Naujos sąvokos:
- òptinis tañkis
- mẽdžiagos absoliutùsis lū̃žio rodiklis
Vasarą stebint seklaus upelio pakraštyje plaukiojančias žuvytes taip norisi jas pagauti rankomis, bet to padaryti nepavyksta ne tik dėl jų vikrumo. Mes stengiamės pagauti žuvytes ten, kur matome, nors jos visai kitoje vietoje. Norėdami tai suprasti, turime išsiaiškinti optines skaidriųjų terpių savybes ir kaip tokiose terpėse sklinda šviesa.
Optinis tankis
Jau žinote, kad šviesa gali sklisti skaidriosiose terpėse. Šviesos greitis tokiose medžiagose kaip oras, vanduo, ledas skiriasi, nes jos skirtingai priešinasi šviesos sklidimui (2.1 lentelė). Skaidrios medžiagos pasipriešinimas šviesos sklidimui atsiranda dėl šviesos sąveikos su tos medžiagos dalelėmis. Bet kurios skaidrios medžiagos pasipriešinimą šviesos sklidimui apibūdina òptinis tañkis. Kuo medžiaga optiškai tankesnė, tuo ilgesnė sąveika tarp šviesos ir medžiagos dalelių, tuo lėčiau ja sklinda šviesa (2.6.1 pav.). Pavyzdžiui, šviesos greitis lede yra 230 000 km/s, o deimante – 124 000 km/s. Vadinasi, deimantas labiau priešinasi šviesos sklidimui nei ledas, nes jo optinis tankis yra didesnis.
Inžinerijoje optinis tankis padeda nustatyti objektą sudarančių medžiagų rūšis. Jis naudojamas ir tiriant ląsteles: į ląstelę nukreipiama šviesa ir atsižvelgiant į perėjusios šviesos kiekį daromos išvados apie ląstelėje augančias bakterijas. Ląstelės, kuriose yra mažiau bakterijų, šviesos praleidžia daugiau.
Terpė | Šviesos greitis. km/s |
Vakuumas | 300 000 |
Oras | 300 000 |
Vanduo | 225 000 |
Ledas | 230 000 |
Stiklas | 200 000 |
Deimantas | 124 000 |
2.1 lentelė. Šviesos greitis įvairiose skaidriosiose terpėse
Medžiagos absoliutusis lūžio rodiklis
Aptarkime, kaip šviesa pereina iš vakuumo į stiklą (2.6.2 pav.). Šviesos greitis vakuume lygus 300 000 km/s, stikle – 200 000 km/s. Dėl greičio pokyčio šviesa lūžta (2.6.2 pav.). Apskaičiuokime, kiek kartų sumažėja iš tuštumos į stiklą perėjusios šviesos greitis:
Šviesos greitis stikle sumažėja 1,5 karto. Fizikinis dydis, rodantis, kiek kartų sumažėja šviesos greitis skaidrioje medžiagoje, palyginti su jos greičiu vakuume, vadinamas absoliučiúoju lū̃žio rodikliù. Absoliutusis lūžio rodiklis lygus šviesos greičio vakuume ir terpėje santykiui. Jis žymimas raide n, šviesos greitis vakuume žymimas raide c, o šviesos greitis terpėje – raide v:
Medžiaga | Lūžio rodiklis oro atžvilgiu | Optinis tankis |
Vanduo (20 °C) | 1,38 | Mažas optinis tankis |
Ledas | 1,31 | |
Akmens druska | 1,54 | |
Kvarcas | 1,54 | |
Rubinas | 1,76 | |
Įvairių rūšių stiklas | nuo 1,47 iki 2,04 | |
Deimantas | 2,42 | Didelis optinis tankis |
2.2 lentelė. Kai kurių medžiagų absoliutusis lūžio rodiklis geltonai šviesai
Absoliutusis lūžio rodiklis rodo, kiek sumažėja šviesos greitis terpėje, palyginti su šviesos greičiu vakuume (2.1.). Jis yra susijęs su skaidrios medžiagos optiniu tankiu. Medžiaga, kurios absoliutusis lūžio rodiklis didesnis, yra optiškai tankesnė (2.2 lentelė). Oro absoliutusis lūžio rodiklis yra prilyginamas vienetui (n = 1,0003 ≈ 1). Absoliutusis lūžio rodiklis priklauso nuo skaidrios medžiagos temperatūros, tankio ir šviesos spalvos.
Kur yra žuvis?
Vaikas stebi upelio pakraštyje plaukiojančią žuvį (2.6.3 pav., a). Prie pat upelio dugno esanti žuvis atspindi dienos šviesą. Nuo jos atsispindėję šviesos spinduliai sklinda vandeniu ir, pasiekę jo paviršių, lūžta (2.6.3 pav., b). Lūžę šviesos spinduliai patenka į vaiko akis. Punktyrine linija pavaizduojame lūžusių spindulių tęsinius. Vaikas žuvį mato lūžusių spindulių tęsinių susikirtimo vietoje, tačiau ten jos nėra. Žuvis plaukioja žemiau tariamojo savo atvaizdo (2.6.3 pav., b). Upelio dugno atvaizdas taip pat yra aukščiau nei tikrasis dugnas (2.6.3 pav., a).
Dėl šviesos lūžimo, jai pereinant iš vandens į orą, ežerai, upės, baseinai atrodo seklesni. Šią apgaulingą vandens telkinių fiziką reikia išmanyti ir prisiminti pramogaujant prie vandens.
Ar mirga žvaigždės?
Nors poetas Maironis rašė: „Ir kas do naktis! Dega žvaigždės aukštai, / Bemirkčioja tartum akutės“, iš tikrųjų žvaigždės nemirga. Jų šviesa, kol pasiekia Žemę, pereina skirtingo optinio tankio atmosferos sluoksnius. Žvaigždžių šviesos lūžimas judančioje Žemės atmosferoje sukelia jų mirgėjimo įspūdį (2.6.4 pav., a). Tuo įsitikinti galime atlikdami nesudėtingą bandymą. Jam prireiks kelių žvakių, lazerinio šviesos šaltinio ir ekrano. Tamsiame kambaryje nukreipę lazerio šviesos spindulį į ekraną, jame pamatysime šviesos taškelį (2.6.4 pav., b). Uždegus žvakes, šviesos taškelis pradeda mirgėti. Taip nutinka dėl to, kad žvakių įkaitintas oras plečiasi, sumažėja jo tankis. Lazerinio šaltinio šviesa, eidama per tankesnio ir retesnio oro srautus, lūžta. Tai ir sukelia šviesos taškelio mirgėjimo ekrane įspūdį.
Klausimai ir užduotys
- Įvairiose skaidriosiose terpėse šviesos greitis skiriasi. Paaiškinkite, kodėl.
- Kokia absoliučiojo lūžio rodiklio fizikinė prasmė?
- Atlikite bandymą. Ant neskaidraus dubens dugno padėkite monetą. Pasitraukite nuo dubens tiek, kad dubens kraštas monetą užstotų. Pažymėkite savo stovėjimo vietą. Į dubenį įpilkite vandens ir grįžkite į ankstesnę stovėjimo vietą. Dabar dubens kraštas turėtų neužstoti monetos, ji bus matoma. Paaiškinkite šį reiškinį ir nubraižykite aiškinamąjį brėžinį.
- Service provided by UAB "Biznio mašinų kompanija" and "Star Cloud OÜ"