberkas cahaya sempit ke permukaan rata kaca transparan setengah silinder dipasang pada mesin cuci optik.
Cahaya tidak hanya akan dipantulkan dari permukaan setengah silinder, tetapi juga sebagian akan melewati kaca. Artinya ketika berpindah dari udara ke kaca, arah rambat cahaya berubah (Gbr. 12.2).
Perubahan arah rambat cahaya pada antarmuka antara dua media disebut pembiasan cahaya.
Sudut (gamma), yang dibentuk oleh sinar bias dan tegak lurus antarmuka antara dua media yang ditarik melalui titik datang sinar, disebut sudut bias.
Setelah melakukan serangkaian percobaan dengan mesin cuci optik, kami mencatat bahwa dengan peningkatan sudut datang, sudut bias juga meningkat, dan dengan penurunan sudut datang, sudut bias berkurang (Gbr. 12.3 ). Jika cahaya jatuh tegak lurus pada antarmuka antara dua media (sudut datang α = 0), maka arah rambat cahaya tidak berubah.
Penyebutan pembiasan cahaya pertama kali ditemukan dalam tulisan filsuf Yunani kuno Aristoteles (abad IV SM), yang mengajukan pertanyaan: “Mengapa sebatang tongkat tampak patah di dalam air?” Namun hukum yang menjelaskan pembiasan cahaya secara kuantitatif baru ditetapkan pada tahun 1621 oleh ilmuwan Belanda Willebrord Snellius (1580-1626).
Hukum pembiasan cahaya:
2. Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias untuk dua media tertentu bernilai konstan:
dimana n 2 1 adalah besaran fisis yang disebut indeks bias relatif medium. 2 (media tempat cahaya merambat setelah dibiaskan) relatif terhadap media 1 (media tempat cahaya jatuh).
Kita belajar tentang penyebab pembiasan cahaya
Lalu mengapa cahaya berubah arah ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya?
Faktanya adalah bahwa di media yang berbeda, cahaya merambat dengan kecepatan yang berbeda, tetapi selalu lebih lambat dibandingkan di ruang hampa. Misalnya, di dalam air, kecepatan cahaya 1,33 kali lebih kecil dibandingkan di ruang hampa; ketika cahaya berpindah dari air ke kaca, kecepatannya berkurang 1,3 kali lipat; di udara, kecepatan rambat cahaya 1,7 kali lebih besar dibandingkan di kaca, dan hanya sedikit lebih kecil (sekitar 1,0003 kali) dibandingkan di ruang hampa.
Perubahan kecepatan rambat cahaya ketika berpindah dari satu medium transparan ke medium transparan lainnyalah yang menyebabkan pembiasan cahaya.
Merupakan kebiasaan untuk berbicara tentang kerapatan optik suatu medium: semakin rendah kecepatan rambat cahaya dalam medium (semakin tinggi indeks biasnya), semakin besar kerapatan optik medium tersebut.
Menurut Anda kepadatan optik media mana yang lebih besar - air atau kaca? Kepadatan optik media manakah yang lebih rendah - kaca atau udara?
Mencari tahu arti fisis dari indeks bias
Indeks bias relatif (n 2 1) menunjukkan berapa kali kecepatan cahaya di medium 1 lebih besar (atau kurang) dibandingkan kecepatan cahaya di medium 2:
Mengingat hukum kedua pembiasan cahaya:
Setelah menganalisis rumus terakhir, kami menarik kesimpulan sebagai berikut:
1) semakin besar perubahan kecepatan rambat cahaya pada antarmuka antara dua media, semakin banyak cahaya yang dibiaskan;
2) jika seberkas cahaya masuk ke media dengan kerapatan optik lebih tinggi (yaitu, kecepatan cahaya berkurang: v 2< v 1), то угол преломления меньше угла падения: γ<α (см., например, рис. 12.2, 12.3);
3) jika seberkas cahaya masuk ke dalam medium yang kerapatan optiknya lebih rendah (yaitu kecepatan cahaya bertambah: v 2 > v 1), maka sudut biasnya lebih besar dari sudut datangnya: > a ( Gambar 12.4).
Biasanya, kecepatan rambat cahaya dalam suatu medium dibandingkan dengan kecepatan rambatnya dalam ruang hampa. Ketika cahaya memasuki suatu medium dari ruang hampa, indeks bias n disebut indeks bias absolut.
Indeks bias absolut menunjukkan berapa kali kecepatan rambat cahaya dalam suatu medium lebih kecil dibandingkan dalam ruang hampa:
dimana c adalah kecepatan rambat cahaya dalam ruang hampa (c=3 · 10 8 m/s); v adalah kecepatan rambat cahaya dalam medium.
beras. 12.4. Ketika cahaya merambat dari medium yang kerapatan optiknya lebih tinggi ke medium yang kerapatan optiknya lebih rendah, sudut biasnya lebih besar dari sudut datangnya (γ>α)
Kecepatan rambat cahaya dalam ruang hampa lebih besar dari pada media apapun, sehingga indeks bias absolut selalu lebih besar dari satu (lihat tabel).
Beras. 12.5. Jika cahaya masuk ke udara dari kaca, maka dengan bertambahnya sudut datang, sudut bias mendekati 90°, dan kecerahan sinar bias berkurang.
Ketika mempertimbangkan transisi cahaya dari udara ke medium, kita berasumsi bahwa indeks bias relatif medium sama dengan indeks bias absolut.
Fenomena pembiasan cahaya digunakan dalam banyak karya perangkat optik. Anda akan mempelajari beberapa di antaranya nanti.
