Wykªad 9
Fizyka (Informatyka - EEIiA 2008/09)
02 12 2008
c
Mariusz Krasi«ski 2008
Spis tre±ci
1
1.1 Wªasno±ci fali elektromagnetycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2 Fala elektromagnetyczna w o±rodku materialnym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3
2.1 Podczas rozpraszania ±wiatªo ulega polaryzacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2 Aktywno±¢ optyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3 Polaryzator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.4 Dwójªomno±¢ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.5 Polaryzacja pomaga zobaczy¢ napr¦»enia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.6 Zjawiska na granicy dwóch o±rodków. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3 Elementy optyki geometrycznej
9
3.1 Prawo zaªamania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.2 Zasada Huygensa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.3 Zaªamanie falowo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.4 Odchylenie promienia... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
UWAGA! Wi¦kszo±¢ rysunków wymaga wªasnor¦cznego dopisania oznacze«! Wyliczenia zamieszczone w
ramkach stanowi¡ materiaª uzupeªniaj¡cy.
Lektura uzupeªniaj¡ca:
M. Krasi«ski, Fale rozdziaª 11 (strony 267-300) w skrypcie pt. Wst¦p do analizy matematycznej i wybranych
dziaªów zyki, red. A. Just, Wyd. Polit. ódzkiej, ód¹ 2007.
1 Fale elektromagnetyczne
1.1 Wªasno±ci fali elektromagnetycznej
Wymie«my kilka cech fali elektromagnetycznej, które b¦d¡ przydatne przy omawianiu zagadnie« z optyki.
•
ródªem fali elektromagnetycznej jest przyspieszaj¡cy ªadunek (na przykªad ªadunek poruszaj¡cy si¦
ruchem harmonicznym ale tak»e ªadunek poruszaj¡cy si¦ ze staª¡ co do warto±ci pr¦dko±ci¡ po okr¦gu!)
•
Fala elektromagnetyczna jest fal¡ poprzeczn¡
•
W punkcie, do którego dociera fala, nat¦»enie pola elektrycznego zmienia si¦ zgodnie z relacj¡
E = E
0
cos(ωt − kx)
(1.1)
(a dokªadniej zmienia si¦ zarówno warto±¢ jak i zwrot). Wynika z tego, »e ka»dy punkt do którego dociera
fala mo»na sobie wyobrazi¢ jako punkt znajduj¡cy si¦ pomi¦dzy okªadkami kondensatora, na których
periodycznie zamieniamy ªadunki: dodatnie-ujemne.
1
1.1 Wªasno±ci fali elektromagnetycznej
1 FALE ELEKTROMAGNETYCZNE
•
Drgaj¡cy ªadunek nie promieniuje we wszystkich kierunkach jednakowo. W kierunku, w którym drga
ªadunek, fala elektromagnetyczna nie rozchodzi si¦.
•
G¦sto±¢ strumienia energii (ilo±¢ energii przez jednostk¦ powierzchni, w jednostce czasu) przenoszonej
przez pªask¡ fal¦ elektromagnetyczn¡, rozchodz¡c¡ si¦ w kierunku osi z, wynosi
S = c
0
E
2
0
cos
2
(kz − ωt + δ)ˆ
z
(1.2)
Z uwagi na du»¡ cz¦stotliwo±¢ fali ±wietlnej (T ∼ 10
−15
s), w praktycznych zastosowaniach, znacznie
wa»niejsze s¡ dla nas warto±ci ±rednie po caªym cyklu (okresie). rednia warto±¢ kwadratu cosinusa
po caªym okresie wynosi 1/2. Z równania (1.2) wynika wi¦c, »e ±rednia moc na jednostk¦ powierzchni
przenoszona przez fal¦ elektromagnetyczn¡ (nazywana nat¦»eniem fali I) wynosi
I ≡ hSi =
1
2
c
0
E
2
0
(1.3)
1.1.1 Fala elektromagnetyczna w pró»ni
Je±li nie rozumiesz przeksztaªce« matematycznych, nie przejmuj si¦. Wªa±ciwie nie
powiniene± ich rozumie¢ i nie b¦d¡ wymagane na egzaminie. Postaraj si¦ jednak zrozumie¢
chocia» ogóln¡ ide¦ tego wyprowadzenia
Równania Maxwella w pró»ni maj¡ nast¦puj¡c¡ posta¢
~
∇ · ~
E = 0
(1.4)
~
∇ · ~
B = 0
(1.5)
~
∇ × ~
E = −
∂ ~
B
∂t
(1.6)
~
∇ × ~
B = µ
0
0
∂ ~
E
∂t
(1.7)
Je±li wykonamy rotacj¦ obu stron równania (1.6) wtedy otrzymamy
~
∇ × (~
∇ × ~
E) = ~
∇ ×
−
∂ ~
B
∂t
!
