REFRACŢIA LUMINII

1. REFRACŢIA LUMINII

2. Observaţi că tulpinile florilor din imagine se văd deformate prin apă, şi par a fi în alt loc decât sunt în realitate. • Fenomenul “responsabil” este refracţia luminii

3. Refracţiaeste schimbarea direcţiei de propagare a unei unde din cauza schimbării vitezei de propagare, cel mai adesea la interfaţa dintre două medii. Cel mai uşor de observat exemplu este în cazul luminii, atunci când aceasta trece dintr-un mediu transparent (aer, apă, sticlă etc.) în altul. La interfaţa dintre două medii, viteza de fază şi lungimea de undă se modifică, unda îşi schimbă direcţia, însă frecvenţarămâne aceeaşi.În optică, pentru studiul refracţiei se foloseşte noţiunea de indice de refracţie, care este direct legată de viteza de propagare.

4. Lentilele şi prismele optice se bazează pe fenomenul de refracţie pentru a modifica direcţia razelor de lumină.Odată cu refracţia are loc şi reflexia, adică o parte a undei se reflectă înapoi în mediul iniţial, după legile obişnuite ale reflexiei (cu excepţia cazului în care unghiul de incidenţă este nul, sau dacă avem de-a face cu materiale speciale, cu indice de refracţie negativ).

5. Schema refracţiei unei raze de lumină

6. normala unghiul de incidenţă i rază reflectată Trimiţând cu o lanternă o rază de lumină (numită raza incidentă) pe suprafaţa apei dintr-un vas, se va remarca o rază refractată (care pătrunde în apă) şi o rază reflectată(care se întoarce în aer). n1 raza incidentă n2 unghiul de refracţie r rază refractată

7. Legea I a refracţiei - normala, şi razele: incidentă, refractată (dar şi raza reflectată) sunt în acelaşi plan. • Legea II a refracţiei n1şi n2 sunt indicii de refracţie, V1şi V2 reprezintă viteza luminii în mediile prin care trece lumina

8. Indicele de refracţie absolut al unui mediu optic este raportul dintre viteza luminii în vid şi viteza luminii în mediul respectiv. Indicele de refracţie absolut a unui mediu optic depinde de lungimea de undă a radiaţiei utilizate.

9. Aer 1,0002926Apă la 100°C 1,31819Apă la 35°C 1,33157Apă la 20°C 1,33335Alcool 1,329Alcool etilic1,36 Material indice de refracţie Listă cu indici de refracţie

10. Quartz topit 1,45843Plastic1,460Sticlă albită1,4890 Plexiglas1,50...1,52Sticlă Crown cu zinc 1,517Sticlă 1,51714Sticlă Crown 1,520 Quartz1,544 Sticlă Flint uşoară 1,58038 Sticlă Flint 1,62725 Sticlă Flint grea 1,65548Sticlă Flint densă 1,66 Sticlă Flint cu lantaniu1,80 Sticlă Flint foarte grea1,89 Diamant 2,417Rutil 2,62

11. n2 =1 Proprietăţile refracţiei 1. Când lumina trece dintr-un mediu cu indice de refracţie mic într-un mediu cu indice de refracţie mare(de exemplu din aer în apă, sau din aer în sticlă) razele de lumină(refractate) se apropie de normală. n2=1,33 normala rază refractată 2. Când lumina trece dintr-un mediu cu indice de refracţie mare într-un mediu cu indice de refracţie mic (de exemplu din apă în aer, sau din sticlă în aer) razele de lumină refractate se îndepărtează de normală. n2 =1 n1=1,33

12. Determinarea indicelui de refracţie Studiul legilor refracţiei

13. 1.Teoria lucrării:Din figura alăturată se calculează raportulcare este egal cun - indicele de refracţie al mediului optic respectiv. A B i I r D C n

14. 2. Materiale necesare:*sursă de lumină * disc optic * piesă semicilindrică ( din sticlă, plexiglas )* riglă gradată * module mobile

15. Pentru un unghi de incidenţă a luminii i = 40º pe un semicilindru din plexiglas, se obţine un unghi de refracţie r= 25º 30’Se calculează indicele de refracţie a plexiglasului pentru aceste date:

16. 3. Modul de lucru:● Modificaţi poziţia discului în planul orizontal ( înclinându-l ) şi observaţi raza incidentă şi cea refractată.● Rotiţi discul împreună cu semicilindrul din sticlă încât unghiul de incidenţă să aibă diferite valori ( 10º, 20º, 30º, 40º, 50º, 60º ) şi măsuraţi valorile corespunzătoare ale unghiului de refracţie.● Măsuraţi segmentele AB şi CD pentru unghiurile de incidenţă şi de refracţie obţinute şi calculaţi rapoartele AB/CD.

17. ● Se repetă măsurătorile pentru semicilindrul din plexiglas. Ce concluzie desprindeţi?● Calculaţi valoarea medie a indicelui de refracţie pentru cele două materiale optice.

18. 4. Rezultatele măsurătorilorI. în cazul semicilindrului din plexiglas nmediu = 1,502

19. 4. Rezultatele măsurătorilorII. în cazul semicilindrului din sticlă nmediu = 1,507

20. ● Ce observaţi în legătură cu valorile raportului AB/ CD pentru toate unghiurile de incidenţă ?● Formulaţi o concluzie!

