Jumla ya mwonekano wa ndani wa mwanga: maelezo, masharti na sheria

2024 Mwandishi: Angel Austin | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 05:42

Uenezi wa mawimbi ya sumakuumeme katika vyombo vya habari mbalimbali hutii sheria za kuakisi na kuakisi. Kutoka kwa sheria hizi, chini ya hali fulani, athari moja ya kuvutia ifuatavyo, ambayo katika fizikia inaitwa jumla ya kutafakari ndani ya mwanga. Hebu tuangalie kwa makini athari hii ni nini.

Tafakari na mkiano

Kabla ya kuendelea moja kwa moja kuzingatia mwako wa ndani wa jumla wa mwanga, ni muhimu kutoa maelezo ya michakato ya kuakisi na kuakisi.

Kuakisi kunaeleweka kama badiliko la uelekeo wa miale ya mwanga katika njia ile ile inapokutana na kiolesura. Kwa mfano, ukielekeza mwangaza kutoka kwa kielekezi cha leza kwenye kioo, unaweza kuona athari iliyofafanuliwa.

Kinyumeo ni, kama kuakisi, badiliko katika mwelekeo wa mwendo wa mwanga, lakini si kwa kwanza, lakini katika kati ya pili. Matokeo ya jambo hili itakuwa upotovu wa muhtasari wa vitu na waoeneo la anga. Mfano wa kawaida wa kinzani ni kukatika kwa penseli au kalamu ikiwa imewekwa kwenye glasi ya maji.

Kinyume na uakisi vinahusiana. Karibu kila mara huwa pamoja: sehemu ya nishati ya boriti huakisiwa, na sehemu nyingine imerudishwa nyuma.

Matukio yote mawili ni matokeo ya kanuni ya Fermat. Anadai kuwa nuru husafiri kwenye njia kati ya nukta mbili ambazo humchukua muda mfupi zaidi.

Kwa kuwa kuakisi ni madoido ambayo hutokea kwa njia moja, na mkiano hutokea katika midia mbili, ni muhimu kwa chombo hiki cha mwisho kuwa midia yote miwili iwe wazi kwa mawimbi ya sumakuumeme.

Dhana ya faharasa ya refractive

Faharasa ya refactive ni kiasi muhimu kwa maelezo ya hisabati ya matukio yanayozingatiwa. Fahirisi ya refractive ya chombo fulani hufafanuliwa kama ifuatavyo:

n=c/v.

Ambapo c na v ni kasi ya mwanga katika utupu na maada, mtawalia. Thamani ya v daima ni chini ya c, hivyo kipeo n kitakuwa kikubwa kuliko kimoja. Mgawo wa n usio na kipimo huonyesha ni kiasi gani cha mwanga katika dutu (wastani) kitasalia nyuma ya mwanga katika utupu. Tofauti kati ya kasi hizi husababisha kutokea kwa hali ya mwonekano tena.

Kasi ya mwanga katika maada inahusiana na msongamano wa maada. Deser ya kati, ni vigumu zaidi kwa mwanga kusonga ndani yake. Kwa mfano, kwa hewa n=1.00029, yaani, karibu kama kwa utupu, kwa maji n=1.333.

Tafakari, kinyume na sheria zake

Sheria za kimsingi za mwonekano wa nuru na uakisi zinaweza kuandikwa kama ifuatavyo:

Ukirejesha hali ya kawaida kwa kiwango cha kutokea kwa mwali wa mwanga kwenye mpaka kati ya vyombo viwili vya habari, basi hii ya kawaida, pamoja na tukio, miale iliyoakisiwa na iliyorudishwa, italala kwenye ndege moja.
Ikiwa tutateua pembe za matukio, uakisi na mkiano kama θ₁, θ₂, na θ _{3, na fahirisi za refractive za kati ya 1 na 2 kama n}1 _{na n}2_{, kisha fomula mbili zifuatazo kuwa halali:}

kutafakari θ₁=θ₂;

kwa dhambi ya kinzani(θ₁)n₁ =dhambi(θ₃)n₂.

Mchanganuo wa fomula ya sheria ya 2 ya kinzani

Ili kuelewa ni lini mwako wa jumla wa ndani wa mwanga utatokea, mtu anapaswa kuzingatia sheria ya kinzani, ambayo pia inaitwa sheria ya Snell (mwanasayansi wa Uholanzi aliyeigundua mwanzoni mwa karne ya 17). Hebu tuandike fomula tena:

dhambi(θ₁)n₁ =dhambi(θ₃) n₂.

Inaweza kuonekana kuwa bidhaa ya sine ya pembe ya boriti hadi ya kawaida na faharasa ya refriactive ya kati ambamo boriti hii hueneza ni thamani isiyobadilika. Hii ina maana kwamba ikiwa n₁>n₂, basi ili kutimiza usawa ni lazima dhambi(θ₁ )<sin(θ₃). Hiyo ni, wakati wa kusonga kutoka katikati mnene hadi mnene kidogo (maana ya machomsongamano), boriti hukengeuka kutoka kwa kawaida (kitendaji cha sine huongezeka kwa pembe kutoka 0^o hadi 90^o). Mpito kama huo hutokea, kwa mfano, wakati mwali wa mwanga unapovuka mpaka wa hewa ya maji.

