Ang pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave sa iba't ibang media ay sumusunod sa mga batas ng reflection at repraksyon. Mula sa mga batas na ito, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, isang kawili-wiling epekto ang sumusunod, na sa pisika ay tinatawag na kabuuang panloob na pagmuni-muni ng liwanag. Tingnan natin kung ano ang epektong ito.
Reflection at repraksyon
Bago direktang magpatuloy sa pagsasaalang-alang ng panloob na kabuuang pagmuni-muni ng liwanag, kinakailangang magbigay ng paliwanag sa mga proseso ng pagmuni-muni at repraksyon.
Ang
Reflection ay nauunawaan bilang isang pagbabago sa direksyon ng isang light beam sa parehong medium kapag nakatagpo ito ng isang interface. Halimbawa, kung ididirekta mo ang isang light beam mula sa isang laser pointer sa isang salamin, maaari mong obserbahan ang inilarawan na epekto.
Ang refraction ay, tulad ng pagmuni-muni, isang pagbabago sa direksyon ng liwanag na paggalaw, ngunit hindi sa una, ngunit sa pangalawang medium. Ang resulta ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay isang pagbaluktot ng mga balangkas ng mga bagay at ang kanilangspatial na lokasyon. Ang karaniwang halimbawa ng repraksyon ay ang pagbasag ng lapis o panulat kung siya ay inilagay sa isang basong tubig.
Refraction at reflection ay nauugnay sa isa't isa. Halos palaging magkasama ang mga ito: ang bahagi ng enerhiya ng sinag ay sumasalamin, at ang iba pang bahagi ay na-refracte.
Ang parehong phenomena ay bunga ng prinsipyo ni Fermat. Sinasabi niya na ang liwanag ay naglalakbay sa landas sa pagitan ng dalawang punto na tumatagal sa kanya ng pinakamababang oras.
Dahil ang reflection ay isang epekto na nangyayari sa isang medium, at ang repraksyon ay nangyayari sa dalawang media, mahalaga para sa huli na ang parehong media ay transparent sa electromagnetic waves.
Ang konsepto ng refractive index
Ang refractive index ay isang mahalagang dami para sa mathematical na paglalarawan ng mga phenomena na isinasaalang-alang. Ang refractive index ng isang partikular na medium ay tinukoy bilang mga sumusunod:
n=c/v.
Kung saan ang c at v ay ang bilis ng liwanag sa vacuum at matter, ayon sa pagkakabanggit. Ang halaga ng v ay palaging mas mababa sa c, kaya ang exponent n ay magiging mas malaki kaysa sa isa. Ang walang sukat na coefficient n ay nagpapakita kung gaano karaming liwanag sa isang substance (medium) ang mahuhuli sa likod ng liwanag sa isang vacuum. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga bilis na ito ay humahantong sa paglitaw ng phenomenon ng repraksyon.
Ang bilis ng liwanag sa bagay ay nauugnay sa density ng huli. Ang mas siksik na daluyan, mas mahirap para sa liwanag na lumipat dito. Halimbawa, para sa hangin n=1.00029, iyon ay, halos katulad ng para sa vacuum, para sa tubig n=1.333.
Mga pagninilay, repraksyon at mga batas nito
Ang mga pangunahing batas ng light refraction at reflection ay maaaring isulat tulad ng sumusunod:
- Kung ibabalik mo ang normal sa punto ng insidente ng sinag ng liwanag sa hangganan sa pagitan ng dalawang media, ang normal na ito, kasama ng insidente, na naaninag at na-refracte na mga sinag, ay nasa parehong eroplano.
- Kung itinalaga natin ang mga anggulo ng saklaw, pagmuni-muni at repraksyon bilang θ1, θ2, at θ 3, at ang mga refractive index ng 1st at 2nd medium bilang n1 at n2, pagkatapos ay ang sumusunod na dalawang formula ay maging wasto:
- to reflect θ1=θ2;
- para sa repraksyon na kasalanan(θ1)n1 =kasalanan(θ3)n2.
Pagsusuri ng formula para sa 2nd law of refraction
Upang maunawaan kung kailan magaganap ang panloob na kabuuang pagmuni-muni ng liwanag, dapat isaalang-alang ang batas ng repraksyon, na tinatawag ding batas ni Snell (isang Dutch scientist na nakatuklas nito sa simula ng ika-17 siglo). Isulat natin muli ang formula:
sin(θ1)n1 =kasalanan(θ3) n2.
Makikita na ang produkto ng sine ng anggulo ng beam sa normal at ang refractive index ng medium kung saan dumarami ang beam na ito ay isang pare-parehong halaga. Nangangahulugan ito na kung n1>n2, kung gayon upang maisakatuparan ang pagkakapantay-pantay ay kinakailangan ang kasalanan(θ1 )<sin(θ3). Iyon ay, kapag lumipat mula sa isang mas siksik na daluyan patungo sa isang hindi gaanong siksik (ibig sabihin ang opticaldensity), lumilihis ang beam mula sa normal (tataas ang function ng sine para sa mga anggulo mula 0o hanggang 90o). Ang ganitong paglipat ay nangyayari, halimbawa, kapag ang isang sinag ng liwanag ay tumawid sa hangganan ng tubig-hangin.