Kami menerapkan fenomena lengkap refleksi batin cahaya
Mari kita perhatikan kasus ketika cahaya berpindah dari medium dengan kerapatan optik lebih tinggi ke medium dengan kerapatan optik lebih rendah (Gbr. 12.5). Kita melihat bahwa dengan bertambahnya sudut datang (α 2 >ι), sudut bias γ mendekati 90°, kecerahan sinar bias berkurang, dan sebaliknya kecerahan sinar pantul meningkat. Jelas bahwa jika kita terus memperbesar sudut datang, sudut bias akan mencapai 90°, sinar bias akan hilang, dan sinar datang akan sepenuhnya (tanpa kehilangan energi) kembali ke medium pertama - cahaya akan menjadi sepenuhnya tercermin.
Fenomena di mana tidak ada pembiasan cahaya (cahaya dipantulkan seluruhnya dari media dengan kerapatan optik lebih rendah) disebut pemantulan cahaya internal total.
Fenomena pemantulan cahaya internal total sudah diketahui oleh mereka yang pernah berenang di bawah air dengan mata terbuka(Gbr. 12.6).
beras. 12.6. Bagi pengamat di bawah air, sebagian permukaan air tampak berkilau seperti cermin
Para pembuat perhiasan telah menggunakan fenomena refleksi internal total selama berabad-abad untuk meningkatkan daya tarik batu permata. Batu alam dipotong - diberi bentuk polihedra: tepi batu berfungsi sebagai "cermin internal", dan batu "bermain" dalam sinar cahaya yang jatuh di atasnya.
Refleksi internal total banyak digunakan dalam teknologi optik (Gbr. 12.7). Namun penerapan utama fenomena ini adalah pada serat optik. Jika seberkas cahaya diarahkan ke ujung tabung “kaca” padat dan tipis, setelah dipantulkan berulang kali, cahaya akan keluar di ujung yang berlawanan, terlepas dari apakah tabung itu melengkung atau lurus. Tabung seperti itu disebut pemandu cahaya (Gbr. 12.8).
Panduan cahaya digunakan dalam pengobatan untuk mempelajari organ dalam (endoskopi); di bidang teknologi, khususnya untuk mengidentifikasi kesalahan di dalam mesin tanpa membongkarnya; untuk penerangan sinar matahari tempat tertutup dll. (Gbr. 12.9).
Namun paling sering, pemandu cahaya digunakan sebagai kabel untuk mengirimkan informasi (Gbr. 12.10). “Kabel kaca” jauh lebih murah dan lebih ringan dibandingkan kabel tembaga, praktis tidak mengubah sifat-sifatnya bila terkena lingkungan, memungkinkan Anda mengirimkan sinyal jarak jauh tanpa amplifikasi. Saat ini, jalur komunikasi serat optik dengan cepat menggantikan jalur tradisional. Saat Anda menonton TV atau menggunakan Internet, ingatlah bahwa sebagian besar jalurnya, sinyal melewati “jalan kaca”.
Belajar memecahkan masalah Masalah. Berkas cahaya merambat dari medium 1 ke medium 2 (Gbr. 12.11, a). Kecepatan rambat cahaya pada medium 1 adalah 2,4 · 10 8 m/s. Tentukan indeks bias mutlak medium 2 dan cepat rambat cahaya dalam medium 2.
Analisis masalah fisik
Dari Gambar. 12.11, dan kita melihat bahwa pada antarmuka antara dua media, cahaya dibiaskan, yang berarti kecepatan rambatnya berubah.
Mari kita membuat gambar penjelasan (Gbr. 12.11, b), di mana:
1) menggambar sinar yang diberikan dalam rumusan masalah;
2) menggambar garis tegak lurus melalui titik datang berkas ke antarmuka antara dua media;
3) mari kita nyatakan sudut datang dengan α dan sudut bias dengan γ.
Indeks bias absolut adalah indeks bias relatif terhadap ruang hampa. Oleh karena itu, untuk menyelesaikan masalah tersebut, kita harus mengingat nilai cepat rambat cahaya dalam ruang hampa dan mencari cepat rambat cahaya dalam medium 2 (v 2).
Untuk mencari v 2, kita tentukan sinus sudut datang dan sinus sudut bias.
Analisis solusi. Sesuai dengan kondisi soal, sudut datang lebih besar dari sudut bias, artinya cepat rambat cahaya pada medium 2 lebih kecil dari cepat rambat cahaya pada medium 1. Oleh karena itu, hasil yang diperoleh adalah nyata.
Mari kita simpulkan
Seberkas cahaya yang jatuh pada antarmuka antara dua media terbagi menjadi dua berkas. Salah satunya - dipantulkan - dipantulkan dari permukaan, mematuhi hukum pemantulan cahaya. Yang kedua - dibiaskan - masuk ke medium kedua, mengubah arahnya.
Hukum pembiasan cahaya:
1. Sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus antarmuka antara dua media yang ditarik melalui titik datang sinar terletak pada bidang yang sama.
2. Untuk dua media tertentu, perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan:
Penyebab terjadinya pembiasan cahaya adalah perubahan kecepatan rambatnya ketika berpindah dari satu medium ke medium lainnya. Indeks bias relatif n 2 i menunjukkan berapa kali kecepatan rambat cahaya dalam medium 1 lebih besar (atau kurang) dari kecepatan rambat cahaya
di lingkungan 2:
Ketika cahaya memasuki suatu medium dari ruang hampa, indeks bias n disebut indeks bias absolut: n = c/v.
Jika pada saat cahaya berpindah dari medium 1 ke medium 2, kecepatan rambat cahaya berkurang (yaitu indeks bias medium 2 lebih besar dari indeks bias medium 1: n 2 > n 1), maka disebut mengatakan bahwa cahaya merambat dari medium yang kerapatan optiknya lebih rendah ke medium yang kerapatan optiknya lebih tinggi kerapatan optiknya (dan sebaliknya).