21. În general, reflexia şi refracţia se produc amândouă odată. În fotografia din imagine, observaţi şi pietrele din apă(prin refracţie),dar şi reflexia cerului pe oglinda apei

22. Reflexia Totală Uneori, reflexia se produce fără refracţie.Acest fenomen se numeşte reflexia totalăşi se produce dacă lumina cade oblic,la un unghi de incidenţă mai mare ca un unghi limită l, pe un mediu cu indice de refracţie mai mic(de exemplu din apăînaer). A În punctul A se produce reflexia totală, iar în punctul B se produce şi reflexie, dar şi refracţie. B

23. Reflexia totală: faţă de suprafaţa curbă a semicilindrului lumina cade perpendicular şi nu este deviată, dar pe suprafaţa interioară are loc reflexia totală, din cauza unghiului de incidenţă şi a proprietăţilor materialului.

24. Efectele refracţiei Mirajul se produce în zile călduroase, în apropierea nisipurilor sau soselelor încălzite de soare. Explicaţia Mirajului: lumina se refractă în straturile de aer cald din apropierea pământului şi ne creează impresia că ar fi o reflexie pe apă.

25. Miraj cald (miraj inferior ): pe autostradă

26. Lumina străbate drumul ABCDE (frânt, datorită refracţiei şi reflexiei totale ), dar ne creează impresia că ar urma drumul EDI.

27. Miraj rece (miraj superior ): Soare dublu pe Lacul Superior, America de Nord

28. Miraj în Kenya

29. Dacă priveşti (pe o direcţie oblică) un obiect aflat în apă, el nu se află exact acolo unde observi tu imaginea ! Eşti derutat de refracţie! De exemplu, dacă o persoană “vede” imaginea obiectului în punctul C(pe direcţia privirii sale), de fapt obiectul este în punctul B. n1 n2 A B C D obiect imagine

30. Creionul pare a fi frânt, din cauza refracţiei luminii la interfaţa dintre apă şi aer.

31. Refracţia luminii la interfaţa apă-aer este responsabilă pentru aparenta discontinuitate a formei obiectului din apă. Este de remarcat faptul că poziţia aparentă este (marcată Y) este la o adâncime mai mică decât poziţia reală (X) a capătului barei).

32. Curcubeuleste un fenomen optic şi meteorologic manifestat prin apariţia spectrului luminos atunci când lumina se refractă prin atmosfera suprasaturată de vapori de apă, de cele mai multe ori apărând după ploaie. Curcubeul ia forma unui arc roşu la exterior şi violet la interior. Secvenţa de culori cea mai acceptată este aceeaşi cu cea a spectrului luminii albe, adică: roşu, portocaliu (oranj), galben, verde, albastru, indigo şi violet (ROGVAIV).

33. Producerea curcubeului

34. Lumina albă se separă în diverse culori (lungimi de undă) atunci când intră într-un strop de apă fiindcă roşul se refractă sub un unghi mai mic decât albastrul. La ieşirea din strop, raza roşie părăseşte stropul sub un unghi mai mic decât unghiul de refracţie al razei albastre, iar separarea culorilor realizează curcubeul, care în final, se produce pe retina privitorului. Uneori apare şi un al doilea curcubeu,mai mic decât primul şi având culorile în ordine inversă,de la violet spre roşu.

35. Curcubeu în Dijon, Franţa

36. Amurg pe Enisei, Siberia

37. Corsica vazută din Nice prin refracţie Foto realizată pe 25 Decembrie 2006 Explicaţia fenomenului cunoscut de astronomi de mult timp şi studiat de Laplace: variaţia indicelui de refracţie în funcţie de densitatea atmosferei duce la curbarea razelor spre sol.

38. Haloul din jurul Soarelui la polul Sud, datorat reflexiei şi refracţiei luminii de către cristalele de gheaţă din atmosferă!Fenomenul poate dura câteva secunde sau câteva ore!

39. Refracţia negativă Legea refracţiei (Snell - Descartes) n1 sin(q1) = n2 sin(q2) q1 > 0 q1 > 0 n1 > 0 n1 > 0 n2 < 0 |n2| > n1 > 0 n2 > n1 > 0 q2 < 0 q2 > 0 Cazul obişnuitCazul refracţiei negative

40. Comportarea lentilelor convexe şi concave Comportare inversă decât in cazul obişnuit (a) Lentila convexă efect divergent (b) Lentila concavă efect convergent Notă: Similar se întâmplăîn microunde şi în domeniul X pentru materialele transparente cu 0 < n < 1 (nu au n < 0)

41. Metamateriale- materiale cu indice de refracţie negativ sau materiale de mâna stângăLeft-Handed Materials sau LHM înenglezăteoretizate de Victor Georgievich Veselago în 1967 , un fizician teoretician rus, profesor la Institutul de Fizică şi Tehnologie din Moscova, şef al Laboratorului de Materiale Magnetice al Institutului de Fizică Generală din Rusia.

42. Aplicaţii potenţiale de mare interes 1. Imagini cu rezoluţie spaţială << l 2. Camuflarea (invizibilitatea) obiectelor - La radar (în microunde) - In vizibil - Ambele direcţii progresează remarcabil şi rapid - Aplicaţiile practice sunt estimate să aparăîn 5 – 10 ani

43. Exemplu de invizibilitate parţială

44. Exemplu de camuflaj vizibil Bombardier Stealth (SUA) – negru (absorbant) în microunde şi vizibil

45. SFÂRŞIT

46. concepţie şi realizare prof. Dymny Dellia-Raissa cu participarea prof. Laurenţiu Roşu realizator al animaţiilor , al unora dintre imagini şi a textului ştiinţific aferent acestora