fizikzauglom

เกรด 11 · เลนส์

การสะท้อนและการหักเหของแสง

กฎการสะท้อน การหักเห และการสะท้อนกลับหมด

24 นาที13 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ช้อนส่วนที่อยู่ใต้น้ำดูเหมือนเลื่อนตำแหน่ง เพราะแสงจากช้อนเปลี่ยนทิศทางที่ผิวน้ำ เราจะเขียนเส้นทางจริงของรังสี แล้วตรวจสอบว่าแสงออกจากน้ำหรือแก้วได้ที่มุมใดบ้าง

ช้อนดูเหมือนหักงอวัดมุมจากเส้นใด?ควรวัดมุมอย่างไร?
ช้อนในแก้วดูเหมือนหักงอที่ผิวน้ำ ก่อนคำนวณมุม เราต้องกำหนดว่าจะวัดจากเส้นใด

เริ่มวัดมุมจากเส้นใด

รังสีจากจุดใต้น้ำเดินทางมาถึงผิวน้ำ ก่อนเปรียบเทียบทิศทางของรังสีทั้งสองด้าน ให้ลากเส้นแนวฉากซึ่งตั้งฉากกับผิวที่จุดตกกระทบ เราวัดมุมตกกระทบ α มุมสะท้อน β และมุมหักเห γ จากเส้นนี้ มุมที่วัดจากผิวกับมุมที่วัดจากเส้นแนวฉากรวมกันได้ 90° ดังนั้นรังสีที่เอียงเท่ากันอาจบอกมุมได้สองค่า หากเริ่มวัดจากเส้นผิด แม้ใช้สูตรถูกก็จะคำนวณผิด

ทุกมุมวัดจากเส้นแนวฉากเส้นแนวฉากαβγ90° − αรวมกับมุมที่ผิวได้ 90°
ลากเส้นแนวฉากที่จุดตกกระทบ แล้ววัดมุมตกกระทบ มุมสะท้อน และมุมหักเหจากเส้นนี้ มุมที่วัดจากผิวกับมุมที่วัดจากเส้นแนวฉากรวมกันได้เก้าสิบองศา

การสะท้อน

แสงบางส่วนอาจสะท้อนกลับเข้าสู่ตัวกลางเดิม สำหรับการสะท้อน \alpha=\beta โดยรังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นแนวฉากอยู่ในระนาบเดียวกัน เขียนมุมเท่ากันคนละด้านของเส้นแนวฉาก และให้ลูกศรรังสีสะท้อนชี้ออกจากผิว หากตกกระทบตามแนวฉาก แสงจะย้อนกลับตามแนวเดิม เมื่อเพิ่ม α เป็นมุมเท่าใด β ก็เพิ่มเท่ากัน แต่มุมที่ทำกับผิวจะลดลง

αβα = β
รังสีตกกระทบและรังสีสะท้อนทำมุมเท่ากันกับเส้นแนวฉากของกระจก เส้นแนวฉากตั้งฉากกับผิว ส่วนมุมที่วัดจากผิวไม่ได้แสดงในรูปนี้

ดัชนีหักเหของแต่ละตัวกลาง

สารโปร่งใสทำให้อัตราเร็วของแสงต่างจากในสุญญากาศ ดัชนีหักเหสัมบูรณ์ n_i=c/v_i เปรียบเทียบอัตราเร็วทั้งสอง โดย n₁ เป็นของตัวกลางที่รังสีตกกระทบเดินทางมา และ n₂ เป็นของตัวกลางที่แสงจะเข้าไป อัตราส่วนนี้ไม่มีหน่วย ถ้า n₂ มากกว่า n₁ แล้ว v₂ จะน้อยกว่า v₁ ค่าดัชนีนี้เป็นค่าที่ความถี่หนึ่ง ๆ จึงอาจต่างกันสำหรับแสงแต่ละสี ดัชนีหักเหมากกว่าไม่ได้หมายความว่าตัวกลางต้องมีความหนาแน่นมวลมากกว่า

n = c / vสุญญากาศcตัวกลางv < cn ไม่มีหน่วยสุญญากาศ: n = 1n มากขึ้น —แสงช้าลง
ดัชนีหักเหสัมบูรณ์เปรียบเทียบอัตราเร็วแสงในสุญญากาศกับอัตราเร็วในสาร ค่านี้ไม่มีหน่วย ยิ่งดัชนีมาก แสงยิ่งเดินทางช้าในตัวกลางนั้น

