La luce non viaggia alla stessa velocità nell'aria, nel vetro e nell'acqua. La velocità della luce nell'aria è 3 X 10 6 m/s. In acqua è 2,25 × 10 8 m/s e nel vetro è 2 x 10 8 m/s. Questo perché il vetro è otticamente più denso dell'acqua e l'acqua è otticamente più densa dell'aria. Un mezzo si dice più denso se la velocità della luce diminuisce e più raro se la velocità della luce aumenta.
La luce viaggia in linea retta in un mezzo. ma quando un raggio di luce che viaggia in un mezzo trasparente cade obliquamente sulla superficie di un altro mezzo trasparente, viaggia in un altro mezzo in un percorso rettilineo ma diverso dalla sua direzione iniziale. Il cambiamento di direzione del percorso della luce quando passa da un mezzo trasparente a un altro è chiamato rifrazione della luce.
Un raggio di luce che cade sulla superficie che separa due mezzi. \(\angle i\) è l'angolo di incidenza tra il raggio incidente e la normale e \(\angle r\) è l'angolo di rifrazione tra il raggio rifratto e la normale. La deviazione è l'angolo tra la direzione del raggio rifratto e la direzione del raggio incidente. Pertanto, \(\angle\delta\) = \(\mid \angle i - \angle r \mid\)
La rifrazione della luce obbedisce a due leggi note come leggi della rifrazione di Snell.
\(\mu = \frac{3 X 10 ^8ms^{-1}}{2.25 X 10 ^8 ms{-1}} = \frac{4}{3} = 1.33\)
Nota: nessun mezzo può avere un indice di rifrazione inferiore a 1.
Indice di rifrazione (µ) di alcune sostanze comuni
| Sostanze | μ | Sostanze | µ |
| Vuoto | 1.00 | Aria | 1.00 |
| Ghiaccio | 1.31 | Acqua | 1.33 |
| Alcol | 1.37 | Glicerina | 1.47 |
| Vetro ordinario | 1.5 | Cherosene | 1.41 |
Domanda 1: Quali sono le condizioni affinché un raggio di luce passi senza deviazioni sulla rifrazione.
Soluzione: Ci sono due condizioni - (1) quando l'angolo di incidenza è uguale a 0. (2) Quando l'indice di rifrazione di entrambi i mezzi è lo stesso.
Principio di reversibilità Se l'indice di rifrazione del mezzo 2 rispetto al mezzo 1 è \(_1\mu_2= \frac{sin \ i}{sin \ r}\) e l'indice di rifrazione del mezzo 1 rispetto al mezzo 2 è allora \(_2\mu_1 = \frac{sin \ r}{sin \ i }\) , quindi \(_1\mu_2 \times _2\mu_1 = 1\) oppure possiamo dire \(_1\mu_2 = \frac{1}{_2\mu_1}\) |
Domanda 1: Se l'indice di rifrazione del vetro rispetto all'aria è 3/2, allora qual è l'indice di rifrazione dell'aria rispetto al vetro?
Soluzione: a µ g = 3/2, quindi g µ a è \(\frac{1}{^3/_2} = \frac{2}{3}\) .
Velocità: quando un raggio di luce viene rifratto da un mezzo più raro a uno più denso, la velocità della luce diminuisce mentre se viene rifratto da un mezzo più denso a uno più raro, la velocità della luce aumenta.
Frequenza: la frequenza della luce dipende dalla fonte di luce, quindi non cambia sulla rifrazione.
Lunghezza d'onda: la velocità della luce v in un mezzo, la lunghezza d'onda della luce λ in quel mezzo e la frequenza della luce f sono correlate come v = fλ.
Quando la luce passa da un mezzo più raro a uno più denso, la lunghezza d'onda diminuisce e quando la luce passa da un mezzo più denso a uno più raro, la lunghezza d'onda aumenta.
(1) La profondità dell'acqua in una nave, vista dall'alto, sembra essere minore
La vera profondità è OS. Un raggio di luce che parte dal punto O cadendo verticalmente sulla superficie acqua-aria, viaggia dritto lungo SA. Un altro raggio OQ incidente sulla superficie acqua-aria nel punto Q quando passa all'aria, si allontana dalla normale NQ e percorre il percorso QT. Quando il raggio QT viene riprodotto, i due raggi rifratti si incontrano nel punto P. Quindi P è l'immagine di O. Quindi all'osservatore la profondità del vaso sembra essere SP invece di SO a causa della rifrazione della luce dall'acqua all'aria .
(2) Alba precoce e tramonto tardivo
(3) Miraggio nel deserto
A volte nei deserti si vede un'immagine invertita di un albero che dà una falsa impressione di acqua sotto l'albero. Questo si chiama miraggio. La causa del miraggio è dovuta alla rifrazione della luce. Come nel deserto, la sabbia si riscalda molto velocemente, ecco perché lo strato d'aria a contatto con la sabbia si riscalda. Di conseguenza, l'aria vicino al suolo è più calda degli strati d'aria superiori. In altre parole, gli strati superiori sono più densi di quelli inferiori! Quando un raggio di luce del sole dopo il riflesso dalla cima di un albero viaggia da uno strato più denso a uno più raro, si allontana dalla normale. Così nella rifrazione alla superficie di separazione degli strati successivi, ogni volta che l'angolo di rifrazione aumenta e aumenta anche l'angolo di incidenza del raggio che va dal più denso al più raro fino a raggiungere i 90°. Con un ulteriore aumento dell'angolo di incidenza dallo strato più denso a quello più raro subisce una riflessione completa e ora la luce riflessa viaggia dal mezzo più raro a quello più denso, quindi si piega verso la normale ad ogni rifrazione. Raggiungendo l'occhio dell'osservatore si vede un'immagine invertita dell'albero.
Quando il raggio incidente AB cade su una lastra di vetro, è incidente nel punto di incidenza B. Il raggio AB entra dall'aria al vetro, quindi piega verso la normale e segue la traiettoria BC. Quando il raggio rifratto BC colpisce nuovamente la superficie del vetro nel punto C, si allontana dalla normale mentre il raggio viaggia dal vetro all'aria e segue il percorso CD. Il raggio emergente CD è parallelo al raggio incidente AB. Quindi il raggio emergente e il raggio incidente sono nella stessa direzione ma spostati lateralmente.
Un prisma è un mezzo trasparente delimitato da cinque superfici piane con una sezione trasversale triangolare. Due superfici opposte del prisma sono triangoli identici mentre le altre tre superfici sono rettangolari e inclinate l'una rispetto all'altra.
Quando un raggio di luce di un solo colore cade sulla superficie inclinata del prisma, il raggio incidente PQ cade sulla faccia del prisma, viaggia dall'aria al vetro quindi si piega verso la normale e viaggia attraverso il percorso QR. Quando il raggio rifratto QR colpisce la faccia del prisma in R si verifica un'altra rifrazione. Ora il raggio QR entra dal vetro nell'aria quindi si devia dalla normale e viaggia in direzione RS. Così, attraversando il prisma, il raggio luminoso si piega verso la base del prisma.