Pertanyaan kontrol
1. Eksperimen apa yang membuktikan fenomena pembiasan cahaya pada antarmuka antara dua media? 2. Merumuskan hukum pembiasan cahaya. 3. Apa penyebab terjadinya pembiasan cahaya? 4. Apa yang ditunjukkan oleh indeks bias cahaya? 5. Bagaimana hubungan kecepatan cahaya dengan kerapatan optik medium? 6. Menentukan indeks bias absolut.
Latihan No.12
1. Pindahkan nasi. 1 per buku catatan. Dengan asumsi bahwa medium 1 memiliki kerapatan optik yang lebih tinggi daripada medium 2, untuk setiap kasus, buatlah secara skematis berkas datang (atau bias), tunjukkan sudut datang dan sudut bias.
2. Hitung kecepatan rambat cahaya pada berlian; air; udara.
3. Seberkas cahaya jatuh dari udara ke dalam air dengan sudut 60°. Sudut antara sinar pantul dan sinar bias adalah 80°. Hitung sudut bias sinar tersebut.
4. Ketika kita, berdiri di tepi suatu waduk, mencoba menentukan kedalamannya dengan mata, selalu tampak lebih kecil dari yang sebenarnya. Menggunakan Gambar. 2, jelaskan mengapa demikian.
5. Berapa lama waktu yang dibutuhkan cahaya untuk mencapai dasar danau yang kedalamannya 900 m di atas permukaan air?
6. Jelaskan “trik” dengan cincin (koin) yang dijelaskan di awal § 12 (lihat Gambar 12.1).
7. Seberkas cahaya merambat dari medium 1 ke medium 2 (Gbr. 3). Kecepatan rambat cahaya pada medium 1 adalah 2,5 · 10 8 m/s. Mendefinisikan:
1) media mana yang memiliki kerapatan optik tertinggi;
2) indeks bias medium 2 relatif terhadap medium 1;
3) kecepatan rambat cahaya pada medium 2;
4) indeks bias mutlak masing-masing medium.
8. Akibat dari pembiasan cahaya di atmosfer bumi adalah munculnya fatamorgana, serta kita melihat Matahari dan bintang-bintang sedikit lebih tinggi dari posisi sebenarnya. Gunakan sumber informasi tambahan dan pelajari lebih lanjut tentang fenomena alam ini.
tugas eksperimental
1. “Trik koin.” Peragakan percobaan koin (lihat Gambar 12.1) kepada salah satu teman atau keluarga Anda dan jelaskan.
2. "Cermin air". Amati pantulan total cahaya tersebut. Untuk melakukan ini, isi gelas sekitar setengahnya dengan air. Tempatkan suatu benda ke dalam kaca, seperti badan pena plastik, sebaiknya dengan tulisan. Pegang gelas di tangan, letakkan dengan jarak kurang lebih 25-30 cm dari mata (lihat gambar). Selama percobaan, Anda harus memperhatikan badan pena.
Pertama, ketika Anda melihat ke atas, Anda akan melihat seluruh badan pena (baik bagian bawah air maupun bagian atas air). Pindahkan kaca secara perlahan menjauh dari Anda tanpa mengubah ketinggiannya.
Ketika kaca cukup jauh dari mata Anda, permukaan air akan menjadi seperti cermin - Anda akan melihat bayangan cermin dari bagian bawah air dari badan pegangan.
Jelaskan fenomena yang diamati.
PEKERJAAN LABORATORIUM No.4
Subjek. Studi tentang pembiasan cahaya.
Tujuan: menentukan indeks bias kaca terhadap udara.
Peralatan: piring kaca dengan tepi sejajar, pensil, persegi dengan skala milimeter, kompas.
PETUNJUK PENGOPERASIAN
Mempersiapkan percobaan
1. Sebelum melakukan pekerjaan, ingatlah:
1) persyaratan keselamatan saat bekerja dengan benda kaca;
2) hukum pembiasan cahaya;
3) rumus untuk menentukan indeks bias.
2. Siapkan gambar untuk menyelesaikan pekerjaan (lihat Gambar 1). Untuk ini:
1) letakkan piring kaca pada halaman buku catatan dan gunakan pensil runcing untuk membuat garis luar piring;
2) pada segmen yang sesuai dengan posisi tepi bias atas pelat:
Tandai titik O;
Tariklah garis lurus k melalui titik O, tegak lurus terhadap ruas tersebut;
Dengan menggunakan kompas, buatlah sebuah lingkaran dengan jari-jari 2,5 cm yang berpusat di titik O;
3) dengan sudut kira-kira 45°, gambarlah sebuah sinar yang akan menentukan arah datangnya berkas cahaya di titik O; tandai titik potong sinar dan lingkaran dengan huruf A;
4) ulangi langkah-langkah yang dijelaskan dalam langkah 1-3 dua kali lagi (lakukan dua gambar lagi), pertama-tama naikkan dan kemudian turunkan sudut datang berkas cahaya yang ditentukan.
Percobaan
Ikuti instruksi keselamatan dengan ketat (lihat halaman depan buku teks).
1. Tempatkan pelat kaca pada sirkuit pertama.
2. Melihat berkas AO melalui kaca, tempatkan titik M pada tepi bawah pelat sehingga tampak terletak pada lanjutan berkas AO (Gbr. 2).
3. Ulangi langkah yang dijelaskan pada langkah 1 dan 2 untuk dua rangkaian lagi.
Memproses hasil percobaan
Segera masukkan hasil pengukuran dan perhitungan ke dalam tabel.