รังสีเปลี่ยนทิศทาง

เมื่อหน้าคลื่นเข้าหาผิวรอยต่อแบบเอียง แต่ละส่วนจะข้ามรอยต่อไม่พร้อมกัน ส่วนแรกเปลี่ยนอัตราเร็วแล้ว ขณะที่อีกส่วนยังอยู่ในตัวกลางเดิม หน้าคลื่นจึงหมุนและรังสีหักเหตาม n_1\sin\alpha=n_2\sin\gamma เมื่อ n₂>n₁ รังสีเบนเข้าหาเส้นแนวฉาก เมื่อ n₂<n₁ รังสีเบนออกจากเส้นแนวฉาก หากยังมีรังสีส่งผ่านได้ ที่ α=0 ทุกส่วนข้ามรอยต่อพร้อมกัน ทิศทางจึงคงเดิมแม้อัตราเร็วจะเปลี่ยน

อากาศแก้วαγn₂ > n₁n₁ sin α = n₂ sin γ
เมื่อแสงเดินทางจากอากาศเข้าสู่แก้ว อัตราเร็วจะลดลง ถ้าตกกระทบแบบเอียง รังสีจะเบนเข้าหาเส้นแนวฉาก แต่ถ้าตกกระทบตามแนวฉาก ทิศทางจะคงเดิม ความถี่ไม่เปลี่ยนและความยาวคลื่นลดลง มุมสัมพันธ์กันตาม n₁ sin α = n₂ sin γ

ดัชนีหักเหสัมพัทธ์

บางครั้งการเปรียบเทียบสองตัวกลางโดยตรงสะดวกกว่า จึงใช้ดัชนีหักเหสัมพัทธ์ n=n_2/n_1=v_1/v_2 ซึ่งไม่ได้เท่ากับดัชนีสัมบูรณ์ n₂ เสมอไป สำหรับการตกกระทบแบบเอียง \sin\alpha/\sin\gamma=n เมื่อสลับตัวกลาง ดัชนีสัมพัทธ์จะเป็นส่วนกลับ และมุมใหญ่กับมุมเล็กสลับบทบาทกัน เมื่อตกกระทบตามแนวฉาก อัตราส่วนไซน์เป็น 0/0 จึงต้องใช้สมการเดิม n₁ sin α=n₂ sin γ แทนอัตราส่วนนี้

n = n₂ / n₁ = v₁ / v₂n₂n₁= nsin α / sin γ = nที่นี่ n คือดัชนีสัมพัทธ์อย่าสับสนกับดัชนีสัมบูรณ์
ในสมการนี้ n เป็นดัชนีหักเหของตัวกลางที่สองเทียบกับตัวกลางแรก: n = n₂/n₁ = v₁/v₂ สัญลักษณ์ n ยังใช้แทนดัชนีสัมบูรณ์ได้ด้วย จึงต้องตรวจสอบว่าโจทย์กำหนดความหมายใด

ความถี่ที่รอยต่อ

ที่รอยต่อซึ่งอยู่นิ่ง ความถี่คลื่นคงเดิม มิฉะนั้นการสั่นสองด้านของรอยต่อจะค่อย ๆ ไม่สอดคล้องกันตามเวลา จาก v=λν ได้ \lambda_1/\lambda_2=v_1/v_2=n_2/n_1 ในตัวกลางที่มีดัชนีสัมบูรณ์มากกว่า แสงเดินทางช้าลงและความยาวคลื่นสั้นลง ก่อนเปรียบเทียบต้องเขียน λ ทั้งสองด้วยหน่วยเดียวกัน การเปลี่ยนความยาวคลื่นขณะหักเหไม่ได้หมายความว่าความถี่ของแหล่งกำเนิดเปลี่ยน

ความถี่เดิม ความยาวคลื่นเปลี่ยนn₁ น้อยกว่าn₂ มากกว่าλ₁λ₂ความถี่คงเดิมλ₁ / λ₂ = v₁ / v₂ = n₂ / n₁
เมื่อแสงข้ามรอยต่อ ความถี่คงเดิม แต่อัตราเร็วและความยาวคลื่นเปลี่ยน ในตัวกลางที่มีดัชนีหักเหมากกว่า ความยาวคลื่นจะสั้นกว่า