(1.8)
Po zastosowaniu to»samo±ci, któr¡ mo»na znale¹¢ w podr¦cznikach matematyki, równanie
(1.8) przyjmie posta¢
~
∇(~
∇ · ~
E) − ∇
2
~
E = −
∂
∂t
( ~
∇ × ~
B)
(1.9)
Je±li w równaniu (1.9) wykorzystamy dwa z równa« Maxwella (1.4) i (1.7) wtedy otrzy-
mamy
−∇
2
~
E = −
∂
∂t
µ
0
0
∂ ~
E
∂t
!
albo, po wyª¡czeniu staªych przed symbol pochodnej
∇
2
~
E = µ
0
0
∂
2
~
E
∂t
2
(1.10)
Równanie (1.10) to oczywi±cie równanie falowe. W takim razie w pró»ni mog¡ si¦ roz-
chodzi¢ fale elektromagnetyczne. Z poprzednich wykªadów wiemy, »e staªa po prawej
stronie równania (1.10) jest odwrotno±ci¡ kwadratu pr¦dko±ci fazowej takiej fali
1
v
2
= µ
0
0
St¡d pr¦dko±¢ fazowa fali elektromagnetycznej w pró»ni ma warto±¢
v =
1
√
µ
0
0
c
Mariusz Krasi«ski 2008
2
1.2 Fala elektromagnetyczna w o±rodku materialnym
2 POLARYZACJA
1.2 Fala elektromagnetyczna w o±rodku materialnym
Dla opisu rozchodzenia si¦ fali w o±rodku materialnym stosujemy cz¦sto tak zwany oscylatorowy model o±rodka.
Przechodz¡ca przez o±rodek fala napotyka na swej drodze ªadunki, które usiªuje wprawi¢ w drgania harmoniczne.
Te drgaj¡ce ªadunki traktujemy jako oscylatorki. Mo»emy opisa¢ ruch tych oscylatorków jako ruch harmoniczny
wymuszony z tªumieniem.
Rysunek 1: Oscylatorowy model o±rodka
Oscylatorki same staj¡ si¦ ¹ródªami fal elektromagnetycznych, które nakªadaj¡ si¦ na fal¦ oryginaln¡. Pami¦ta-
jmy jednak, »e w przypadku ruchu harmonicznego wymuszonego z tªumieniem, pomi¦dzy faz¡ siªy wymuszaj¡cej
a faz¡ wymuszanego drgania wyst¦puje przesuni¦cie fazowe. W takim razie, pomi¦dzy faz¡ fali oryginalnej i
wtórnej (generowanej przez oscylatorek) tak»e wyst¦puje przesuni¦cie fazowe.
