Tänään paljastamme, mikä on sähkömagneettisen aallon (ns. valon) taitekulma ja miten sen lait muodostuvat.
Silmä, iho, aivot
Ihmisellä on viisi pääaistia. Lääketieteen tutkijat erottavat jopa yksitoista erilaista tunnetta (esimerkiksi paineen tai kivun tunne). Mutta ihmiset saavat suurimman osan tiedoistaan silmiensä kautta. Jopa yhdeksänkymmentä prosenttia saatavilla olevista faktoista ihmisaivot ovat tietoisia sähkömagneettisina värähtelyinä. Joten ihmiset ymmärtävät kauneutta ja estetiikkaa enimmäkseen visuaalisesti. Valon taitekulmalla on tässä tärkeä rooli.
Aavikko, järvi, sade
Ympäröivä maailma on auringonvalon läpäisevä. Ilma ja vesi muodostavat perustan sille, mistä ihmiset pitävät. Tietysti kuivissa aavikkomaisemissa on karua kauneutta, mutta enimmäkseen ihmiset pitävät kosteudesta.
Ihminen on aina kiehtonut vuoristopurot ja sileät alankoiset joet, tyynit järvet ja meren jatkuvasti kumpuilevat aallot, vesiputouksen roiskeet ja kylmä unelma jäätikköistä. Useammin kuin kerran jokainen on huomannut valon leikin kauneuden ruohokasteessa, huurteen kim altamisen oksilla, sumun maitomaisen valkoisuuden ja matalien pilvien synkän kauneuden. Ja kaikki nämä efektit luodaankiitos säteen taitekulman vedessä.
Silmä, sähkömagneettinen asteikko, sateenkaari
Valo on sähkömagneettisen kentän vaihtelu. Aallonpituus ja sen taajuus määräävät fotonityypin. Värähtelytaajuus määrittää, onko kyseessä radioa alto, infrapunasäde, jonkin henkilön näkyvän värin spektri, ultravioletti-, röntgen- vai gammasäteily. Ihminen pystyy havaitsemaan silmillään sähkömagneettisia värähtelyjä, joiden aallonpituudet vaihtelevat välillä 780 (punainen) - 380 (violetti) nanometriä. Kaikkien mahdollisten a altojen mittakaavassa tämä osa vie hyvin pienen alueen. Eli ihmiset eivät pysty havaitsemaan suurinta osaa sähkömagneettisesta spektristä. Ja kaikki ihmisen ulottuvilla oleva kauneus syntyy tulokulman ja taitekulman välisestä erosta median välisellä rajalla.
Tyhjiö, aurinko, planeetta
Aurinko säteilee fotoneja lämpöydinreaktion seurauksena. Vetyatomien fuusion ja heliumin syntymisen yhteydessä vapautuu v altava määrä erilaisia hiukkasia, mukaan lukien valokvantit. Tyhjiössä sähkömagneettiset aallot etenevät suoraviivaisesti ja suurimmalla mahdollisella nopeudella. Kun valo pääsee läpinäkyvään ja tiheämpään väliaineeseen, kuten maan ilmakehään, se muuttaa etenemisnopeuttaan. Tämän seurauksena se muuttaa etenemissuuntaa. Kuinka paljon määrittää taitekertoimen. Taitekulma lasketaan Snellin kaavalla.
Snellin laki
Hollantilainen matemaatikko Willebrord Snell työskenteli koko elämänsä kulmien ja etäisyyksien parissa. Hän ymmärsi kuinka mitata kaupunkien välisiä etäisyyksiä, kuinka löytää annettupiste taivaalla. Ei ihme, että hän löysi kuvion valon taittumiskulmista.
Lakikaava näyttää tältä:
- 1sin θ1 =n2sin θ2.
Tässä lausekkeessa merkeillä on seuraava merkitys:
- 1 ja n2 ovat keskitason ykkösen (jolta säde putoaa) ja väliaineen 2 (se tulee siihen) taitekertoimia);
- θ1 ja θ2 ovat valon tulokulma ja valon taittumiskulma.
