В физике рефракция — это перенаправление волны при ее переходе из одной среды в другую. Перенаправление может быть вызвано изменением скорости волны или изменением среды. [1] Преломление света является наиболее часто наблюдаемым явлением, но другие волны, такие как звуковые волны и волны на воде, также испытывают преломление. Насколько волна преломляется, определяется изменением скорости волны и начальным направлением распространения волны относительно направления изменения скорости.
Для света преломление подчиняется закону Снелла , который гласит, что для данной пары сред отношение синусов угла падения и угла преломления равно отношению фазовых скоростей в двух средах или, что то же самое, показатели преломления двух сред: [2]
Оптические призмы и линзы используют преломление для перенаправления света, как и человеческий глаз . Показатель преломления материалов меняется в зависимости от длины волны света [3] , поэтому угол преломления также изменяется соответствующим образом. Это называется дисперсией и заставляет призмы и радуги разделять белый свет на составляющие его спектральные цвета . [4]
Правильное объяснение рефракции состоит из двух отдельных частей, обе из которых являются результатом волновой природы света.
Как описано выше, скорость света меньше в среде, отличной от вакуума. Это замедление применимо к любой среде, например к воздуху, воде или стеклу, и ответственно за такое явление, как рефракция. Когда свет покидает среду и возвращается в вакуум, игнорируя любые эффекты гравитации , его скорость возвращается к обычной скорости света в вакууме c .
Обычные объяснения этого замедления, основанные на идее рассеяния света атомами, его поглощения и переизлучения атомами, неверны. Подобные объяснения вызовут эффект «размытия» получаемого света, поскольку он больше не будет распространяться только в одном направлении. Но этот эффект не наблюдается в природе.
Правильное объяснение основано на природе света как электромагнитной волны . [5] Поскольку свет представляет собой колеблющуюся электрическую/магнитную волну, свет, распространяющийся в среде, заставляет электрически заряженные электроны материала также колебаться. ( Протоны материала также колеблются, но, поскольку они примерно в 2000 раз массивнее, их движение и, следовательно, их эффект гораздо меньше). Движущийся электрический заряд излучает собственные электромагнитные волны. Электромагнитные волны, излучаемые колеблющимися электронами, взаимодействуют с электромагнитными волнами, составляющими исходный свет, подобно волнам воды в пруду. Этот процесс известен как конструктивная интерференция . Когда две волны интерферируют таким образом, результирующая «комбинированная» волна может иметь волновые пакеты, которые проходят наблюдателя с меньшей скоростью. Свет эффективно замедлился. Когда свет покидает материал, этого взаимодействия с электронами больше не происходит, и, следовательно, скорость волнового пакета (а значит, и его скорость) возвращается к норме.
Рассмотрим волну, идущую от одного материала к другому, где ее скорость меньше, как показано на рисунке. Если она достигает границы раздела материалов под углом, одна сторона волны первой достигнет второго материала и, следовательно, замедлится раньше. Когда одна сторона волны движется медленнее, вся волна будет поворачиваться в эту сторону. Вот почему волна будет отклоняться от поверхности или к нормали при входе в более медленный материал. В противоположном случае, когда волна достигает материала, скорость которого выше, одна сторона волны ускоряется, и волна отклоняется от этой стороны.
Другой способ понять то же самое — рассмотреть изменение длины волны на границе раздела. Когда волна переходит из одного материала в другой, где волна имеет другую скорость v , частота f волны останется прежней, но изменится расстояние между волновыми фронтами или длина волны λ = v / f . Если скорость уменьшиться, как показано на рисунке справа, длина волны также уменьшится. При наличии угла между волновыми фронтами и границей раздела и изменении расстояния между волновыми фронтами угол должен меняться на границе раздела, чтобы волновые фронты оставались нетронутыми. Из этих соображений можно вывести взаимосвязь между углом падения θ 1 , углом прохождения θ 2 и скоростями волн v 1 и v 2 в двух материалах. Это закон преломления или закон Снеллиуса, который можно записать как [6]
Явление рефракции можно более фундаментальным образом вывести из двух- или трехмерного волнового уравнения . Тогда граничные условия на границе раздела потребуют, чтобы тангенциальная составляющая волнового вектора была идентична на обеих сторонах границы раздела. [7] Поскольку величина волнового вектора зависит от скорости волны, это требует изменения направления волнового вектора.
Соответствующая скорость волны в обсуждении выше — это фазовая скорость волны. Обычно она близка к групповой скорости , которую можно рассматривать как более истинную скорость волны, но когда они различаются, важно использовать фазовую скорость во всех расчетах, связанных с рефракцией.
Волна, движущаяся перпендикулярно границе, т. е. имеющая волновые фронты, параллельные границе, не изменит направление, даже если изменится скорость волны.
Преломление также отвечает за радугу и за расщепление белого света на радужный спектр, когда он проходит через стеклянную призму . Стекло имеет более высокий показатель преломления, чем воздух. Когда луч белого света проходит из воздуха в материал, показатель преломления которого меняется в зависимости от частоты, возникает явление, известное как дисперсия , при котором разные цветные компоненты белого света преломляются под разными углами, т. е. они изгибаются под разными углами. суммы на интерфейсе, так что они разделяются. Разные цвета соответствуют разным частотам.