Ostatecznie takie nakªadanie si¦ fal prowadzi do efektu rejestrowanego jako zmiana pr¦dko±ci rozchodzenia si¦
fali ±wietlnej w o±rodku. Dokªadniejsze omówienie tego efektu mo»na znale¹¢ w podr¦cznikach optyki. Dla
naszych celów, na razie wystarczy nam tylko infomacja, »e pr¦dko±¢ ulega zmianie. T¦ zmian¦ pr¦dko±ci opisuje
wielko±¢ zwan¡ wspóªczynnikiem zaªamania ±wiatªa w danym o±rodku. Jest on deniowany jako
n =
c
v
(1.11)
gdzie c jest pr¦dko±ci¡ ±wiatªa w pró»ni, za± v pr¦dko±ci¡ ±wiatªa w o±rodku.
2 Polaryzacja
Poniewa» fala elektromagnetyczna jest fal¡ poprzeczn¡, to opisuj¡c j¡ trzeba okre±li¢ kierunek (a dokªadniej
pªaszczyzn¦) drga«. Podanie polaryzacji fali oznacza wªa±nie podanie pªaszczyzny jej drga«. (Uwaga! Dla fali
podªu»nej jest tylko jedna mo»liwo±¢ drga«, wi¦c poj¦cie polaryzacji wªa±ciwie nie ma sensu)
•
wiatªo niespolaryzowane to wiele fal (które nie musz¡ by¢ w fazie) posiadaj¡cych ró»ne pªaszczyzny
polaryzacji. aden kierunek drga« nie jest wyró»niony.
•
wiatªo spolaryzowane. Wszystkie fale maj¡ t¦ sa m¡ pªaszczyzn¦ drga«.
Stopie« polaryzacji
s =
I
max
− I
min
I
max
+ I
min
(2.1)
gdzie......................
2.1 Podczas rozpraszania ±wiatªo ulega polaryzacji
Kiedy ±wiatªo rozprasza si¦, na przykªad na cz¡stkach kurzu w powietrzu, wtedy ulega polaryzacji. Dodatkowo,
polaryzacja ±wiatªa rozproszonego zale»y od kierunku rozproszenia.
c
Mariusz Krasi«ski 2008
3
2.2 Aktywno±¢ optyczna
2 POLARYZACJA
Rysunek 2: wiatªo rozproszone jest spolaryzowane
2.1.1 Dlaczego wida¢ promie« ±wiatªa
Tylko dzi¦ki rozpraszaniu.
2.1.2 Dlaczego niebo jest niebieskie?
Im mniejsza dªugo±¢ fali, tym bardziej rozprasza si¦ ona na obiektach w atmosferze. Wynika z tego, »e ±wiatªo
niebieskie znacznie bardziej si¦ rozprasza ni» czerwone. A kiedy patrzymy w niebo to wªa±nie widzimy ±wiatªo
rozproszone. (Na Ksi¦»ycu niebo jest czarne bo ±wiatªo nie ma si¦ na czym rozproszy¢!)
2.2 Aktywno±¢ optyczna
Niektóre substancje (na przykªad roztwór cukru) s¡ w stanie skr¦ca¢ pªaszczyzn¦ polaryzacji fali, która przez
nie przechodzi. Nazywamy je substancjami aktywnymi optycznie. Takie zjawisko przedstawione jest na rysunku
poni»ej.
Rysunek 3: Podczas przechodzenia przez o±rodek aktywny optycznie pªaszczyzna polaryzacji ulega stopniowemu
obrotowi.
W przypadku roztworów aktywnych optycznie, k¡t skr¦cenia α jest proporcjonalny do drogi przebytej w o±rodku
(d) oraz st¦»enia roztworu C .
α = kαC
gdzie k jest tak zwanym wspóªczynnikiem skr¦calno±ci (skr¦calno±ci¡ wªa±ciw¡) substancji.
Cz¡steczki substancji aktywnych optycznie maj¡ specyczn¡ budow¦ a dokªadniej specyczny brak symetrii
(chiralno±¢). Je±li starczy czasu, omówimy to troch¦ dokªadniej na wykªadzie.