หาค่ามุมอย่างไร

กฎการหักเหมักให้ค่าไซน์ของมุมที่ไม่ทราบก่อน เราหามุมด้วยการดำเนินการผกผัน: arcsin(0,5)=30°=π/6 เรเดียน มุมครึ่งรอบ π เรเดียนเท่ากับ 180° ต้องตั้งหน่วยมุมของเครื่องคิดเลขให้ตรงกับค่าที่ใช้ ก่อนคำนวณให้ตรวจสอบขอบเขตก่อนว่าไซน์ของมุมจริงต้องไม่เกิน 1 หากได้ค่าเกิน อาจหมายถึงไม่มีรังสีหักเหที่เดินทางต่อไปได้ ไม่จำเป็นต้องเป็นความผิดพลาดทางเลขคณิต

องศา เรเดียน และ arcsinπ рад = 180°โหมดเครื่องคิดเลขDEG หรือ RADsin 30° = 0,5arcsin 0,5 = 30°อาร์กไซน์ให้ค่ามุมใช้หน่วยให้ตรงกับโจทย์
มุมอาจมีหน่วยเป็นองศาหรือเรเดียน ต้องตั้งโหมดเครื่องคิดเลขให้ตรงกัน หากทราบค่าไซน์และต้องการหามุม ให้ใช้การดำเนินการผกผัน

ขีดจำกัดของการหักเห

พิจารณาแสงที่ออกจากตัวกลางโดย n₁>n₂ แล้วค่อย ๆ เพิ่มมุมตกกระทบ รังสีหักเหเบนห่างจากเส้นแนวฉากเร็วขึ้น จนถึงขีดจำกัดที่รังสีขนานไปกับรอยต่อ: γ=90° มุมตกกระทบ α₀ ที่สอดคล้องกันเรียกว่ามุมวิกฤต ถ้าเริ่มจากตัวกลางที่มีดัชนีน้อยกว่า จะไม่มีขีดจำกัดแบบนี้ เพราะรังสีเบนเข้าหาเส้นแนวฉาก ดังนั้นมุมมากเพียงอย่างเดียวจึงไม่ได้รับประกันว่าจะเกิดการสะท้อนกลับหมด

จากดัชนีมากไปดัชนีน้อยn₂ น้อยกว่าn₁ มากกว่าγ = 90°สะท้อนกลับหมดมีขีดจำกัดเมื่อ n₁ > n₂ เท่านั้น
เมื่อแสงเดินทางไปยังตัวกลางที่มีดัชนีน้อยกว่า รังสีหักเหจะเบนออกจากเส้นแนวฉาก ที่มุมวิกฤตรังสีจะขนานไปกับรอยต่อ เมื่อเกินขีดจำกัดนี้จะเหลือเพียงรังสีสะท้อน

มุมวิกฤต

เมื่อแทน sin γ=1 จะได้ \sin\alpha_0=n_2/n_1 สำหรับ α>α₀ จะไม่มีรังสีหักเหที่แพร่ไปในตัวกลางที่สอง จึงเกิดการสะท้อนกลับหมด ถ้า n₂≈1 เราเขียนเป็น 1/n₁ ได้ โดย n₁ เป็นดัชนีสัมบูรณ์ของตัวกลางเดิม แต่ถ้าใช้ดัชนีสัมพัทธ์ที่นิยามไว้ข้างต้น n=n₂/n₁ จะได้ sin α₀=n ไม่ใช่ 1/n การตรวจความหมายของสัญลักษณ์ช่วยหลีกเลี่ยงค่าไซน์ที่มากกว่าหนึ่งก่อนเริ่มหามุม

αอากาศแก้วα > αкр
แสงเดินทางจากแก้วไปสู่อากาศด้วยมุมที่มากกว่ามุมวิกฤต ไม่มีรังสีหักเหที่แพร่ต่อออกไป แสงจึงสะท้อนกลับเข้าแก้ว วัดมุมจากเส้นแนวฉาก

ลองทำตัวอย่างทีละขั้น

แสงเดินทางจากแก้วที่มี n₁=1,5 ไปสู่อากาศที่มี n₂≈1 จงหามุมวิกฤต และบอกว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมุมตกกระทบเป็น 50°

สิ่งที่ทราบอากาศ: n₂ ≈ 1แก้ว: n₁ = 1,550°มุมวิกฤตและผลที่เกิด — ?
แสงเดินทางจากแก้วที่มีดัชนีหนึ่งจุดห้าไปสู่อากาศที่มีดัชนีประมาณหนึ่ง โดยตกกระทบที่มุมห้าสิบองศา จงหามุมวิกฤตและบอกว่าจะเกิดอะไรขึ้น

