Fenomena pembiasan. Indeks bias udara

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 17:49

Optik adalah salah satu cabang fisika tertua. Sejak Yunani kuno, banyak filsuf telah tertarik pada hukum gerak dan perambatan cahaya dalam berbagai bahan transparan seperti air, kaca, berlian, dan udara. Artikel ini membahas tentang fenomena pembiasan cahaya dengan fokus pada indeks bias udara.

Efek pembiasan berkas cahaya

Setiap orang dalam hidupnya menghadapi ratusan kali manifestasi efek ini ketika dia melihat ke dasar reservoir atau segelas air dengan beberapa benda diletakkan di dalamnya. Pada saat yang sama, reservoir tidak tampak sedalam yang sebenarnya, dan benda-benda di dalam segelas air tampak cacat atau pecah.

Fenomena pembiasan berkas cahaya adalah putusnya lintasan bujursangkarnya ketika melintasi antarmuka antara dua bahan transparan. Meringkas sejumlah besar data eksperimen, pada awal abad ke-17, orang Belanda Willebrord Snell menerima ekspresi matematika,yang secara akurat menggambarkan fenomena ini. Ekspresi ini biasanya ditulis dalam bentuk berikut:

₁sin(θ₁)=n₂sin(θ 2_)=const.

Di sini n₁, n₂ adalah indeks bias mutlak cahaya dalam bahan yang sesuai, _1dan 2 _{- sudut antara sinar datang dan sinar bias dan tegak lurus terhadap bidang antarmuka, yang ditarik melalui titik perpotongan balok dan bidang ini.}

Rumus ini disebut hukum Snell atau Snell-Descartes (orang Prancis yang menuliskannya dalam bentuk yang disajikan, sedangkan orang Belanda tidak menggunakan sinus, melainkan satuan panjang).

Selain rumus ini, fenomena pembiasan dijelaskan oleh hukum lain, yang bersifat geometris. Itu terletak pada kenyataan bahwa garis yang bertanda tegak lurus terhadap bidang dan dua sinar (dibiaskan dan datang) terletak pada bidang yang sama.

Indeks bias absolut

Nilai ini termasuk dalam rumus Snell, dan nilainya memainkan peran penting. Secara matematis, indeks bias n sesuai dengan rumus:

n=c/v.

Simbol c adalah kecepatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Itu kira-kira 310⁸m/s. Nilai v adalah kecepatan cahaya dalam medium. Dengan demikian, indeks bias mencerminkan jumlah perlambatan cahaya dalam medium sehubungan dengan ruang hampa udara.

Ada dua implikasi penting dari rumus di atas:

• nilai n selalu lebih besar dari 1 (untuk vakum sama dengan satu);
• ini adalah besaran tak berdimensi.

Misalnya indeks bias udara adalah 1.00029, sedangkan untuk air adalah 1,33.

Indeks bias bukanlah nilai konstan untuk medium tertentu. Itu tergantung pada suhu. Apalagi untuk setiap frekuensi gelombang elektromagnetik memiliki arti tersendiri. Jadi, gambar di atas sesuai dengan suhu 20 ^oC dan bagian kuning dari spektrum tampak (panjang gelombang sekitar 580-590 nm).

Ketergantungan nilai n pada frekuensi cahaya dimanifestasikan dalam penguraian cahaya putih oleh prisma menjadi beberapa warna, serta dalam pembentukan pelangi di langit saat hujan lebat.

Indeks bias cahaya di udara

Nilainya sudah diberikan di atas (1.00029). Karena indeks bias udara hanya berbeda di tempat desimal keempat dari nol, maka untuk memecahkan masalah praktis dapat dianggap sama dengan satu. Perbedaan kecil n untuk udara dari kesatuan menunjukkan bahwa cahaya praktis tidak diperlambat oleh molekul udara, yang dikaitkan dengan kerapatannya yang relatif rendah. Jadi, massa jenis udara rata-rata adalah 1,225 kg/m³, yaitu 800 kali lebih ringan daripada air tawar.

Udara adalah media optik tipis. Proses memperlambat kecepatan cahaya dalam suatu material bersifat kuantum dan terkait dengan tindakan penyerapan dan emisi foton oleh atom-atom materi.

Perubahan komposisi udara (misalnya, peningkatan kandungan uap air di dalamnya) dan perubahan suhu menyebabkan perubahan signifikan pada indikatorpembiasan. Contoh mencolok adalah efek fatamorgana di gurun, yang terjadi karena perbedaan indeks bias lapisan udara dengan suhu yang berbeda.

Antarmuka kaca-udara

Kaca adalah media yang jauh lebih padat daripada udara. Indeks bias absolutnya berkisar antara 1,5 hingga 1,66, tergantung pada jenis kacanya. Jika kita mengambil nilai rata-rata 1,55, maka pembiasan berkas pada antarmuka air-glass dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1, 55.

Nilai n₂₁ disebut indeks bias relatif udara - kaca. Jika balok keluar dari kaca ke udara, maka rumus berikut harus digunakan:

sin(θ₁)/sin(θ₂)=n₂/ n₁=n₂₁=1/1, 55=0, 645.

Jika sudut sinar bias dalam kasus terakhir akan sama dengan 90^o, maka sudut datang yang sesuai dengan itu disebut kritis. Untuk kaca perbatasan - udara adalah:

θ₁=arcsin(0, 645)=40, 17^o.

Jika balok akan jatuh pada batas kaca-udara dengan sudut lebih besar dari 40, 17^o, maka akan dipantulkan kembali sepenuhnya ke dalam kaca. Fenomena ini disebut "refleksi internal total".

Sudut kritis hanya ada ketika sinar bergerak dari medium padat (dari kaca ke udara, tetapi tidak sebaliknya).