Прекршување (физика)

Наслов

линскиот зрак насочен кон плексигласот делумно се прекршува (долниот зрак), а делумно се рефлектира од граничната површина (горниот зрак).]]

Прекршување на светлината во чаша вода (сликата е свртена за 180^о).

Прекршување или рефракција е промена на насоката на ширење на бран при неговото преминување од една во друга преносна материјална средина. Ваквиот феномен се објаснува со помош на законите за запазување на енергијата и импулсот. Поради менување на материјалната средина низ која се шири бранот, неговата фазна брзина се менуваа соодветно на средината, но фреквенцијата останува иста. Појавата може да се воочи кога бранот зафаќа агол различен од 0° со нормалата на граничната линија меѓу двете различни средини. Најчесто забележана појава е прекршувањето на светлината. Но, сите видови бранови подлежат на прекршување при премин од една во друга средина - звучните бранови, брановите во водата при премин во област со поголема длабочина итн. Прекршувањето е опишано со Снеловиот закон за прекршување: При прекршување на брановите упадниот зрак, нормалата и зракот на прекршениот бран лежат во иста рамнина. Односот на синусот на упадниот агол θ₁ и синусот аголот на прекршување θ₂ е еднаков на односот на брзините на ширењето на бранот во средината во која бранот упаѓа и брзината на средината во која се прекршува (v₁ / v₂). Овој однос е наречен релативен индекс на прекршување на средината 2 во однос на средината 1 (n₂₁ = n₂ / n₁):

${\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}.$

Упадниот бран, всушност, делумно се прекршува, а делумно се одбива (тоа го објаснуваат Френеловите равенки).

Објаснение

Прекршување на светлината на преодот меѓу две средини (n₂ > n₁). Затоа што v₂ < v₁, аголот на прекршување θ₂ е помал од упадниот агол θ₁ (упадниот зрак е поблиску до нормалата).

Прекршување во оптиката настанува кога светлинскиот бран паѓа под кос агол на граничната површина со средина која има поинаков индекс на прекршување. На границата се менува брановата брзина, поради што доаѓа до промена и во насоката. Иако брзината се менува, фреквенцијата останува константна. На пример, светлински зрак се прекршува при минување низ стакло поставено во воздух, затоа неговата брзина ќе се промени. Прекршување има и кога бранот нормално упаѓа на граничната површина (под прав агол) - брзината се менува, иако насоката останува иста. Разбирањето на концептот на оваа појава придонело за значајни пронајдоци - леќите и рефракорот.

Поради прекршувањето на светлинскиот бран, молив делумно потопен во вода изгледа искривен: светлинските бранови кои поаѓаат од точката X ја менуваат насоката, па изгледаат како да поаѓаат од Y. (При набљудување од било кој агол, Y треба да се наоѓа вертикално над X и моливот гледан одозгора да изгледа пократок, а не подолг како што е прикажано.)

Прекршувањето може јасно да се забележи при гледање во сад исполнет со вода зашто индексот на прекршување на воздухот е приближно 1,0003, а на водата 1,3330. Доколку едната половина од прав предмет (молив, сламка и сл.) се потопи во вода под некој агол, предметот гледан одозгора изгледа закривен кај површината на водата. Ваквата појава се должи на скршнувањето на светлинските зраци при преминот од воздух во вода. Кога тие ќе стигнат до окото, тоа ги восприема како прави линии кои се пресекуваат во точка која се наоѓа повисоко од вистинската (изворот на зраците). Затоа моливот изгледа како да се наоѓа повисоко, а водата како да е поплитка. Оваа набљудувана длабочина се нарекува привидна длабочина и е важна при ловењето риби со копје бидејќи дава грешна претстава за нивната положба во водата – треба да се цели подлабоко. И спротивното важи – ликот гледан од под вода има привидна висина, па рибата-стрелец, на пример, мора да цели пониско за да го дофати пленот. При мали упадни агли (кога sinθ ≈ tanθ; мерени во однос на нормалата) односот на привидната и вистинската длабочина е еднаков со односот на индексите на прекршување на воздухот и водата. Но, како што упадниот агол се доближува кон 90^o, привидната длабочина се стреми кон нула. Се зголемува рефлексијата, затоа не може да се набљудува при големи упадни агли. Спротивно гледано, од водата кон воздухот, привидната висина се стреми кон бесконечност со доближување на упадниот агол (оддолу) до аголот на тотална рефлексија, та сликата при поголеми агли од оној на тотална рефлексија не се гледа.

Прекршена и извиена фотографија на мостот Голден Гејт поради капките вода.

