Imazhet në lente, funksionimi i instrumenteve si mikroskopët dhe teleskopët, fenomeni i ylberit dhe perceptimi mashtrues i thellësisë së një trupi uji janë të gjitha shembuj të fenomenit të përthyerjes së dritës. Ligjet që përshkruajnë këtë fenomen diskutohen në këtë artikull.
Fenomeni i përthyerjes
Para se të shqyrtojmë ligjet e përthyerjes së dritës në fizikë, le të njihemi me thelbin e vetë fenomenit.
Siç e dini, nëse mediumi është homogjen në të gjitha pikat e hapësirës, atëherë drita do të lëvizë në të përgjatë një shtegu të drejtë. Përthyerja e kësaj rruge ndodh kur një rreze drite kalon në një kënd ndërfaqen midis dy materialeve transparente, si qelqi dhe uji ose ajri dhe qelqi. Duke kaluar në një mjedis tjetër homogjen, drita gjithashtu do të lëvizë në një vijë të drejtë, por ajo tashmë do të drejtohet në një kënd të trajektores së saj në mediumin e parë. Ky është fenomeni i thyerjes së rrezes së dritës.
Videoja më poshtë tregon fenomenin e përthyerjes duke përdorur xhamin si shembull.
Pika e rëndësishme këtu është këndi i incidencësrrafshi i ndërfaqes. Vlera e këtij këndi përcakton nëse dukuria e përthyerjes do të vërehet apo jo. Nëse rrezja bie pingul me sipërfaqen, atëherë, pasi të kalojë në mediumin e dytë, do të vazhdojë të lëvizë përgjatë së njëjtës vijë të drejtë. Rasti i dytë, kur përthyerja nuk do të ndodhë, janë këndet e incidencës së një rreze që kalon nga një mjedis optikisht më i dendur në një më pak të dendur, të cilat janë më të mëdha se disa vlera kritike. Në këtë rast, energjia e dritës do të reflektohet plotësisht përsëri në mediumin e parë. Efekti i fundit diskutohet më poshtë.
Ligji i parë i thyerjes
Mund të quhet edhe ligji i tre drejtëzave në një rrafsh. Supozoni se ekziston një rreze drite A që bie në ndërfaqen midis dy materialeve transparente. Në pikën O, rrezja thyhet dhe fillon të lëvizë përgjatë drejtëzës B, e cila nuk është vazhdimësi e A. Nëse kthejmë pingulen N në rrafshin e ndarjes në pikën O, atëherë ligji i 1-të për dukurinë e thyerja mund të formulohet si më poshtë: rrezja rënëse A, rrezja normale N dhe rrezja e përthyer B shtrihen në të njëjtin rrafsh, i cili është pingul me rrafshin e ndërfaqes.
Ky ligj i thjeshtë nuk është i qartë. Formulimi i tij është rezultat i një përgjithësimi të të dhënave eksperimentale. Matematikisht, mund të nxirret duke përdorur të ashtuquajturin parim Fermat ose parimin e kohës më të vogël.
Ligji i dytë i thyerjes
Mësuesit e fizikës së shkollës shpesh u japin studentëve detyrën e mëposhtme: "Formuloni ligjet e thyerjes së dritës". Ne kemi shqyrtuar njërën prej tyre, tani le të kalojmë tek e dyta.
Shënoni këndin midis rrezes A dhe pingules N si θ1, këndi midis rrezes B dhe N do të quhet θ2. Ne marrim gjithashtu parasysh që shpejtësia e rrezes A në mediumin 1 është v1, shpejtësia e rrezes B në mediumin 2 është v2. Tani mund të japim një formulim matematikor të ligjit të 2-të për fenomenin në shqyrtim:
sin(θ1)/v1=mëkat(θ2)/ v2.
Kjo formulë u mor nga holandezi Snell në fillim të shekullit të 17-të dhe tani mban mbiemrin e tij.
Një përfundim i rëndësishëm rrjedh nga shprehja: sa më e madhe të jetë shpejtësia e përhapjes së dritës në mjedis, aq më larg nga normalja do të jetë rrezja (aq më i madh është sinusi i këndit).
Koncepti i indeksit të thyerjes së mediumit
Formula e mësipërme Snell aktualisht është shkruar në një formë paksa të ndryshme, e cila është më e përshtatshme për t'u përdorur gjatë zgjidhjes së problemeve praktike. Në të vërtetë, shpejtësia v e dritës në lëndë, megjithëse më e vogël se ajo në vakum, është ende një vlerë e madhe me të cilën është e vështirë të punohet. Prandaj, një vlerë relative u fut në fizikë, barazia për të cilën paraqitet më poshtë:
n=c/v.
Këtu c është shpejtësia e rrezes në vakum. Vlera e n tregon se sa herë vlera e c është më e madhe se vlera e v në material. Quhet indeksi i thyerjes së këtij materiali.
Duke marrë parasysh vlerën e futur, formula e ligjit të thyerjes së dritës do të rishkruhet në formën e mëposhtme:
sin(θ1)n1=mëkat(θ2) n2.
Material që ka një vlerë të madhe prej n,i quajtur optikisht i dendur. Duke kaluar nëpër të, drita ngadalëson shpejtësinë e saj me n herë në krahasim me të njëjtën vlerë për hapësirën pa ajër.
Kjo formulë tregon se rrezja do të shtrihet më afër normales në mjedisin që është më i dendur optikisht.
Për shembull, vërejmë se indeksi i thyerjes për ajrin është pothuajse i barabartë me një (1, 00029). Për ujin, vlera e tij është 1.33.
Reflektim total në një mjedis optik të dendur
Le të kryejmë eksperimentin e mëposhtëm: le të fillojmë një rreze drite nga kolona e ujit drejt sipërfaqes së saj. Meqenëse uji është optikisht më i dendur se ajri (1, 33>1, 00029), këndi i rënies θ1 do të jetë më i vogël se këndi i thyerjes θ2. Tani, ne do të rritim gradualisht θ1, përkatësisht, θ2 do të rritet gjithashtu, ndërsa pabarazia θ1<th2qëndron gjithmonë e vërtetë.
Do të vijë një moment kur θ1<90o dhe θ2=90 o. Ky kënd θ1 quhet kritik për një palë media ujë-ajër. Çdo kënd i rënies më i madh se ky nuk do të rezultojë që asnjë pjesë e rrezes të mos kalojë përmes ndërfaqes ujë-ajër në një mjedis më pak të dendur. E gjithë rrezja në kufi do të përjetojë reflektim të plotë.
Llogaritja e këndit kritik të incidencës θc kryhet me formulën:
θc=harksin(n2/n1).
Për ujin mediatik dheajri është 48, 77o.
Vini re se ky fenomen nuk është i kthyeshëm, domethënë kur drita lëviz nga ajri në ujë, nuk ka kënd kritik.
Fenomeni i përshkruar përdoret në funksionimin e fibrave optike dhe së bashku me shpërndarjen e dritës është shkaku i shfaqjes së ylberit parësor dhe dytësor gjatë shiut.
