fizikzauglom

เกรด 9 · ปรากฏการณ์แสง

การหักเหและการสะท้อนกลับหมด

กฎการหักเห ดัชนีหักเห และอัตราเร็วแสงในตัวกลาง

28 นาที9 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ช้อนในแก้วดูเหมือนหักงอและก้นแก้วดูตื้นขึ้น วัตถุไม่ได้เปลี่ยน แต่เส้นทางแสงเปลี่ยน ทำไมรังสีจึงเลี้ยวที่รอยต่อโปร่งใส และเมื่อใดจึงไม่ออกสู่อีกตัวกลางเลย?

จุดใต้น้ำดูสูงขึ้นดูเหมือนอยู่สูงกว่าเส้นทึบ — ทางเดินแสงเส้นประ — ส่วนต่อในน้ำ
ช้อนยังตรงอยู่ เส้นร่างเข้มแสดงตำแหน่งจริง รังสีใกล้กันสองเส้นจากจุดใต้น้ำผ่านผิวน้ำเข้าสู่รูม่านตา ส่วนต่อย้อนหลังเส้นประตัดกันเหนือจุดเดิม ภาพนี้แสดงทางเดินแสง ไม่ใช่ภาพช้อนที่ตาเห็น รังสีไม่ได้ผ่านผนังด้านข้างของแก้ว

อัตราเร็วต่างกัน

ความโปร่งใสไม่ได้หมายความว่าแสงเดินทางในสสารเหมือนในความว่าง อันตรกิริยากับตัวกลางเปลี่ยนอัตราเร็วการแผ่ จึงนิยามดัชนีหักเหสัมบูรณ์ n = c/v โดย c คืออัตราเร็วแสงในสุญญากาศ และ v คืออัตราเร็วในตัวกลาง สำหรับแก้วโปร่งใสทั่วไป n > 1 และ v < c อัตราส่วนนี้ใช้กับแสงความถี่ที่เลือก สีต่างกันอาจมีดัชนีต่างกันเล็กน้อย

ตัวอย่าง: แก้ว n = 1,5สุญญากาศ: cแก้ว: v = 2c/3λ₀λ = 2λ₀/3λ = v/νความถี่ ν คงเดิมที่รอยต่อ
ตัวอย่างจำลองของแก้วที่ n = 1,5: v = c/n = 2c/3 แสดงหน้าคลื่นระนาบ ณ ขณะเดียว ความยาวคลื่นในสุญญากาศและแก้วมีอัตราส่วน λ₀:λ = 3:2 ความถี่คงเดิมที่รอยต่อ อัตราเร็วที่ลดลงจึงหมายถึงความยาวคลื่นสั้นลง หากจะหาอัตราเร็วจากความยาวคลื่น ต้องทราบความถี่ด้วย

จำนวนที่ไม่มีหน่วย

ถ้า n = 1,5 หมายความว่า c เป็นประมาณหนึ่งเท่าครึ่งของอัตราเร็วในตัวกลาง: v = c/1,5 ไม่ได้หมายความว่าแสงสว่างขึ้นเท่านั้น อัตราเร็วทั้งคู่มีหน่วย m/s ดังนั้น n ไม่มีหน่วย โดย c ≈ 3·10⁸ м/с เมื่อ n มากขึ้น แสงนี้มีอัตราเร็วลดลง ที่ n = 1 อัตราเร็วเท่ากับ c จำนวนนี้บอกอัตราเร็ว ส่วนทิศทางขึ้นกับการที่คลื่นข้ามรอยต่อ

สุญญากาศ, cตัวกลาง, v < cช่วงเวลาเท่ากัน
ดัชนีหักเหสัมบูรณ์ n = c/v เปรียบเทียบอัตราเร็วในสุญญากาศกับในตัวกลาง ในเวลาเท่ากันแสงเดินทางในตัวกลางได้ระยะน้อยกว่า

ทิศทางที่รอยต่อ

หน้าคลื่นที่เอียงไม่ได้เข้าสู่ตัวกลางใหม่พร้อมกันทั้งหน้า ส่วนหนึ่งเคลื่อนด้วยอัตราเร็วใหม่แล้ว แต่อีกส่วนยังใช้อัตราเร็วเดิม หน้าคลื่นจึงหมุน เมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่ n มากขึ้น รังสีเบนเข้าเส้นแนวฉาก หาก n น้อยลงจะเบนออก นี่คือคำอธิบายการหักเหด้วยคลื่น ถ้าหน้าคลื่นขนานรอยต่อ ทุกส่วนเปลี่ยนอัตราเร็วพร้อมกัน เมื่อแสงตกกระทบตามเส้นแนวฉาก รังสีจึงไม่เลี้ยวแม้อัตราเร็วเปลี่ยน

