Ο συνολικός εσωτερικός προβληματισμός και οι εφαρμογές του
Η εσωτερική ανάκλαση εμφανίζεται συχνά όταν μια δέσμη φωτός ή ακτίνα ταξιδεύει από ένα πυκνότερο μέσο σε ένα πιο σπάνιο ή λιγότερο οπτικά πυκνότερο μέσο.
Σε ένα τέτοιο φαινόμενο συμβαίνουν δύο πράγματα. Ένα μέρος του προσπίπτοντος φωτός ανακλάται στο ίδιο μέσο. Αντίθετα, ένα άλλο τμήμα διαθλάται σε διαφορετικό μέσο.
Όταν η γωνία πρόσπτωσης που δημιουργεί η προσπίπτουσα ακτίνα είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, το φαινόμενο είναι γνωστό ως ολική εσωτερική ανάκλαση.
Εξήγηση συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης με Παράδειγμα
Όταν μια ακτίνα φωτός ταξιδεύει από ένα μέσο με μεγαλύτερη οπτική πυκνότητα σε ένα λιγότερο οπτικά πυκνότερο μέσο, η δέσμη κάμπτεται μακριά από το κανονικό. Αυτή η συμπεριφορά, με τη σειρά της, κάνει τη γωνία διάθλασης μεγαλύτερη από τη γωνία πρόσπτωσης.
Ας πάρουμε ένα παράδειγμα για να συζητήσουμε τον συνολικό εσωτερικό προβληματισμό λεπτομερώς. Θεωρήστε το νερό και τον αέρα ως τα δύο μέσα στα οποία λαμβάνει χώρα η διάθλαση του φωτός. Έστω το νερό μεσαίο 1 και ο αέρας μεσαίο 2. Θα δούμε τώρα πώς να υπολογίσουμε την κρίσιμη γωνία.
Ο τύπος της κρίσιμης γωνίας
Μπορούμε να βρούμε την τιμή της κρίσιμης γωνίας χρησιμοποιώντας το νόμο του Snell:
n1n2=sin(r)sin(i)
Πού,
r είναι η γωνία διάθλασης, η οποία είναι 90°
i είναι η γωνία πρόσπτωσης
n1 είναι ο δείκτης διάθλασης του πρώτου μέσου (νερό)
n2 είναι ο δείκτης διάθλασης του δεύτερου μέσου (αέρας)
Εδώ είναι ο τύπος της κρίσιμης γωνίας σε ημιτονοειδή μορφή:
sin() =n2n1
Μπορούμε να ορίσουμε τη μορφή τύπου της κρίσιμης γωνίας ως:
Το ημίτονο της κρίσιμης γωνίας είναι ίσο με την αναλογία του δείκτη διάθλασης του δεύτερου μέσου προς τον δείκτη διάθλασης του πρώτου μέσου.
Απαραίτητες προϋποθέσεις για συνολική εσωτερική αντανάκλαση
Για να συμβεί συνολική εσωτερική ανάκλαση, το φως πρέπει να πληροί τις δύο προϋποθέσεις που αναφέρονται παρακάτω:
- Η προσπίπτουσα δέσμη φωτός θα πρέπει να ταξιδεύει από ένα πιο πυκνό μέσο σε ένα πιο σπάνιο μέσο.
- Η κρίσιμη γωνία πρέπει πάντα να είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης (που δημιουργείται από την προσπίπτουσα ακτίνα).
Ο συνολικός εσωτερικός προβληματισμός και οι εφαρμογές του
Μερικές κρίσιμες εφαρμογές συνολικού εσωτερικού προβληματισμού είναι:
-
Διαμάντι
Τα διαμάντια είναι διάσημα λόγω της φανταστικής λάμψης και της λαμπερής εμφάνισής τους.
Η λάμψη ενός διαμαντιού οφείλεται στο φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης. Η δέσμη των φώτων που εισέρχεται στο διαμάντι υφίσταται πολλαπλές εσωτερικές αντανακλάσεις και λάμπει. Η κοπή του διαμαντιού παίζει ρόλο στην ενίσχυση αυτής της λάμψης.