2.3 Polaryzator
2.3.1 Która polaryzacja jest przepuszczana?
Jeden z najbardziej popularnych typów polaryzatorów wygl¡da jak szara pªytka szklana. W rzeczywisto±ci,
najcz¦±ciej s¡ to dwie pªytki szklane, pomi¦dzy którymi znajduje si¦ folia polaryzacyjna. Jej dziaªanie opiera
si¦ na pochªanianiu fal o niewªa±ciwej polaryzacji. Budulcem tej folii s¡ dªugie, uªo»one równolegle cz¡steczki,
w których elektrony maj¡ znacznie wi¦ksz¡ swobod¦ poruszania si¦ wzdªu» dªugiej osi cz¡steczek. Wªa±nie fale
o polaryzacji równolegªej do tych cz¡steczek s¡ silnie pochªaniane. Fale o polaryzacji prostopadªej do cz¡steczek
przechodz¡ bez przeszkód (prawie).
c
Mariusz Krasi«ski 2008
4
2.4 Dwójªomno±¢
2 POLARYZACJA
Rysunek 4: Zasada dziaªania polaryzatora foliowego
2.3.2 Prawo Malusa
Na rysunku poni»ej, ±wiatªo o pionowej polaryzacji wychodzi z kartki do naszego oka. Czarny prostok¡t oznacza
kraw¦d¹ pªaszczyzny przepuszczania polaryzatora (polaryzator le»y na kartce).
Rysunek 5: Ilustracja do prawa Malusa. Dopisz obja±nienia na wykªadzie.
Wektor nat¦»enia pola elektrycznego ~
E
0
fali oryginalnej mo»emy rozªo»y¢ na skªadowe: równolegª¡ i prostopadª¡
do pªaszczyzny przepuszczania polaryzatora. Oczywi±cie tylko skªadowa równolegªa przejdzie przez polaryzator.
Jej amplituda, zgodnie z rysunkiem powy»ej, b¦dzie wynosi¢:
E = E
0
cos(φ)
(2.2)
Poniewa» z wcze±niejszych fragmentów wykªadu (równanie 1.3) wiemy, »e nat¦»enie fali jest proporcjonalne do
kwadratu jej amplitudy
I ∝ E
2
(2.3)
wi¦c z (2.2) i (2.3) otrzymujemy
I = I
0
cos
2
(φ)
(2.4)
Stosuj¡c to prawo pami¦taj, »e ±wiatªo o nat¦»eniu I
0
musi by¢ caªkowicie spolaryzowane. Je±li ±wiatªo caªkowicie
niespolaryzowane pada na idealny polaryzator to nat¦»enie wi¡zki wychodz¡cej wynosi I =
1
2
I
0
. Dlatego wªa±nie
taki polaryzator wydaje si¦ szary.
2.4 Dwójªomno±¢
Gdy ±wiatªo przechodzi przez niektóre krysztaªy (na przykªad krysztaª kalcytu) zaobserwowa¢ mo»na dziwne
zjawisko zwane dwójªomno±ci¡. Promie« ±wiatªa rozdziela si¦ na dwa promienie biegn¡ce ró»nymi drogami.
Promienie te s¡ spolaryzowane. Plaszczyzny ich polaryzacji s¡ prostopadªe.
Rysunek 6: Bieg promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego w krysztale dwójªomnym.
c
Mariusz Krasi«ski 2008
5
2.5 Polaryzacja pomaga zobaczy¢ napr¦»enia.
2 POLARYZACJA
Efekt wyst¦puje w o±rodkach, w których wspóªczynnik zaªamania ±wiatªa jest anizotropowy. To oznacza, »e
pr¦dko±¢ rozchodzenia si¦ ±wiatla w ró»nych kierunkach jest ró»na. Dodatkowo charakterystyka rozchodzenia
si¦ ±wiatªa musi zale»e¢ od polaryzacji ±wiatªa. wiatªo musi pada¢ na krysztaª w szczególny sposób. Kierunek
padania ±wiatla musi by¢ uko±ny do kierunku osi optycznej krysztaªu (patrz rysunek poni»ej). O± optyczna to
kierunek, w którym wspóªczynniki zaªamania ±wiatªa dla obu polaryzacji s¡ jednakowe.