ลองดูตัวอย่าง · 1

แสงออกจากแก้วที่มี n₁ = 1,5 ไปสู่อากาศที่มี n₂ ≈ 1 เนื่องจาก n₁ > n₂ จึงมีมุมวิกฤต

สะท้อนกลับหมดได้หรือไม่?n₁ = 1,5มากกว่า>n₂ ≈ 1น้อยกว่าตรงตามเงื่อนไข n₁ > n₂จึงมีมุมวิกฤตหากไม่ใช่ จะไม่มีขีดจำกัดนี้
การสะท้อนกลับหมดเกิดได้เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีดัชนีน้อยกว่าเท่านั้น กรณีนี้ตรงตามเงื่อนไข

ลองดูตัวอย่าง · 2

sin α₀ = n₂/n₁ = 1/1,5 ≈ 0,667 ค่านี้อยู่ระหว่างศูนย์กับหนึ่ง จึงเป็นค่าไซน์ที่เป็นไปได้

ไซน์ของมุมวิกฤตsin α₀ = n₂ / n₁ = 1 / 1,5≈ 0,667แทน sin γ = 1 แล้ว
แทนมุมหักเหเป็นเก้าสิบองศาในกฎการหักเห จะได้ว่าไซน์ของมุมวิกฤตเท่ากับอัตราส่วนของดัชนี

ลองดูตัวอย่าง · 3

เมื่อตั้งเครื่องคิดเลขเป็นองศา α₀ = arcsin(0,667) ≈ 41,8°

จากไซน์สู่มุมα₀ = arcsin 0,667≈ 41,8°เครื่องคิดเลขโหมดองศา
อาร์กไซน์ให้มุมวิกฤตประมาณสี่สิบสององศา โดยต้องตั้งเครื่องคิดเลขเป็นโหมดองศา

ตัวอย่างทีละขั้น · 4

มุมที่กำหนด 50° มากกว่า 41.8° หากมีรังสีส่งผ่าน กฎการหักเหจะให้ค่าไซน์เกินหนึ่งซึ่งเป็นไปไม่ได้ จึงเกิดการสะท้อนกลับหมด

เปรียบเทียบมุม50°การสะท้อนไม่มีรังสีหักเห50° > 41,8° — สะท้อนกลับหมด
มุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤต จึงไม่มีรังสีหักเหในตัวกลางที่สอง แสงสะท้อนกลับเข้าแก้วทั้งหมด

ตรวจสอบผลลัพธ์

มุมวิกฤตคือ α₀ ≈ 41,8° เมื่อตกกระทบที่ 50° จะเกิดการสะท้อนกลับหมด เพราะแสงเดินทางไปยังตัวกลางที่มีดัชนีน้อยกว่า และมุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤต

หลัก · 1

วัดมุมจากเส้นแนวฉาก ดัชนีหักเหเปรียบเทียบอัตราเร็วแสง ไม่ใช่ความหนาแน่นมวลของสาร

หลัก · 2

ที่รอยต่อซึ่งอยู่นิ่ง ความถี่คงเดิม เมื่ออัตราเร็วเปลี่ยน ความยาวคลื่นก็เปลี่ยน และหากตกกระทบแบบเอียง ทิศทางจะเปลี่ยนด้วย

หลัก · 3

การสะท้อนกลับหมดต้องมี n₁>n₂ และ α>α₀ อย่าสับสนระหว่างดัชนีหักเหสัมบูรณ์กับดัชนีหักเหสัมพัทธ์

เรียนอะไรต่อ

ต่อไปเราจะใช้เลนส์รวมรังสี และพิจารณากรณีที่ต้องใช้แบบจำลองคลื่นของแสง

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

กฎการสะท้อนของแสง

รังสีตกกระทบ รังสีสะท้อน และเส้นแนวฉากอยู่ในระนาบเดียวกัน มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ

วัดมุมทั้งสองจากเส้นแนวฉาก ไม่ใช่จากผิว การสับสนระหว่างมุมสองแบบนี้เป็นข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

กฎการหักเหของแสง

ความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบกับมุมหักเหและสมบัติทางแสงของตัวกลางทั้งสอง

