Ljus färdas inte med samma hastighet i luft, glas och vatten. Ljushastigheten i luft är 3 X 10 6 m/s. I vatten är det 2,25 × 10 8 m/s och i glas är det 2 x 10 8 m/s. Detta beror på att glas är optiskt tätare än vatten och vatten är optiskt tätare än luft. Ett medium sägs vara tätare om ljusets hastighet minskar och det sägs vara sällsyntare om ljusets hastighet ökar.
Ljus färdas i en rak linje i ett medium. men när en ljusstråle som färdas i ett transparent medium faller snett på ytan av ett annat genomskinligt medium, färdas den i ett annat medium i en rak bana men annorlunda än dess ursprungliga riktning. Förändringen i ljusets riktning när den passerar från ett transparent medium till ett annat kallas ljusets brytning.
En ljusstråle som faller på ytan som skiljer två medium. \(\angle i\) är infallsvinkeln mellan den infallande strålen och normalen och \(\angle r\) är brytningsvinkeln mellan den brutna strålen och normalen. Avvikelse är vinkeln mellan den brutna strålens riktning och den infallande strålens riktning. Därför är \(\angle\delta\) = \(\mid \angle i - \angle r \mid\)
Ljusbrytning följer två lagar som kallas Snells brytningslagar.
\(\mu = \frac{3 X 10 ^8ms^{-1}}{2.25 X 10 ^8 ms{-1}} = \frac{4}{3} = 1.33\)
Obs: Inget medium kan ha ett brytningsindex mindre än 1.
Brytningsindex (µ) för några vanliga ämnen
| Ämnen | µ | Ämnen | µ |
| Vakuum | 1.00 | Luft | 1.00 |
| Is | 1,31 | Vatten | 1,33 |
| Alkohol | 1,37 | Glycerin | 1,47 |
| Vanligt glas | 1.5 | Fotogen | 1,41 |
Fråga 1: Vilka är förutsättningarna för att en ljusstråle ska passera oavvikande vid refraktion.
Lösning: Det finns två villkor - (1) när infallsvinkeln är lika med 0. (2) När brytningsindexet för båda mediet är detsamma.
Reversibilitetsprincip Om brytningsindex för medium 2 med avseende på medium 1 är \(_1\mu_2= \frac{sin \ i}{sin \ r}\) och brytningsindex för medium 1 med avseende på medium 2 är då \(_2\mu_1 = \frac{sin \ r}{sin \ i }\) , sedan \(_1\mu_2 \times _2\mu_1 = 1\) eller så kan vi säga \(_1\mu_2 = \frac{1}{_2\mu_1}\) |
Fråga 1: Om brytningsindex för glas med avseende på luft är 3/2, vad är då brytningsindex för luft med avseende på glas?
Lösning: a µg = 3/2, därför är g µ a \(\frac{1}{^3/_2} = \frac{2}{3}\)
Hastighet: När en ljusstråle bryts från ett sällsyntare till ett tätare medium, minskar ljusets hastighet medan om den bryts från ett tätare till ett sällsyntare medium, ökar ljusets hastighet.
Frekvens: Ljusets frekvens beror på ljuskällan så den ändras inte vid brytning.
Våglängd: Ljusets hastighet v i ett medium, våglängden för ljuset λ i det mediet och frekvensen för ljuset f är relaterade till v = fλ.
När ljus passerar från ett sällsyntare till ett tätare medium minskar våglängden och när ljus passerar från ett tätare medium till ett mer sällsynt medium ökar våglängden.
(1) Vattendjupet i ett fartyg, sett från luften, verkar vara mindre
Det verkliga djupet är OS. En ljusstråle som börjar från punkt O faller vertikalt på vatten-luftytan, färdas rakt längs SA. En annan stråle OQ som infaller på vatten-luftytan vid punkt Q när den passerar till luft, böjer sig bort från den normala NQ och går längs vägen QT. När ray QT produceras tillbaka, möts de två brutna strålarna vid punkt P. P är alltså bilden av O. Sålunda verkar kärlets djup vara SP istället för SO på grund av ljusets brytning från vatten till luft. .
(2) Tidig soluppgång och sen solnedgång
(3) Hägring i öknen
Ibland i öknar ses en omvänd bild av ett träd som ger ett falskt intryck av vatten under trädet. Detta kallas hägring. Orsaken till hägringen beror på ljusets brytning. Precis som i öknen värms sanden upp väldigt snabbt, det är därför luftskiktet som är i kontakt med sanden värms upp. Som ett resultat är luften nära marken varmare än de övre luftlagren. Med andra ord är de övre lagren tätare än under dem! När en ljusstråle från solen efter reflektion från toppen av ett träd går från tätare till sällsyntare lager, böjer den sig bort från det normala. Sålunda vid brytning vid ytan av separation av på varandra följande skikt, ökar brytningsvinkeln varje gång och infallsvinkeln för strålen som går från tätare till sällsyntare också tills den når 90°. Vid ytterligare ökning av infallsvinkeln från tätare till sällsyntare skikt lider det av fullständig reflektion och nu färdas reflekterat ljus från sällsyntare till tätare medium, varför det böjer sig mot det normala vid varje brytning. När man når betraktarens öga ses en inverterad bild av trädet.
När den infallande strålen AB faller på en glasplatta är den infallande på infallspunkten B. Strålen AB kommer in från luft till glas, så den böjer sig mot normalen och följer banan BC. När den brutna strålen BC igen träffar glasytan vid punkt C, böjer den sig bort från normalen när strålen färdas från glas till luft och följer vägen CD. Den emergerande strålens CD är parallell med den infallande strålen AB. Sålunda är emergent stråle och infallande stråle i samma riktning men förskjutna i sidled.
Ett prisma är ett transparent medium som begränsas av fem plana ytor med triangulärt tvärsnitt. Två motsatta ytor av prismat är identiska trianglar medan de andra tre ytorna är rektangulära och lutande mot varandra.
När en ljusstråle av enkel färg faller på den lutande prismaytan, faller den infallande strålen PQ på prismats yta, den färdas från luft till glas så att den böjer sig mot det normala och färdas genom banan QR. När den refrakterade strålen QR träffar prismaytan vid R uppstår ytterligare en refraktion. Nu går strålen QR in från glas till luft så den böjer sig bort från normalen och färdas i riktning RS. Sålunda, när den passerar genom prismat, böjs ljusstrålen mot prismats bas.