Untuk setiap percobaan (lihat Gambar 3):
1) menggambar sinar bias OM;
2) carilah titik potong sinar OM dengan lingkaran (titik B);
3) dari titik A dan B, turunkan garis tegak lurus ke garis lurus k, ukur panjang a dan b ruas yang dihasilkan dan jari-jari lingkaran r;
4) tentukan indeks bias kaca relatif terhadap udara:
Analisis percobaan dan hasilnya
Analisis percobaan dan hasilnya. Rumuskan kesimpulan di mana Anda menunjukkan: 1) besaran fisika yang Anda tentukan; 2) hasil apa yang Anda peroleh; 3) apakah nilai nilai yang diperoleh bergantung pada sudut datang cahaya; 4) apa penyebab kemungkinan kesalahan percobaan.
tugas kreatif
Menggunakan Gambar. 4, pikirkan dan tuliskan rencana untuk melakukan percobaan menentukan indeks bias air relatif terhadap udara. Jika memungkinkan, lakukan percobaan.
Tugas dengan tanda bintang
dimana p meas adalah nilai indeks bias kaca relatif terhadap udara yang diperoleh selama percobaan; n adalah nilai tabulasi indeks bias mutlak kaca tempat pelat dibuat (tanyakan pada gurumu).
Ini adalah materi buku teks
Topik kodifier Ujian Negara Terpadu: hukum pembiasan cahaya, pemantulan internal total.
Pada antarmuka antara dua media transparan, bersamaan dengan pantulan cahaya, diamati pembiasan- cahaya, berpindah ke medium lain, mengubah arah rambatnya.
Pembiasan sinar cahaya terjadi ketika itu cenderung jatuh pada antarmuka (meskipun tidak selalu - baca tentang refleksi internal total). Jika sinar jatuh tegak lurus permukaan, maka tidak akan terjadi pembiasan - pada medium kedua sinar akan mempertahankan arahnya dan juga akan tegak lurus permukaan.
Hukum pembiasan (kasus khusus).
Kita akan mulai dengan kasus khusus ketika salah satu media mengudara. Situasi inilah yang terjadi pada sebagian besar masalah. Kami akan membahas yang sesuai kasus spesial hukum pembiasan, dan baru kemudian kami akan memberikan rumusan yang paling umum.
Misalkan seberkas cahaya yang merambat di udara jatuh secara miring ke permukaan kaca, air, atau media transparan lainnya. Ketika melewati medium, berkas dibiaskan, dan jalur selanjutnya ditunjukkan pada Gambar. 1 .
Pada titik tumbukan, sebuah garis tegak lurus ditarik (atau, seperti yang juga mereka katakan, normal) ke permukaan medium. Balok, seperti sebelumnya, disebut sinar datang, dan sudut antara sinar datang dan garis normal adalah sudut datang. Ray adalah sinar bias; Sudut antara sinar bias dan garis normal permukaan disebut sudut bias.
Setiap media transparan dicirikan oleh besaran yang disebut Indeks bias lingkungan ini. Indeks bias berbagai media dapat dilihat pada tabel. Misalnya untuk gelas, dan untuk air. Secara umum, di lingkungan apapun; Indeks bias sama dengan satu hanya dalam ruang hampa. Oleh karena itu, di udara, untuk udara kita dapat mengasumsikan masalah dengan akurasi yang cukup (dalam optik, udara tidak jauh berbeda dengan vakum).
Hukum pembiasan (transisi udara-media) .
1) Sinar datang, sinar bias, dan garis normal permukaan yang ditarik pada titik datang terletak pada bidang yang sama.
2) Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan indeks bias medium:
. (1)
Karena dari hubungan (1) diperoleh bahwa , yaitu sudut bias lebih kecil dari sudut datang. Ingat: merambat dari udara ke medium, sinar setelah dibiaskan mendekati garis normal.
Indeks bias berhubungan langsung dengan kecepatan rambat cahaya dalam medium tertentu. Kecepatan ini selalu lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa: . Dan ternyata itu
. (2)
Mengapa ini terjadi, kita akan memahaminya sambil belajar optik gelombang. Untuk saat ini, mari gabungkan rumusnya. (1) dan (2):
. (3)
Karena indeks bias udara sangat mendekati satu, kita dapat berasumsi bahwa kecepatan cahaya di udara kira-kira sama dengan kecepatan cahaya di ruang hampa. Mempertimbangkan hal ini dan melihat rumusnya. (3) , kami menyimpulkan: perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan cepat rambat cahaya di udara dengan cepat rambat cahaya di medium.
Reversibilitas sinar cahaya.
Sekarang mari kita perhatikan jalur kebalikan dari sinar: pembiasannya ketika berpindah dari medium ke udara. Prinsip berguna berikut akan membantu kita di sini.
Prinsip reversibilitas sinar cahaya. Jalur berkas tidak bergantung pada apakah berkas merambat dalam arah maju atau mundur. Bergerak ke arah yang berlawanan, berkas cahaya akan mengikuti jalur yang persis sama seperti ke arah depan.
Menurut prinsip reversibilitas, ketika berpindah dari medium ke udara, berkas akan mengikuti lintasan yang sama seperti selama transisi dari udara ke medium (Gbr. 2). Perbedaannya hanya pada Gambar. 2 dari gambar. 1 adalah arah sinar berubah menjadi sebaliknya.
Karena gambaran geometrinya tidak berubah, rumus (1) akan tetap sama: perbandingan sinus sudut dengan sinus sudut masih sama dengan indeks bias medium. Benar, kini sudut telah berganti peran: sudut menjadi sudut datang, dan sudut menjadi sudut bias.
Bagaimanapun, tidak peduli bagaimana sinar merambat - dari udara ke medium atau dari medium ke udara - aturan sederhana berikut ini berlaku. Kami mengambil dua sudut - sudut datang dan sudut bias; perbandingan sinus sudut yang lebih besar dengan sinus sudut yang lebih kecil sama dengan indeks bias medium.