Rysunek 7: Ilustracja do wyja±nienia zjawiska dwójªomno±ci. Szczegóªowy opis powy»szego rysunku podany
zostanie na wykªadzie. Dodaj opisy samodzielnie.
Aby wyja±ni¢ sposób rozchodzenia si¦ promienia nadzwyczajnego musimy znowu przypomnie¢ sobie zasad¦
Huygensa
Ka»dy punkt, do którego dociera fala staje si¦ ¹ródªem fali kulistej.
Rysunek 8: Rysunek wyja±nia dlaczego dwa promienie pod¡»aj¡ innymi drogami, a jeden z nich zdaje si¦ nie
stosowa¢ do reguª rozchodzenia si¦ ±wiatªa. D
odaj opisy.
2.5 Polaryzacja pomaga zobaczy¢ napr¦»enia.
Dzi¦ki zastosowaniu metod polaryzacyjnych (elastooptyka) mo»emy zobaczy¢ napr¦»enia wyst¦puj¡ce w ciaªach
przezroczystych. W tym celu mo»emy wykorzysta¢ dwa zjawiska zyczne, które wyst¦puj¡ gdy w ciele wyst¡pi¡
napr¦»enia.
2.5.1 Wymuszona aktywno±¢ optyczna
Niektóre materiaªy na skutek wyst¦puj¡cych w nich napr¦»e« staj¡ si¦ aktywne optycznie.
c
Mariusz Krasi«ski 2008
6
2.6 Zjawiska na granicy dwóch o±rodków.
2 POLARYZACJA
Rysunek 9: Wymuszona aktywno±¢ optyczna. Dodaj opisy na wykªadzie.
2.5.2 Wymuszona dwójªomno±¢ optyczna
Niektóre materiaªy na skutek wyst¦puj¡cych w nich napr¦»e« staj¡ si¦ dwójªomne optycznie.
Rysunek 10: Wymuszona dwójªomno±¢ optyczna. Dodaj opisy na wykªadzie.
2.6 Zjawiska na granicy dwóch o±rodków.
2.6.1 Okulary polaryzacyjne
W sklepach mo»na kupi¢ okulary polaryzacyjne. Okulary te pomagaj¡ likwidowa¢ odbªyski od wody, lodu czy
innych gªadkich powierzchni.
Rysunek 11: Dlaczego okulary polaryzacyjne likwiduj¡ odblaski?
Aby zrozumie¢ dlaczego takie okulary likwiduj¡ odbªyski musimy najpierw zrozumie¢ co si¦ dzieje kiedy ±wiatªo
odbija si¦ od granicy o±rodków przezroczystych.
2.6.2 Odbicie ±wiatªa od o±rodków przezroczystych
Kiedy fala elektromagnetyczna pada na granic¦ dwóch o±rodków, cz¦±¢ fali si¦ odbija a cz¦±¢ zaªamuje. Je±li
wykorzystamy warunki ci¡gªo±ci nat¦»enia pola elektrycznego i magnetycznego na granicy o±rodków wtedy
mo»emy wyliczy¢ amplitud¦ fali odbitej i zaªamanej w zale»no±ci od pªaszczyzny polaryzacji fali.
Gdy wektor pola elektrycznego zawiera si¦ w pªaszczy¹nie padania
c
Mariusz Krasi«ski 2008
7
2.6 Zjawiska na granicy dwóch o±rodków.
2 POLARYZACJA
Rysunek 12: Wektor pola elektrycznego fali padaj¡cej zawiera si¦ w pªaszczy¹nie padania. Dopisz opisy do tego
rysunku na wykªadzie.
wtedy otrzymamy:
E
odb
=
n cos α −
q
1 −
sin
2
α
n
2
n cos α +
q
1 −
sin
2
α
n
2
E
pad
(2.5)
Zauwa»my, »e E
odb
mo»e si¦ równa¢ zero. (Zobacz te» rysunek 13).