Водните бранови патуваат побавно во поплитка вода, па при преминување во истата брановата должина се намалува и бранот се закривува кај границата меѓу двата региона (чија нормала е претставена со испрекината линија). Овој феномен објаснува зошто брановите го удираат брегот под речиси прав агол. Преминувајќи од подлабока во поплитка вода како што се приближуваат до брегот, брановите се прекршуваат од првобитната насока до агол речиси нормален на брегот. Виножитото е појава која се должи на прекршување на белата светлина при минувањето низ стаклена триаголна призма и нејзино разделување на боите од спектарот на видливата светлина. Тоа се должи на повисокиот индекс на прекршување на стаклото во однос на воздухот. Кога светлински зрак преминува од воздухот во материјал со индекс на прекршување кој зависи од фреквенцијата, доаѓа до појава наречена дисперзија – различните обоени компоненти на белата светлина, кои имаат различни фреквенции, се прекршуваат под различни агли, та се издвојуваат една од друга.

Дисперзија на светлината.

Прекршувањето предизвикува и други оптички феномени освен божилакот. Меѓу нив се наоѓаат мираж и фатаморгана –изобличување или поместување на оддалечените предмети како последица на промената на индексот на прекршување со промената на температурата на водухот. Индексот на прекршување може да биде и нелинеарен, како при Керовиот ефект каде светлината со голем интензитет придонесува за индекс на прекршување пропорционален со интензитетот на упадната светлина. Постојат метаматеријали со негативен индекс на прекршување. Кај метаматеријалите забележлива е и појава на тотално прекршување кога брановите импеданции на двете средини се еднакви. Тогаш нема рефлексија на бранот. Поради својството на прекршувањето за оптичко приближување на набљудуваните предмети, водата може да игра улога на лупа. Светлинскиот зрак ја намалува брзината како што влегува во капка вода, а ако граничната површина не е рамна, зракот и се закривува продолжувајќи по нов пат. Заоблената форма на површината ја закривува светлината нанадвор, па како што таа продолжува да се шири, сликата на набљудуваниот предмет е зголемена. Прекршувањето често се објаснува преку следнава аналогија: „Група маршира под кос агол од тротоар (брза материјална средина) во кал (бавна средина). Оние кои маршираат на страната која прва влегува во калот први го забавуваат чекорот. Поради тоа целата група продолжува да се движи низ калта под малку помал агол во однос на нормалата.“ Патеката по која патува светлината е секогаш онаа за чие минување е потребно најмалку време. Аналогно на тоа е кога чувар на плажа ќе забележи некој кој се дави. Бидејќи побрзо може да трча по плажата отколку да плива, може да се утврди дека има само еден најбрз пат до давеникот - едно место од кое треба да се влезе во вода за најбрзо да се исплива потребното растојание. Причините за прекршување на светлината при премин од една во друга средина ја разработил Ричард Фајнман во квантната механика.

Клиничко значење

Фороптер

Во медицината, особено во оптометријата, офталмологијата и ортоптиката, рефракција (рефрактометрија) е клинички тест при кој очниот лекар користи фороптер за утврдување на рефракциската грешка на окото и препишување на соодветни корективни леќи. Притоа, според оптичката моќ и фокусното растојание на различните леќи кои се вметнуваат во фороптерот, се утврдува кои се карактеристиките на леќата која ќе овозможи јасен вид.

Акустика

Во подводната акустика прекршувањето претставува закривување на звучен бран при што доаѓа до промена на неговата брзина при премин од еден во друг регион. Количината на закривување на зракот зависи од разликата меѓу двете брзини на звукот, односно од варијациите во температурата, притисокот и соленоста на водата. Слични акустични ефекти има во Земјината атомсфера, а прекршувањето на звукот во неа му е познато на човекот со векови. Сепак, ефектите нашле примена дури по 1970 година, кај оградите за звучна изолација на автопатите кои го користат закривувањето на звучните бранови во атмосферата како резултат на метеоролошките влијанија.

Поврзано

• Двојно прекршување
• Дифракција (кога бранот наидува на пречка)
• Хајгенс-Френелов принцип
• Листа на индекси на прекршување
• Метаматеријали
• Паралакса (видливо поместување на предметот гледан под различни агли)
• Рефлексија
• Тотална рефлексија

Надворешни врски

• Java илустрација на прекршувањето
• Java симулација на прекршување низ призма
• Одбивање и прекршување во Ray Tracing, едноставна, но темелна дискусија за математиката зад прекршувањето и одбивањето на брановите.
• Симулација на прекршување на светлински блесок – објаснение за прекршувањето и Снеловиот закон.
• Анимации на оптичко прекршување