-
Mirage
Ο αντικατοπτρισμός είναι μια έννοια οπτικής ψευδαίσθησης που βασίζεται στην ολική εσωτερική αντανάκλαση . Μπορείτε να παρατηρήσετε αυτό το οπτικό φαινόμενο τις ζεστές μέρες του καλοκαιριού. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, ο αέρας κοντά στο έδαφος γίνεται θερμότερος από αυτόν σε μεγάλα υψόμετρα.
Ενώ ο ζεστός αέρας έχει μικρό δείκτη διάθλασης και είναι λιγότερο πυκνός, ο ψυχρός αέρας έχει μεγάλο δείκτη διάθλασης και είναι πιο πυκνός. Έτσι, με την αύξηση του ύψους αυξάνεται και η οπτική πυκνότητα.
Όταν μια δέσμη φωτός διέρχεται από ένα πιο πυκνό αντικείμενο, το φως κάμπτεται μακριά από το κανονικό και υφίσταται ολική εσωτερική ανάκλαση.
Ως εκ τούτου, όταν περπατάτε ή οδηγείτε τις ζεστές ηλιόλουστες μέρες, μερικές φορές θα διαπιστώσετε ότι το φως που έρχεται στα μάτια σας προέρχεται από το έδαφος. Έχει ως αποτέλεσμα την ανεστραμμένη εικόνα ψηλών αντικειμένων στο νερό και το φαινόμενο είναι γνωστό ως αντικατοπτρισμός.
-
Οπτική ίνα
Μια άλλη σημαντική εφαρμογή του ολικού εσωτερικού προβληματισμού είναι η έννοια της οπτικής ίνας. Σε αυτό, όταν μια δέσμη φωτός χτυπά την επένδυση, ολική εσωτερική ανάκλαση λαμβάνει χώρα. Εδώ, η σχηματιζόμενη γωνία είναι πάντα μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία.
Ο δείκτης διάθλασης του υλικού επένδυσης είναι χαμηλότερος από τον δείκτη διάθλασης του υλικού του πυρήνα. Όταν η δέσμη φωτός μετακινείται από το ένα άκρο της οπτικής ίνας στο άλλο υπό μια ορισμένη γωνία, υφίσταταισυνολικές εσωτερικές αντανακλάσεις . Αυτή η αντανάκλαση συμβαίνει σε ολόκληρη την ίνα και μετά το φως βγαίνει από την άλλη άκρη.
Χρήσεις οπτικών ινών
Αυτές οι ίνες μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν ηλεκτρικά σήματα. Μπορούμε να μετατρέψουμε αυτά τα ηλεκτρικά σήματα σε φως με τη βοήθεια ενός μορφοτροπέα.
Ένα άλλο όργανο που χρησιμοποιεί οπτικές ίνες είναι οι σωλήνες φωτός. Αυτά τα όργανα βοηθούν τους γιατρούς και άλλους επαγγελματίες υγείας να εξετάσουν τα εσωτερικά όργανα του ανθρώπινου σώματος.
Συμπέρασμα
Όταν μια δέσμη φωτός ταξιδεύει από ένα μέσο σε ένα άλλο μέσο που έχει διαφορετικό δείκτη διάθλασης, τότε η δέσμη φωτός εκτρέπεται από τη διαδρομή της, αυτό ονομάζεται διάθλαση του φωτός. Αυτή η διάθλαση συμβαίνει στο σημείο ένωσης των δύο μέσων.
Κατά τη διάθλαση, η ακτίνα φωτός κάμπτεται μακριά από την κανονική, αυξάνοντας τη γωνία διάθλασης. Σε μια ορισμένη γωνία πρόσπτωσης, η προσπίπτουσα φωτεινή ακτίνα διέρχεται ευθεία κατά μήκος της διαφανούς επιφάνειας. Αυτή η συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης ονομάζεται κρίσιμη γωνία που συμβολίζεται με C και είναι πάντα 90°.
Υπάρχουν επίσης κάποια γεγονότα όπου η κρίσιμη γωνία είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης. Το φως βιώνει μια ολική ανάκλαση στο ίδιο μέσο σε μια τέτοια περίπτωση. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως ολική εσωτερική ανάκλαση.