Lain selitykset
Tälle kaavalle on annettava joitain selityksiä. Kulmat θ tarkoittavat asteiden määrää, joka on säteen etenemissuunnan ja valonsäteen kosketuspisteen pinnan normaalin välillä. Miksi normaalia käytetään tässä tapauksessa? Koska todellisuudessa ei ole täysin tasaisia pintoja. Ja normaalin löytäminen mille tahansa käyrälle on melko yksinkertaista. Lisäksi, jos median rajan ja tulevan säteen x välinen kulma tunnetaan tehtävässä, vaadittu kulma θ on juuri (90º-x).
Useimmiten valo tulee harvinaisemmasta (ilmasta) tiheämpään (vesi) väliaineeseen. Mitä lähempänä väliaineen atomit ovat toisiaan, sitä voimakkaammin säde taittuu. Siksi mitä tiheämpi väliaine, sitä suurempi taitekulma. Mutta se tapahtuu myös toisinpäin: valo putoaa vedestä ilmaan tai ilmasta tyhjiöön. Tällaisissa olosuhteissa voi syntyä ehto, jossa n1sin θ1>n2. Eli koko säde heijastuu takaisin ensimmäiseen väliaineeseen. Tätä ilmiötä kutsutaan totaaliseksi sisäiseksiheijastus. Kulmaa, jossa yllä kuvatut olosuhteet esiintyvät, kutsutaan taitekulmaksi.
Mikä määrittää taitekertoimen?
Tämä arvo riippuu vain aineen ominaisuuksista. Esimerkiksi on kiteitä, joille on väliä, missä kulmassa säde tulee sisään. Ominaisuuksien anisotropia ilmenee kahtaistaitteina. On välineitä, joille tulevan säteilyn polarisaatio on tärkeää. On myös muistettava, että taitekulma riippuu tulevan säteilyn aallonpituudesta. Tähän eroon perustuu koe valkoisen valon jakamisesta sateenkaareen prisman avulla. On huomattava, että väliaineen lämpötila vaikuttaa myös säteilyn taitekertoimeen. Mitä nopeammin kiteen atomit värähtelevät, sitä enemmän sen rakenne ja kyky muuttaa valon etenemissuuntaa muuttuvat.
Esimerkkejä taitekertoimen arvosta
Annamme erilaisia arvoja tutuille ympäristöille:
- Suolaa (kemiallinen kaava NaCl) mineraalina kutsutaan "haliittiksi". Sen taitekerroin on 1,544.
- Lasin taitekulma lasketaan sen taitekertoimesta. Materiaalityypistä riippuen tämä arvo vaihtelee välillä 1,487 ja 2,186.
- Timantti on kuuluisa juuri sen valon leikistä. Jalokivikauppiaat ottavat huomioon sen kaikki tasot leikkaaessaan. Timantin taitekerroin on 2,417.
- Epäpuhtauksista puhdistetun veden taitekerroin on 1,333. H2O on erittäin hyvä liuotin. Siksi luonnossa ei ole kemiallisesti puhdasta vettä. Jokainen kaivo, jokainen joki on ominaistakoostumuksensa kanssa. Siksi myös taitekerroin muuttuu. Mutta yksinkertaisten kouluongelmien ratkaisemiseksi voit ottaa tämän arvon.
Jupiter, Saturnus, Callisto
Tähän asti olemme puhuneet maallisen maailman kauneudesta. Niin sanotut normaaliolosuhteet tarkoittavat hyvin tiettyä lämpötilaa ja painetta. Mutta aurinkokunnassa on muitakin planeettoja. Maisemat ovat erilaisia.
Esimerkiksi Jupiterilla on mahdollista havaita argonsumua metaanipilvissä ja heliumin nousussa. Myös röntgenrevontulet ovat siellä yleisiä.
Saturnuksella etaanisumut peittävät vetyilmakehän. Planeetan alemmilla kerroksilla sataa timanttisateita erittäin kuumista metaanipilvista.
Jupiterin kiviisellä jääkuulla Callistolla on kuitenkin sisämeri, jossa on runsaasti hiilivetyjä. Ehkä rikkiä kuluttavat bakteerit elävät sen syvyyksissä.
Ja jokaisessa näistä maisemista valon leikki eri pinnoilla, reunoilla, reunoilla ja pilvissä luo kauneutta.