Hali ya kinzani inaweza kutenduliwa, yaani, wakati wa kusonga kutoka kwenye mnene kidogo hadi mnene zaidi (n₁<n₂) boriti itakaribia kawaida (dhambi(θ₁)>sin(θ₃)).

)

Jumla ya mwako wa ndani wa mwanga

Sasa twende kwenye sehemu ya kufurahisha. Zingatia hali wakati mwangaza unapita kutoka katikati mnene, yaani, n₁>n₂. Katika hali hii, θ₁<θ₃. Sasa tutaongeza hatua kwa hatua pembe ya matukio θ₁. Pembe ya kinzani θ₃ pia itaongezeka, lakini kwa kuwa ni kubwa kuliko θ₁, itakuwa sawa na 90 ^{o mapema} . Je, θ₃=90^o ina maana gani kutokana na mtazamo wa kimwili? Hii ina maana kwamba nishati yote ya boriti, wakati inapiga interface, itaeneza kando yake. Kwa maneno mengine, boriti inayorudisha nyuma haitakuwepo.

Ongezeko zaidi la θ₁ kutasababisha boriti nzima kuakisiwa kutoka kwenye uso kurudi kwenye wastani wa kwanza. Hili ni tukio la kuakisi kwa jumla kwa ndani kwa mwanga (kinyumeshaji hakipo kabisa).

Pembe θ₁, ambapo θ₃=90^o, inaitwa muhimu kwa jozi hii ya vyombo vya habari. Inakokotolewa kulingana na fomula ifuatayo:

θ_c =arcsin(n₂/n₁).).

Usawa huu unafuata moja kwa moja kutoka kwa sheria ya 2 ya kukataliwa.

Iwapo kasi v₁na v₂za uenezi wa mionzi ya sumakuumeme katika midia ya uwazi inajulikana, basi pembe muhimu inajulikana. imekokotolewa kwa fomula ifuatayo:

θ_c =arcsin(v₁/v₂).).

Inapaswa kueleweka kuwa sharti kuu la kuakisi jumla kwa ndani ni kwamba inapatikana tu katika eneo lenye msongamano wa macho lililozungukwa na mnene kidogo. Kwa hivyo, katika pembe fulani, mwanga unaotoka chini ya bahari unaweza kuakisiwa kabisa kutoka kwenye uso wa maji, lakini kwa pembe yoyote ya matukio kutoka angani, boriti itapenya ndani ya safu ya maji kila wakati.

Madhara ya kuakisi jumla kunazingatiwa na kutumiwa wapi?

Mfano maarufu zaidi wa matumizi ya hali ya kuakisi jumla ya ndani ni fibre optics. Wazo ni kwamba kutokana na kuakisi mwanga kwa 100% kutoka kwenye uso wa vyombo vya habari, inawezekana kusambaza nishati ya umeme kwa umbali mrefu wa kiholela bila kupoteza. Nyenzo ya kazi ya cable ya fiber optic, ambayo sehemu yake ya ndani inafanywa, ina wiani wa juu wa macho kuliko nyenzo za pembeni. Utunzi kama huu unatosha kutumia kwa ufanisi athari ya uakisi kamili kwa anuwai ya pembe za matukio.

Nyuso za almasi zinazometa ni mfano mkuu wa matokeo ya uakisi kamili. Fahirisi ya refractive ya almasi ni 2.43, miale mingi sana ya mwanga, kugonga jiwe la thamani, uzoefu.tafakari nyingi kamili kabla ya kuondoka.

Tatizo la kubainisha pembe muhimu θc kwa almasi

Hebu tuzingatie tatizo rahisi, ambapo tutaonyesha jinsi ya kutumia fomula ulizopewa. Ni muhimu kukokotoa ni kiasi gani pembe muhimu ya kuakisi jumla itabadilika ikiwa almasi itawekwa kutoka hewani hadi kwenye maji.

Baada ya kuangalia maadili ya fahirisi za refactive za midia iliyoonyeshwa kwenye jedwali, tunaziandika:

kwa hewa: n₁=1, 00029;
kwa maji: n₂=1, 333;
kwa almasi: n₃=2, 43.

Njia muhimu kwa jozi ya almasi-hewa ni:

θ_c1=arcsin(n₁/n₃)=arcsin(1, 00029/2, 43) ≈ 24, 31^o.

Kama unavyoona, pembe muhimu ya jozi hii ya vyombo vya habari ni ndogo sana, yaani, miale hiyo pekee ndiyo inaweza kuacha almasi angani ambayo itakuwa karibu na kawaida kuliko 24, 31 ^o.

Kwa kisa cha almasi kwenye maji, tunapata: