Legea lui Snell descrie modul în care lumina se îndoaie atunci când trece între medii de diferite densități, cum ar fi din aer în apă sau sticlă. Această îndoire (refracție) este motivul pentru care un pai în apă pare îndoit și de ce lentilele concentrează lumina. Înțelegerea refracției este esențială pentru optică, proiectarea lentilelor și înțelegerea fenomenelor precum mirajele și curcubeele.
Formula
n₁ × sin(θ₁) = n₂ × sin(θ₂)
Unde:
- n₁ = indicele de refracție al primului mediu
- θ₁ = unghi de incidență (de la normal)
- n₂ = indicele de refracție al celui de-al doilea mediu
- θ₂ = unghi de refracție (de la normal)
Unghiurile sunt întotdeauna măsurate de la normală (perpendiculară) la suprafață, nu de la suprafața în sine.
Indici comuni de refracție
| Mediu | Indicele de refracție |
|---|---|
| Vid | 1.0 |
| Aer | 1,0003 ≈ 1,0 |
| Apă | 1.33 |
| Sticlă | 1,5 – 1,9 |
| Diamant | 2.42 |
Indicele de refracție mai mare înseamnă că lumina călătorește mai lent în acel mediu.
Exemplu de lucru
Lumina se deplasează din aer (n=1,0) în apă (n=1,33) la un unghi de incident de 45°.
1.0 × sin(45°) = 1.33 × sin(θ₂)
sin(θ₂) = sin(45°) / 1.33 = 0.707 / 1.33 = 0.531
θ₂ = arcsin(0.531) = 32.1°
Lumina se îndoaie spre normal când intră într-un mediu mai dens. Raza refractată este mai aproape de normală (32,1°) decât raza incidentă (45°).
Unghiul critic și reflexia internă totală
Când lumina călătorește de la un mediu mai dens la un mediu mai puțin dens (de exemplu, sticlă în aer), există un unghi critic dincolo de care lumina nu se refractă, ci se reflectă în întregime înapoi. Aceasta este o reflecție internă totală:
sin(θc) = n₂ / n₁
Pentru sticlă (n=1,5) la aer (n=1,0):
θc = arcsin(1.0 / 1.5) = 41.8°
Unghiurile incidente mai mari de 41,8° cauzează reflexie internă totală. Acest principiu permite fibrei optice să capteze lumina.
Aplicații
Lentile: Forma lentilei și indicele de refracție lucrează împreună pentru a focaliza sau a diverge lumina. Refracția mai puternică (n mai mare) înseamnă că lentilele mai subțiri pot atinge aceeași distanță focală.
Prisme: Refracția la diferite lungimi de undă (dispersie) separă lumina albă într-un spectru.
Fibră optică: Reflexia internă totală conține semnale luminoase în cablurile de fibră optică.
Sfaturi
Măsurați întotdeauna unghiurile față de normal, nu de suprafață. Când lumina intră într-un mediu mai dens, se îndoaie spre normal. Când iese dintr-un mediu mai dens, se îndoaie de la normal. Această asimetrie este motivul pentru care piscinele par mai puțin adânci decât sunt.
Utilizați Calculatorul de refracție a legii lui Snell pentru a găsi instantaneu unghiurile de refracție.