Mo»na pokaza¢ (Dodatek 2.6.3), »e E
odb
b¦dzie równe zero je±li speªniony b¦dzie warunek
α + β =
π
2
(2.6)
To jest znany warunek na k¡t Brewstera (α)!
Dla pola elektrycznego równolegªego do powierzchni odbijaj¡cej
E
0
odb
=
cos α −
p
n
2
− sin
2
α
cos α +
p
n
2
− sin
2
α
E
0
pad
(2.7)
Mo»na wykaza¢, »e nie ma takiego k¡ta padania dla którego E
0
odb
= 0
. Tak wi¦c ta skªadowa polaryzacji nigdy
nie znika w ±wietle odbitym.
Rysunek 13: Nat¦»enie i stopie« polaryzacji ±wiatªa odbitego w funkcji k¡ta padania fali ±wietlnej. Dodaj opisy
na wykªadzie.
Mo»emy wi¦c zaobserwowa¢, »e je±li ±wiatªo pada na granic¦ o±rodków pod k¡tem Brewstera, wtedy odbite
±wiatªo jest caªkowicie spolaryzowane w jednej pªaszczy±nie
c
Mariusz Krasi«ski 2008
8
3 ELEMENTY OPTYKI GEOMETRYCZNEJ
2.6.3 Dodatek (K¡t Brewstera)
Aby E
odb
, wyst¦puj¡ce w równaniu (2.5) byªo równe zero, licznik wyra»enia (2.5) musi
by¢ równy zero co b¦dzie miaªo miejsce gdy speªniony b¦dzie warunek:
n cos α =
s
1 −
sin
2
α
n
2
(2.8)
Poniewa» z prawa zaªamania
n =
sin α
sin β
(2.9)
wi¦c po podstawieniu (2.9) do (2.8) otrzymamy:
n cos α = cos β
(2.10)
Korzystaj¡c ponownie z prawa zaªamania i równania (2.10) mamy:
n =
sin α
sin β
=
cos β
cos α
sin α cos α = sin β cos β
2 sin α cos α = 2 sin β cos β
sin(2α) = sin(2β)
(2.11)
Rozwi¡zanie równania (2.11) postaci α = β nie jest dobrym rozwi¡zaniem gdy» wtedy
z (2.10) otrzymujemy
n cos α = cos α
i
n = 1
Dlaczego to jest bez sensu?
Lepsze rozwi¡zanie równania (2.11) to:
2α = π − 2β
czyli
α + β =
π
2
(2.12)
To jest wªa±nie warunek na k¡t Brewstera!
Rozpatrzmy na koniec przypadek ±wiatªa padaj¡cego prostopadle na granic¦ o±rodków
α = β = 0
(2.13)
Podstawiaj¡c relacj¦ (2.13) do równa« (2.5) i (2.7) i pami¦taj¡¢, »e I ∼ E
2
otrzymamy:
I
odb
=
n − 1
n + 1
2
I
pad
(2.14)
Na podstawie (2.14) wspóªczynnik odbicia R dla promienia padaj¡cego prostopadle na granic¦ o±rodków wynosi:
R =
I
odb
I
pad
=
n − 1
n + 1
2
(2.15)
Podstawiaj¡c do (2.15) typowe dane dla szkªa (n ≈ 1, 5), otrzymamy
R =
1, 5 − 1
1, 5 + 1
2
=
0, 5
2, 5
2
= 0, 04
3 Elementy optyki geometrycznej (materiaª powtórzeniowy i dodatkowy)
3.1 Prawo zaªamania
Rysunek 14: Prawo zaªamania.
c
Mariusz Krasi«ski 2008
9
3.2 Zasada Huygensa
3 ELEMENTY OPTYKI GEOMETRYCZNEJ
sin α
sin β
=
v
1
v
2
=
n
2
n
1
Aby uzasadni¢ to prawo musimy rozpatrywa¢ ±wiatªo jako fal¦
3.2 Zasada Huygensa
Ka»dy punkt do którego dociera fala staje si¦ ±ródªem fali kulistej.