Для света чаще используется показатель преломления n материала, чем фазовая скорость волны v в материале. Они напрямую связаны через скорость света в вакууме c как
Поэтому в оптике закон преломления обычно записывается как
Преломление происходит, когда свет проходит через поверхность воды, поскольку вода имеет показатель преломления 1,33, а воздух имеет показатель преломления около 1. Глядя на прямой объект, например на карандаш на рисунке, который расположен под наклоном, частично в воде объект кажется изгибающимся у поверхности воды. Это происходит из-за искривления световых лучей при движении из воды в воздух. Как только лучи достигают глаза, глаз прослеживает их обратно в виде прямых линий (линий зрения). Лучи зрения (показаны пунктирными линиями) пересекаются в более высоком положении, чем то место, где фактически исходили лучи. Из-за этого карандаш кажется выше, а вода — меньше, чем есть на самом деле.
Глубина, на которой кажется вода, если смотреть сверху, называется кажущейся глубиной . Это важный момент при подводной охоте с поверхности, поскольку при этом целевая рыба будет казаться находящейся в другом месте, и рыболову придется целиться ниже, чтобы поймать рыбу. И наоборот, объект над водой имеет большую видимую высоту , если смотреть из-под воды. Противоположную коррекцию должна внести рыба-стрелец . [8]
Для малых углов падения (измеренных от нормали, когда sin θ примерно такой же, как tan θ), отношение видимой глубины к реальной глубине представляет собой отношение показателей преломления воздуха к показателю преломления воды. Но по мере приближения угла падения к 90 ° видимая глубина приближается к нулю, хотя отражение увеличивается, что ограничивает наблюдение при больших углах падения. И наоборот, видимая высота приближается к бесконечности по мере увеличения угла падения (снизу), но даже раньше, по мере приближения к углу полного внутреннего отражения , хотя по мере приближения к этому пределу изображение также исчезает из поля зрения.
Показатель преломления воздуха зависит от плотности воздуха и, следовательно, изменяется в зависимости от температуры и давления воздуха . Поскольку на больших высотах давление ниже, показатель преломления также ниже, из-за чего лучи света преломляются к земной поверхности при прохождении больших расстояний через атмосферу. Это немного смещает видимое положение звезд, когда они находятся близко к горизонту, и делает солнце видимым до того, как оно геометрически поднимется над горизонтом во время восхода солнца.
Перепады температуры воздуха также могут вызывать преломление света. Это можно рассматривать как тепловую дымку , когда горячий и холодный воздух смешиваются, например, над огнем, в выхлопных газах двигателя или при открытии окна в холодный день. Из-за этого объекты, наблюдаемые сквозь смешанный воздух, кажутся мерцающими или хаотично перемещающимися при движении горячего и холодного воздуха. Этот эффект также виден при обычных изменениях температуры воздуха в солнечный день при использовании телеобъективов с большим увеличением и в этих случаях часто ограничивает качество изображения. [9] Аналогичным образом, атмосферная турбулентность приводит к быстро меняющимся искажениям изображений астрономических телескопов , ограничивая разрешение наземных телескопов, не использующих адаптивную оптику или другие методы для преодоления этих атмосферных искажений .
Колебания температуры воздуха вблизи поверхности могут вызывать другие оптические явления, такие как миражи и Фата Моргана . Чаще всего воздух, нагретый горячей дорогой в солнечный день, отклоняет свет, приближающийся под небольшим углом к зрителю. Это заставляет дорогу отражаться, создавая иллюзию воды, покрывающей дорогу.
В медицине , особенно в оптометрии , офтальмологии и ортоптике , рефракция (также известная как рефрактометрия ) — это клинический тест, в ходе которого соответствующий офтальмолог может использовать фороптер для определения ошибки рефракции глаза и назначения лучших корректирующих линз . Представлена серия тестовых линз с градуированной оптической силой или фокусным расстоянием , чтобы определить, какая из них обеспечивает наиболее четкое и четкое зрение. [10] Рефракционная хирургия — это медицинская процедура для лечения распространенных нарушений зрения.
.jpg/1280px-Beach_and_waves_(2784111859).jpg)
На мелководье волны движутся медленнее. Это можно использовать для демонстрации рефракции в волнистых резервуарах , а также объясняет, почему волны на береговой линии имеют тенденцию падать на берег под перпендикулярным углом. Когда волны перемещаются из глубокой воды в более мелкую воду у берега, они преломляются от первоначального направления движения до угла, более нормального к береговой линии. [11]
В подводной акустике рефракция — это изгиб или искривление звукового луча, возникающее при прохождении луча через градиент скорости звука из области с одной скоростью звука в область с другой скоростью. Величина изгиба луча зависит от величины разницы между скоростями звука, то есть изменения температуры, солености и давления воды. [12] Подобные акустические эффекты наблюдаются и в атмосфере Земли . Явление преломления звука в атмосфере известно уже много столетий. [13] Начиная с начала 1970-х годов, широкомасштабный анализ этого эффекта вошел в моду благодаря проектированию городских автомагистралей и шумовых барьеров для устранения метеорологических последствий отклонения звуковых лучей в нижних слоях атмосферы. [14]
Это результат граничных условий, которым должны соответствовать приходящая и прошедшая волны на границе двух сред. По сути, тангенциальные компоненты волновых векторов должны быть идентичными, поскольку в противном случае разность фаз между волнами на границе будет зависеть от положения, и волновые фронты не смогут быть непрерывными. Поскольку величина волнового вектора зависит от показателя преломления среды, указанное условие, вообще говоря, может выполняться только при различных направлениях распространения.