ที่รอยต่อซึ่งอยู่นิ่ง ความถี่ของแสงคงเดิม ถ้าตัวกลางมีดัชนีหักเหต่างกัน อัตราเร็วและความยาวคลื่นจะเปลี่ยน และเมื่อตกกระทบแบบเอียง ทิศทางของรังสีส่งผ่านจะเปลี่ยนด้วย

การสะท้อนกลับหมด

การที่แสงสะท้อนกลับทั้งหมดที่รอยต่อ เมื่อเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่า และมีมุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤต

เกิดขึ้นได้เมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่าไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่า และมุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤตเท่านั้น

ปริมาณทางฟิสิกส์

7 ปริมาณ

มุมตกกระทบ

\alpha

มุมระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นแนวฉากที่รอยต่อ

หน่วย: เรเดียน · \mathrm{рад}

มุมสะท้อน

\beta

มุมระหว่างรังสีสะท้อนกับเส้นแนวฉากที่รอยต่อ

หน่วย: เรเดียน · \mathrm{рад}

มุมหักเห

\gamma

มุมระหว่างรังสีหักเหกับเส้นแนวฉากที่รอยต่อ

หน่วย: เรเดียน · \mathrm{рад}

ดัชนีหักเหสัมพัทธ์

n

อัตราส่วน n₂/n₁ โดย n₁ เป็นดัชนีของตัวกลางที่รังสีตกกระทบเดินทางมา และ n₂ เป็นดัชนีของตัวกลางที่รังสีหักเหเดินทางเข้าไป เมื่อแสงเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่า จะได้ n < 1

หน่วย: ปริมาณไร้มิติ

ดัชนีหักเหของตัวกลางที่หนึ่ง

n_1

สมบัติทางแสงของตัวกลางที่หนึ่ง

หน่วย: ปริมาณไร้มิติ

ดัชนีหักเหของตัวกลางที่สอง

n_2

สมบัติทางแสงของตัวกลางที่สอง

หน่วย: ปริมาณไร้มิติ

มุมวิกฤตของการสะท้อนกลับหมด

\alpha_0

มุมตกกระทบที่เป็นขีดจำกัดเริ่มต้นของการสะท้อนกลับหมด

หน่วย: เรเดียน · \mathrm{рад}

สูตรบทเรียน

3 สูตร

กฎการสะท้อน

\alpha=\beta

มุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ

กฎการหักเห

\frac{\sin\alpha}{\sin\gamma}=n=\frac{n_2}{n_1}=\frac{v_1}{v_2}=\frac{\lambda_1}{\lambda_2}

อัตราส่วนของไซน์ของมุมสัมพันธ์กับดัชนีหักเห อัตราเร็วแสง และความยาวคลื่นในตัวกลางทั้งสอง

มุมวิกฤตของการสะท้อนกลับหมด

\sin\alpha_0=\frac{n_2}{n_1}=n

ไซน์ของมุมวิกฤตเท่ากับอัตราส่วน n₂/n₁ ซึ่งในที่นี้แทนด้วย n เช่นเดียวกับในกฎการหักเห เมื่อแสงออกสู่อากาศ n₂ ≈ 1 จึงได้ sin α₀ ≈ 1/n₁

เงื่อนไข: แสงเดินทางจากตัวกลางที่มี n₁ ไปยังตัวกลางที่มี n₂ โดย n₁ > n₂ วัดมุมจากเส้นแนวฉาก การสะท้อนกลับหมดเกิดขึ้นเมื่อ α > α₀

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

การสะท้อนและการหักเห

θотр = θ₁; n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

รอยต่อระนาบระหว่างตัวกลางโปร่งใสสม่ำเสมอ ใช้ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต ความหนาเส้นไม่แทนกำลังแสง เมื่อสะท้อนกลับหมดจะไม่มีรังสีหักเหที่แพร่ผ่านออกไป

เมื่อมุมตกกระทบคงเดิม ถ้าเพิ่ม n₂ จาก 1.5 เป็น 2 มุมหักเหที่วัดจากเส้นปกติจะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

n₁ = 1n₂ = 1.5⊥

ผลการคำนวณ

θотр
30 °
θ₂
19.47 °
อธิบายผล

วัดมุมจากเส้นปกติ เมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่มี n มากกว่า รังสีเบนเข้าหาเส้นปกติ การสะท้อนกลับหมดเกิดได้เมื่อ n₁ > n₂ และมุมตกกระทบเกินมุมวิกฤต

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