Kami sekarang siap sepenuhnya untuk membahas hukum pembiasan dalam kasus yang paling umum.
Hukum pembiasan (kasus umum).
Biarkan cahaya merambat dari medium 1 dengan indeks bias ke medium 2 dengan indeks bias. Media yang indeks biasnya tinggi disebut secara optis lebih padat; oleh karena itu, media dengan indeks bias lebih rendah disebut secara optis kurang padat.
Berpindah dari medium yang secara optis kurang rapat ke medium yang secara optis lebih rapat, berkas cahaya, setelah dibiaskan, mendekati garis normal (Gbr. 3). Dalam hal ini, sudut datang lebih besar dari sudut bias: .
 |
| Beras. 3. |
Sebaliknya, ketika berpindah dari medium yang optiknya lebih rapat ke medium yang optiknya kurang rapat, berkasnya menyimpang lebih jauh dari garis normal (Gbr. 4). Di sini sudut datang lebih kecil dari sudut bias:
 |
| Beras. 4. |
Ternyata kedua kasus ini tercakup dalam satu rumus - hukum adat pembiasan, berlaku untuk dua media transparan apa pun.
Hukum pembiasan.
1) Sinar datang, sinar bias, dan garis normal antarmuka antar media, yang ditarik pada titik datang, terletak pada bidang yang sama.
2) Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan indeks bias medium kedua dengan indeks bias medium pertama:
. (4)
Sangat mudah untuk melihat bahwa hukum pembiasan yang dirumuskan sebelumnya untuk transisi udara-medium adalah kasus khusus dari hukum ini. Faktanya, dengan memasukkan rumus (4) kita sampai pada rumus (1).
Sekarang mari kita ingat bahwa indeks bias adalah perbandingan kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam medium tertentu: . Substitusikan persamaan ini ke dalam persamaan (4), kita peroleh:
. (5)
Rumus (5) secara alami menggeneralisasi rumus (3). Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias sama dengan perbandingan cepat rambat cahaya pada medium pertama dengan cepat rambat cahaya pada medium kedua.
Refleksi internal total.
Ketika sinar cahaya berpindah dari medium yang secara optis lebih rapat ke medium yang secara optis kurang rapat, sebuah fenomena menarik diamati - lengkap refleksi batin. Mari kita cari tahu apa itu.
Untuk lebih pastinya, kita berasumsi bahwa cahaya berasal dari air ke udara. Misalkan di kedalaman reservoir terdapat titik sumber cahaya yang memancarkan sinar ke segala arah. Kita akan melihat beberapa sinar ini (Gbr. 5).
Sinar tersebut mengenai permukaan air dengan sudut terkecil. Sinar ini sebagian dibiaskan (sinar) dan sebagian dipantulkan kembali ke dalam air (sinar). Jadi, sebagian energi sinar datang dipindahkan ke sinar bias, dan sisa energi ditransfer ke sinar pantul.
Sudut datang sinar lebih besar. Sinar ini juga terbagi menjadi dua sinar - dibiaskan dan dipantulkan. Tetapi energi sinar asli didistribusikan di antara keduanya secara berbeda: sinar bias akan lebih redup daripada sinarnya (yaitu, ia akan menerima bagian energi yang lebih kecil), dan sinar pantul akan lebih terang daripada sinarnya (ia akan menerima bagian energi yang lebih besar).
Ketika sudut datang meningkat, pola yang sama diamati: semuanya bagian yang besar Energi sinar datang menuju ke sinar pantul, dan semakin sedikit energi yang masuk ke sinar bias. Sinar yang dibiaskan menjadi semakin redup, dan pada titik tertentu menghilang sama sekali!
Hilangnya ini terjadi ketika sudut datang yang sesuai dengan sudut bias tercapai. Dalam situasi ini, sinar bias harus sejajar dengan permukaan air, tetapi tidak ada lagi yang tersisa - semua energi sinar datang seluruhnya menuju sinar pantul.
Dengan bertambahnya sudut datang, sinar bias bahkan akan hilang.
Fenomena yang digambarkan merupakan refleksi batin yang utuh. Air tidak melepaskan sinar dengan sudut datang sama dengan atau melebihi nilai tertentu - semua sinar tersebut dipantulkan seluruhnya kembali ke dalam air. Sudutnya disebut membatasi sudut pantulan total.
Nilainya mudah dicari dari hukum pembiasan. Kita punya:
Tapi, oleh karena itu
Jadi, untuk air, sudut pantulan totalnya sama dengan:
Anda dapat dengan mudah mengamati fenomena refleksi internal total di rumah. Tuangkan air ke dalam gelas, angkat dan lihat permukaan air tepat di bawahnya melalui dinding gelas. Anda akan melihat kilau keperakan di permukaan - karena pantulan internal total, ia berperilaku seperti cermin.
Yang paling penting aplikasi teknis refleksi internal total adalah serat optik. Sinar cahaya diluncurkan ke dalam kabel serat optik (panduan cahaya) hampir sejajar dengan porosnya, jatuh ke permukaan dengan sudut yang besar dan dipantulkan seluruhnya kembali ke dalam kabel tanpa kehilangan energi. Dipantulkan berulang kali, sinar tersebut merambat semakin jauh, mentransfer energi dalam jarak yang cukup jauh. Komunikasi serat optik digunakan, misalnya, dalam jaringan televisi kabel dan akses Internet berkecepatan tinggi.
Proses yang berhubungan dengan cahaya merupakan komponen penting fisika dan mengelilingi kita di mana pun dalam kehidupan sehari-hari. Yang paling penting dalam situasi ini adalah hukum pemantulan dan pembiasan cahaya, yang menjadi dasar optik modern. Pembiasan cahaya merupakan bagian penting dari ilmu pengetahuan modern.