3.3 Zaªamanie falowo
Przypomnij sobie jak skr¦ca czoªg albo ci¡gnik g¡siennicowy.
Rysunek 15: Falowe wyja±nienie prawa zaªamania.
Odcinki AA
0
oraz BB
0
przebywane s¡ w jednakowym czasie (czoªo fali ª¡czy punkty fali posiadaj¡ce jednakow¡
faz¦) ale z ró»n¡ pr¦dko±ci¡ (ró»ne o±rodki)
AA
0
= v
2
t
(3.1)
BB
0
= v
1
t
(3.2)
Na podstawie rysunku powy»ej i równa«: (3.1), (3.2) mo»emy zapisa¢
sin α =
BB
0
AB
0
=
v
1
t
AB
0
(3.3)
sin β =
AA
0
AB
0
=
v
2
t
AB
0
(3.4)
Po podzieleniu równa« (3.3) oraz (3.4) stronami otrzymamy prawo zaªamania
sin α
sin β
=
v
1
t
AB
0
v
2
t
AB
0
=
v
1
v
2
=
c/n
1
c/n
2
=
n
2
n
1
3.4 Odchylenie promienia w o±rodku o zmiennym wspóªczynniku zaªamania
Rysunek 16: Je±li w naczyniu znajduje si¦ substancja, w której wyst¡puje pionowy gradient wspóªczynnika zaªa-
mania wtedy nawet promie« ±wiatªa padaj¡cy prostopadle na granic¦ powietrze-substancja ulega zakrzywieniu.
K¡t o jaki odchyli si¦ promie« ±wiatªa mo»na wyliczy¢ z zale»no±ci:
tgα = L
dn
dy
(3.5)
gdzie L jest grubosci¡ o±rodka za± o± y jest pionowa. Wzór obowi¡zuje dla maªych k¡tów α
c
Mariusz Krasi«ski 2008
10
3.4 Odchylenie promienia...
3 ELEMENTY OPTYKI GEOMETRYCZNEJ
Wyprowadzenie zale»no±ci (3.5)
Rysunek 17: Rysunek ilustruj¡cy wyprowadzenie wzoru (3.5).
Na podstawie rysunku 17, ªatwo zauwa»y¢, »e
tgα =
BD
BF
(3.6)
FD jest czoªem fali wi¦c
t
AD
= t
EF
Czas t
EF
mo»na zapisa¢ jako
t
AB
+ t
BD
= t
EF
czyli
L
v
A
+
BD
c
=
L
v
E
(3.7)
gdzie
AB = EF = L
(3.8)
Korzystaj¡c z denicji wspóªczynnika zaªamania ±wiatªa n = c/v mo»emy równanie (3.7) zapisa¢
w postaci
Ln
A
c
+
BD
c
=
Ln
E
c
(3.9)
Z równania (3.9) mo»emy wyliczy¢ dªugo±¢ odcinka BD. Wynosi ona
BD = L(n
E
− n
A
)
(3.10)
Podstawiaj¡c do równania (3.6) wyliczon¡ z równania (3.10) warto±¢ BD oraz bior¡c pod
uwag¦ zale»no±¢ (3.8), otrzymujemy
tgα =
BD
BF
=
L(n
E
− n
A
)
EA
(3.11)
Ostatecznie, wzór (3.11) mo»emy zapisa¢ w ogólnej postaci
tgα = L
dn
dy
(3.12)
gdzie o± y, na rysunku 17 jest pionowa. Pami¦taj, »e wzór (3.12) obowi¡zuje wyª¡cznie dla maªych
k¡tów α.
Rysunek 18: Metoda cieniowa wykorzystuje zagi¦cie promienia ±wiatªa w o±rodku o zmiennym wspóªczynniku
zaªamania.
c
Mariusz Krasi«ski 2008
11