Ang phenomenon ng repraksyon ay nababaligtad, ibig sabihin, kapag lumilipat mula sa hindi gaanong siksik patungo sa mas siksik (n1<n2) lalapit ang sinag sa normal (sin(θ1)>sin(θ3)).
Internal na kabuuang pagmuni-muni ng liwanag
Ngayon, pumunta tayo sa masayang bahagi. Isaalang-alang ang sitwasyon kapag ang light beam ay dumaan mula sa mas siksik na medium, iyon ay, n1>n2. Sa kasong ito, θ1<θ3. Ngayon ay unti-unti nating tataas ang anggulo ng saklaw θ1. Tataas din ang anggulo ng repraksyon θ3, ngunit dahil mas malaki ito sa θ1, magiging katumbas ito ng 90 o kanina . Ano ang ibig sabihin ng θ3=90o mula sa pisikal na pananaw? Nangangahulugan ito na ang lahat ng enerhiya ng beam, kapag tumama ito sa interface, ay magpapalaganap kasama nito. Sa madaling salita, hindi iiral ang refracting beam.
Ang karagdagang pagtaas sa θ1 ay magiging sanhi ng buong beam na maipakita mula sa ibabaw pabalik sa unang medium. Ito ang kababalaghan ng panloob na kabuuang pagmuni-muni ng liwanag (ang repraksyon ay ganap na wala).
Ang anggulo θ1, kung saan tinatawag ang θ3=90o, kritikal para sa pares ng media na ito. Kinakalkula ito ayon sa sumusunod na formula:
θc =arcsin(n2/n1).
Ang pagkakapantay-pantay na ito ay direktang sumusunod sa 2nd law of refraction.
Kung ang mga bilis v1at v2ng pagpapalaganap ng electromagnetic radiation sa parehong transparent na media ay kilala, ang kritikal na anggulo ay kinakalkula ng sumusunod na formula:
θc =arcsin(v1/v2).
Dapat na maunawaan na ang pangunahing kondisyon para sa panloob na kabuuang pagmuni-muni ay na ito ay umiiral lamang sa isang optically denser medium na napapalibutan ng hindi gaanong siksik. Kaya, sa ilang mga anggulo, ang liwanag na nagmumula sa seabed ay maaaring ganap na maaninag mula sa ibabaw ng tubig, ngunit sa anumang anggulo ng insidente mula sa himpapawid, ang sinag ay palaging tatagos sa column ng tubig.
Saan naobserbahan at nailapat ang epekto ng kabuuang pagmuni-muni?
Ang pinakatanyag na halimbawa ng paggamit ng phenomenon ng internal total reflection ay fiber optics. Ang ideya ay dahil sa 100% na pagmuni-muni ng liwanag mula sa ibabaw ng media, posible na magpadala ng electromagnetic energy sa mga arbitraryong malalayong distansya nang walang pagkawala. Ang gumaganang materyal ng fiber optic cable, kung saan ginawa ang panloob na bahagi nito, ay may mas mataas na optical density kaysa sa peripheral na materyal. Ang ganitong komposisyon ay sapat na upang matagumpay na magamit ang epekto ng kabuuang pagmuni-muni para sa malawak na hanay ng mga anggulo ng saklaw.
Ang
Mga kumikinang na ibabaw ng brilyante ay isang pangunahing halimbawa ng resulta ng kabuuang pagmuni-muni. Ang refractive index para sa isang brilyante ay 2.43, napakaraming sinag ng liwanag, na tumama sa isang gemstone, karanasanmaramihang buong pagmuni-muni bago lumabas.
Ang problema sa pagtukoy ng kritikal na anggulo θc para sa brilyante
Pag-isipan natin ang isang simpleng problema, kung saan ipapakita natin kung paano gamitin ang mga ibinigay na formula. Kinakailangang kalkulahin kung gaano magbabago ang kritikal na anggulo ng kabuuang pagmuni-muni kung ang isang brilyante ay inilagay mula sa hangin patungo sa tubig.
Pagkatapos ay tumingin sa mga halaga para sa mga refractive na indeks ng ipinahiwatig na media sa talahanayan, isinusulat namin ang mga ito:
- para sa hangin: n1=1, 00029;
- para sa tubig: n2=1, 333;
- para sa brilyante: n3=2, 43.
Ang kritikal na anggulo para sa isang pares ng diamond-air ay:
θc1=arcsin(n1/n3)=arcsin(1, 00029/2, 43) ≈ 24, 31o.
Tulad ng nakikita mo, ang kritikal na anggulo para sa pares ng media na ito ay medyo maliit, ibig sabihin, ang mga sinag lamang na iyon ang makakapag-iwan ng brilyante sa hangin na magiging mas malapit sa normal kaysa sa 24, 31 o.
Para sa kaso ng isang brilyante sa tubig, makakakuha tayo ng:
θc2=arcsin(n2/n3)=arcsin(1, 333/2, 43) ≈ 33, 27o.
Ang pagtaas sa kritikal na anggulo ay:
Δθc=θc2- θc1≈ 33, 27 o - 24, 31o=8, 96o.
Itong bahagyang pagtaas sa kritikal na anggulo para sa kabuuang pagmuni-muni ng liwanag sa isang brilyante ay nagiging sanhi ng pagkinang nito sa tubig na halos kapareho ng sa hangin.