Efek distorsi
Artikel ini akan memberi tahu Anda apa itu fenomena pembiasan cahaya, serta seperti apa hukum pembiasan dan apa akibatnya.
Dasar-dasar fenomena fisik
Ketika seberkas sinar jatuh pada suatu permukaan yang dipisahkan oleh dua zat transparan yang mempunyai kerapatan optik berbeda (misalnya berbeda gelas atau dalam air), sebagian sinar akan dipantulkan, dan sebagian lagi akan menembus struktur kedua (misalnya, mereka akan menyebar di air atau gelas). Saat berpindah dari satu medium ke medium lainnya, sinar biasanya berubah arah. Inilah fenomena pembiasan cahaya.
Pemantulan dan pembiasan cahaya terutama terlihat di air.
Efek distorsi dalam air
Melihat benda-benda di dalam air, benda-benda itu tampak menyimpang. Hal ini terutama terlihat pada perbatasan antara udara dan air. Secara visual, objek di bawah air tampak sedikit dibelokkan. Fenomena fisik yang digambarkan inilah yang menjadi alasan mengapa semua benda tampak terdistorsi di dalam air. Saat sinar menerpa kaca, efek ini kurang terlihat.
Pembiasan cahaya merupakan fenomena fisika yang ditandai dengan adanya perubahan arah gerak sinar matahari pada saat berpindah dari satu lingkungan (struktur) ke lingkungan lainnya.
Untuk meningkatkan pemahaman kita tentang proses ini, perhatikan contoh sinar yang mengenai air dari udara (demikian pula dengan kaca). Dengan menggambar garis tegak lurus sepanjang antarmuka, sudut bias dan kembalinya berkas cahaya dapat diukur. Indeks (sudut bias) ini akan berubah seiring dengan penetrasi aliran air (di dalam kaca).
Catatan! Parameter ini dipahami sebagai sudut yang dibentuk oleh garis tegak lurus terhadap pemisahan dua zat ketika suatu berkas menembus dari struktur pertama ke struktur kedua.
Bagian Balok
Indikator yang sama juga berlaku untuk lingkungan lain. Telah ditetapkan bahwa indikator ini bergantung pada kepadatan zat. Jika balok jatuh dari struktur yang kurang rapat ke struktur yang lebih rapat, maka sudut distorsi yang tercipta akan semakin besar. Dan jika sebaliknya, maka berkurang.
Pada saat yang sama, perubahan kemiringan penurunan juga akan mempengaruhi indikator ini. Namun hubungan di antara mereka tidak tetap konstan. Pada saat yang sama, perbandingan sinusnya akan tetap bernilai konstan, yang tercermin dari rumus berikut: sinα / sinγ = n, dimana:
- n adalah nilai konstanta yang dijelaskan untuk setiap zat tertentu (udara, gelas, air, dll). Oleh karena itu, nilai ini nantinya dapat ditentukan dengan menggunakan tabel khusus;
- α – sudut datang;
- γ – sudut bias.
Untuk menentukan ini fenomena fisik dan hukum pembiasan pun tercipta.
hukum fisika
Hukum pembiasan fluks cahaya memungkinkan kita menentukan karakteristik zat transparan. Undang-undang itu sendiri terdiri dari dua ketentuan:
- Bagian pertama. Balok (insiden, dimodifikasi) dan garis tegak lurus yang dipulihkan pada titik datang pada batas, misalnya udara dan air (kaca, dll.), akan ditempatkan pada bidang yang sama;
- Bagian kedua. Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut yang sama yang terbentuk pada perpotongan batas akan bernilai konstan.
Deskripsi hukum
Apalagi pada saat balok keluar dari struktur kedua ke struktur pertama (misalnya saat melintas fluks bercahaya dari udara, menembus kaca dan kembali ke udara), efek distorsi juga akan terjadi.
Parameter penting untuk objek yang berbeda
Indikator utama dalam situasi ini adalah rasio sinus sudut datang dengan parameter serupa, tetapi untuk distorsi. Sebagai berikut dari hukum yang dijelaskan di atas, indikator ini merupakan nilai konstan.
Selain itu, ketika nilai kemiringan penurunan berubah, situasi yang sama akan terjadi pada indikator serupa. Parameter ini memiliki sangat penting, karena merupakan karakteristik integral dari zat transparan.
Indikator untuk objek yang berbeda
Berkat parameter ini, Anda dapat dengan efektif membedakan jenis kaca, serta berbagai jenisnya permata. Penting juga untuk menentukan kecepatan cahaya di berbagai lingkungan.
Catatan! Kecepatan aliran cahaya tertinggi terjadi di ruang hampa.
Ketika berpindah dari satu zat ke zat lain, kecepatannya akan berkurang. Misalnya, pada berlian yang memiliki indeks bias tertinggi, kecepatan rambat foton akan 2,42 kali lebih tinggi dibandingkan kecepatan rambat udara. Di dalam air, mereka akan menyebar 1,33 kali lebih lambat. Untuk jenis yang berbeda kaca parameter ini berkisar antara 1,4 hingga 2,2.
Catatan! Beberapa kacamata memiliki indeks bias 2,2, yang sangat dekat dengan berlian (2,4). Oleh karena itu, tidak selalu mungkin untuk membedakan pecahan kaca dari berlian asli.
Kepadatan optik suatu zat
Cahaya bisa menembus zat yang berbeda, yang dicirikan oleh kepadatan optik yang berbeda. Seperti yang kami katakan sebelumnya, dengan menggunakan hukum ini Anda dapat menentukan karakteristik kepadatan medium (struktur). Semakin padat, semakin lambat kecepatan rambat cahaya melaluinya. Misalnya, kaca atau air akan lebih padat secara optis dibandingkan udara.
Selain karena parameter ini bernilai konstan, parameter ini juga mencerminkan rasio kecepatan cahaya pada dua zat. Arti fisik dapat ditampilkan sebagai rumus berikut:
Indikator ini menunjukkan bagaimana kecepatan rambat foton berubah ketika berpindah dari satu zat ke zat lain.
Indikator penting lainnya
Ketika fluks cahaya bergerak melalui benda transparan, polarisasinya mungkin terjadi. Hal ini diamati ketika fluks cahaya lewat dari media isotropik dielektrik. Polarisasi terjadi ketika foton melewati kaca.
Efek polarisasi
Polarisasi parsial diamati ketika sudut datang fluks cahaya pada batas dua dielektrik berbeda dari nol. Derajat polarisasi bergantung pada sudut datangnya (hukum Brewster).
Refleksi batin penuh
Kesimpulan kami tamasya kecil, masih perlu mempertimbangkan efek seperti refleksi internal penuh.
Fenomena tampilan penuh
Agar efek ini muncul, perlu untuk meningkatkan sudut datang fluks cahaya pada saat peralihannya dari media yang lebih padat ke media yang kurang padat pada antarmuka antar zat. Dalam situasi di mana parameter ini melebihi nilai batas tertentu, maka foton yang datang pada batas bagian ini akan dipantulkan sepenuhnya. Sebenarnya ini akan menjadi fenomena yang kita inginkan. Tanpanya, mustahil membuat serat optik.
Kesimpulan
Penerapan praktis dari perilaku fluks cahaya telah memberikan banyak hal, menciptakan berbagai perangkat teknis untuk meningkatkan kehidupan kita. Pada saat yang sama, cahaya belum mengungkapkan seluruh kemungkinannya kepada umat manusia dan potensi praktisnya belum sepenuhnya terwujud.
Bagaimana melakukan lampu kertas dengan tanganmu sendiri
Cara memeriksa kinerja strip LED
Fenomena pembiasan gelombang cahaya dipahami sebagai perubahan arah rambat muka gelombang ketika berpindah dari satu medium transparan ke medium transparan lainnya. Banyak instrumen optik dan mata manusia menggunakan fenomena ini untuk menjalankan fungsinya. Artikel ini membahas tentang hukum pembiasan cahaya dan penggunaannya pada instrumen optik.
Proses pemantulan dan pembiasan cahaya
Ketika mempertimbangkan masalah hukum pembiasan cahaya, fenomena pemantulan juga harus disebutkan, karena berkaitan erat dengan fenomena ini. Ketika cahaya berpindah dari satu media transparan ke media transparan lainnya, maka pada antarmuka antara media ini dua proses terjadi secara bersamaan:
- Sebagian berkas cahaya dipantulkan kembali ke medium pertama secara miring sama dengan sudutnya timbulnya sinar awal pada antarmuka.
- Bagian kedua berkas memasuki medium kedua dan terus merambat di dalamnya.
Hal di atas menunjukkan bahwa intensitas berkas cahaya awal akan selalu lebih besar dibandingkan dengan intensitas cahaya yang dipantulkan dan dibiaskan secara terpisah. Bagaimana intensitas ini didistribusikan di antara berkas-berkas bergantung pada sifat-sifat media dan sudut datang cahaya pada antarmukanya.
Apa inti dari proses pembiasan cahaya?
Sebagian berkas cahaya yang jatuh pada permukaan antara dua media transparan terus merambat pada medium kedua, namun arah rambatnya sudah berbeda dengan arah semula pada medium pertama dengan sudut tertentu. Inilah fenomena pembiasan cahaya. Penyebab fisik dari fenomena ini adalah perbedaan kecepatan rambat gelombang cahaya pada media yang berbeda.
Ingatlah bahwa cahaya memiliki kecepatan rambat maksimum dalam ruang hampa, yaitu sebesar 299.792.458 m/s. Dalam material apa pun, kecepatan ini selalu lebih rendah, dan semakin besar kepadatan medium, semakin lambat gelombang elektromagnetik merambat di dalamnya. Misalnya, di udara kecepatan cahaya adalah 299.705.543 m/s, di air pada suhu 20 °C sudah menjadi 224.844.349 m/s, dan di berlian kecepatannya turun lebih dari 2 kali lipat dibandingkan kecepatan di ruang hampa, yaitu 124.034.943 m /Dengan.
Prinsip ini memberikan metode geometris untuk mencari muka gelombang pada waktu tertentu. Prinsip Huygens mengasumsikan bahwa setiap titik yang dicapai oleh muka gelombang merupakan sumber gelombang sekunder elektromagnetik. Mereka bergerak ke segala arah dengan kecepatan dan frekuensi yang sama. Muka gelombang yang dihasilkan didefinisikan sebagai totalitas muka gelombang sekunder. Dengan kata lain, bagian depan adalah permukaan yang menyentuh bidang semua gelombang sekunder.
Demonstrasi penggunaan prinsip geometri ini untuk menentukan muka gelombang ditunjukkan pada gambar di bawah. Seperti dapat dilihat dari diagram ini, semua jari-jari bidang gelombang sekunder (ditunjukkan oleh panah) adalah sama, karena muka gelombang merambat dalam medium yang homogen dari sudut pandang optik.
Penerapan prinsip Huygens pada proses pembiasan cahaya
Untuk memahami hukum pembiasan cahaya dalam fisika, Anda dapat menggunakan prinsip Huygens. Mari kita perhatikan fluks cahaya tertentu yang jatuh pada antarmuka antara dua media, dan kecepatan gerakannya gelombang elektromagnetik di lingkungan pertama ada lebih dari itu di lingkungan kedua.
Segera setelah bagian depan (di sebelah kiri pada gambar di bawah) mencapai antarmuka media, gelombang bola sekunder mulai tereksitasi di setiap titik antarmuka, yang akan merambat di media kedua. Karena kecepatan cahaya pada medium kedua kurang dari nilai medium pertama, bagian depan yang belum mencapai antarmuka antar media (di sebelah kanan gambar) akan terus merambat dengan kecepatan lebih tinggi. daripada bagian depan (kiri) yang sudah masuk medium kedua. Menggambar lingkaran gelombang sekunder untuk setiap titik dengan radius yang sesuai sama dengan v*t, di mana t adalah beberapa waktu tertentu rambat gelombang sekunder, dan v adalah kecepatan rambatnya pada medium kedua, kemudian dengan menggambar kurva singgung pada semua permukaan gelombang sekunder, kita dapat memperoleh muka rambat cahaya pada medium kedua.
Terlihat dari gambar, bagian depan ini akan menyimpang dengan sudut tertentu dari arah rambat semula.
Perhatikan bahwa jika kecepatan gelombang sama di kedua media, atau jika cahaya jatuh tegak lurus terhadap antarmuka, maka proses pembiasan tidak dapat dibicarakan.
Hukum pembiasan cahaya
Hukum-hukum ini diperoleh secara eksperimental. Misalkan 1 dan 2 adalah dua media transparan, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik masing-masing sama dengan v 1 dan v 2. Misalkan seberkas cahaya jatuh dari medium 1 ke antarmuka dengan sudut θ 1 terhadap normal, dan pada medium kedua ia terus merambat dengan sudut θ 2 terhadap normal antarmuka. Maka rumusan hukum pembiasan cahaya adalah sebagai berikut:
- Pada bidang yang sama akan terdapat dua sinar (datang dan dibiaskan) dan garis normal dikembalikan ke antarmuka antara media 1 dan 2.
- Perbandingan kecepatan rambat berkas pada media 1 dan 2 berbanding lurus dengan perbandingan sinus sudut datang dan bias, yaitu sin(θ 1)/sin(θ 2) = v 1 /v 2.
Hukum kedua disebut hukum Snell. Jika kita memperhitungkan bahwa indeks atau indeks bias suatu medium transparan didefinisikan sebagai perbandingan kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan dalam medium tersebut, maka rumus hukum pembiasan cahaya dapat ditulis ulang sebagai: sin (θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1, dimana n 1 dan n 2 masing-masing adalah indeks bias media 1 dan 2.
Dengan demikian, rumus matematika Hukum tersebut menunjukkan bahwa hasil kali sinus sudut dan indeks bias suatu medium tertentu adalah nilai konstan. Selain itu, dengan mempertimbangkan sifat trigonometri sinus, kita dapat mengatakan bahwa jika v 1 >v 2, maka cahaya akan mendekati normal ketika melewati antarmuka, dan sebaliknya.
Sejarah Singkat Ditemukannya Hukum
Siapa yang menemukan hukum pembiasan cahaya? Faktanya, ini pertama kali dirumuskan oleh astrolog dan filsuf abad pertengahan Ibnu Sahl pada abad ke-10. Penemuan hukum yang kedua terjadi pada abad ke-17, dan hal ini dilakukan oleh astronom dan matematikawan Belanda Snell van Rooyen, sehingga di seluruh dunia hukum pembiasan kedua menyandang namanya.
Menarik untuk dicatat bahwa beberapa saat kemudian undang-undang ini juga ditemukan oleh orang Prancis Rene Descartes, itulah sebabnya di negara-negara berbahasa Prancis undang-undang ini menggunakan namanya.
Contoh tugas
Semua soal hukum pembiasan cahaya didasarkan pada rumusan matematis hukum Snell. Mari kita beri contoh masalah seperti itu: perlu untuk menemukan sudut rambat bagian depan cahaya selama transisi dari berlian ke air, asalkan bagian depan ini mengenai antarmuka pada sudut 30 o terhadap normal.
Untuk mengatasi masalah ini, perlu diketahui indeks bias media yang bersangkutan atau kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di dalamnya. Mengacu pada data referensi, kita dapat menulis: n 1 = 2,417 dan n 2 = 1,333, dimana angka 1 dan 2 masing-masing menunjukkan intan dan air.
Substitusikan nilai-nilai yang diperoleh ke dalam rumus, kita peroleh: sin(30 o)/sin(θ 2) = 1,333/2,417 atau sin(θ 2) = 0,39 dan θ 2 = 65,04 o, yaitu balok akan bergerak jauh dari normalnya.
Menarik untuk diperhatikan bahwa jika sudut datang lebih besar dari 33,5 o, maka sesuai dengan rumus hukum pembiasan cahaya, tidak akan ada sinar bias, dan seluruh bagian depan cahaya akan dipantulkan kembali ke dalam berlian. sedang. Efek ini dalam fisika dikenal sebagai refleksi internal total.
Di mana hukum pembiasan berlaku?
Penerapan praktis hukum pembiasan cahaya bervariasi. Dapat dikatakan tanpa berlebihan bahwa sebagian besar instrumen optik beroperasi berdasarkan hukum ini. Pembiasan cahaya pada lensa optik digunakan pada instrumen seperti mikroskop, teleskop, dan teropong. Tanpa adanya efek pembiasan maka mustahil seseorang dapat melihat Dunia, karena badan vitreous dan lensa mata merupakan lensa biologis yang berfungsi memfokuskan fluks cahaya ke suatu titik di retina mata yang sensitif. Selain itu, hukum pemantulan internal total diterapkan pada serat cahaya.