รอยต่อเดียว สามกรณีn = 1n = 1,5n = 1n = 1,5n = 1n = 1,5เข้าแนวฉากออกจากแนวฉากไม่เลี้ยวดัชนีเปลี่ยน อัตราเร็วเปลี่ยน
ทั้งสามกรณีมีอากาศ n = 1 ด้านบน และแก้ว n = 1,5 ด้านล่าง ซ้าย: เข้าแก้วเฉียงแล้วเบนเข้าเส้นแนวฉาก กลาง: เดินทางย้อนเส้นทางเดิมที่เป็นไปได้ จึงเบนออกจากเส้นแนวฉาก ขวา: ตกกระทบตามเส้นแนวฉาก ทิศคงเดิมแต่อัตราเร็วลดลง เส้นทางเฉียงมีมุมในอากาศ 45° และในแก้วประมาณ 28.1°

กฎการหักเห

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณของมุมคือ n₁ sin α = n₂ sin β ดัชนีล่าง 1 หมายถึงตัวกลางก่อนข้ามรอยต่อ และ 2 หมายถึงตัวกลางหลังข้าม โดย α และ β วัดจากเส้นแนวฉาก รังสีและเส้นแนวฉากอยู่ในระนาบเดียวกัน ถ้า n₁ = n₂ ได้ β = α จึงไม่เลี้ยว ถ้า α = 0 ค่าไซน์เป็นศูนย์และ β เป็นศูนย์ด้วย กฎนี้ทำนายค่ามุมที่ตรวจสอบได้ ไม่ใช่เพียงบอกว่าเบนเข้าหรือออกจากเส้นแนวฉาก

n₁ sin α = n₂ sin βเส้นแนวฉากอากาศ: n₁ = 1แก้ว: n₂ = 1,5αβผลคูณ n sin(มุม) เท่ากัน
ภาพแสดงการหักเหจากอากาศสู่แก้ว n₁ หมายถึงตัวกลางก่อนรอยต่อ และ n₂ หมายถึงตัวกลางหลังรอยต่อ ส่วนโค้งมุมทั้งสองมีจุดศูนย์กลางร่วม α อยู่ระหว่างรังสีตกกระทบกับเส้นแนวฉากส่วนบน β อยู่ระหว่างรังสีหักเหกับเส้นแนวฉากส่วนล่าง รังสีและเส้นแนวฉากอยู่ในระนาบเดียวกัน

ตรวจสอบมุม

ทำนายก่อนคำนวณจะช่วยได้ เมื่อคงตัวกลางแรกและมุม α ไว้ การเพิ่ม n₂ ทำให้ β ลดลง ตาม sin β = (n₁/n₂) sin α รังสีจึงควรเข้าใกล้เส้นแนวฉาก หากเข้าสู่ n₂ ที่น้อยลง มุมจะเพิ่มตราบที่ยังมีรังสีหักเห การตรวจนี้ช่วยจับการสลับดัชนีหรือมุม และอธิบายว่าทำไมรู้เพียง n ที่มากค่าเดียวโดยไม่รู้ตัวกลางอีกด้านจึงบอกการเลี้ยวไม่ได้

อากาศน้ำαβ
เมื่อแสงจากอากาศเข้าน้ำแบบเฉียง อัตราเร็วลดลงและรังสีเบนเข้าเส้นแนวฉาก เมื่อตกกระทบตามเส้นแนวฉาก ทิศทางไม่เปลี่ยน

มุมจำกัดของการออกจากตัวกลาง

เพิ่มมุมตกกระทบเมื่อแสงออกจาก n มากไป n น้อย รังสีหักเหเบนห่างจากเส้นแนวฉากมากขึ้น จนในขีดจำกัดขนานรอยต่อที่ β = 90° นี่นิยามมุมวิกฤต αкр ซึ่ง sin αкр = n₂/n₁ อัตราส่วนต้องน้อยกว่าหนึ่ง หาก n₁ ≤ n₂ จะไม่มีมุมจำกัดแบบนี้สำหรับการสะท้อนกลับหมด

แก้ว n₁ = 1,5 สู่อากาศ n₂ = 1β ≈ 30,9°α = 20°β = 90°αкр ≈ 41,8°ไม่มีรังสีออกα = 60°sin αкр = n₂/n₁ = 2/3เขียว — รังสีสะท้อน
แสงจากแก้ว n₁ = 1,5 จะออกสู่อากาศ n₂ = 1 ซ้าย: ที่ α = 20° แสงบางส่วนออกด้วย β ≈ 30,9° และบางส่วนสะท้อน กลาง: ที่ αкр ≈ 41,8° แสดงทิศขีดจำกัด β = 90° ตามแนวรอยต่อ ขวา: ที่ α = 60° ไม่มีรังสีหักเหแผ่ออกไป ทั้งสามกรณีมุมสะท้อนเท่ากับมุมตกกระทบ

ต้องมีทั้งสองเงื่อนไข

เมื่อ α > αкр จะเกิดอะไร? กฎจะต้องการ sin β > 1 ซึ่งไม่มีทิศใดทำได้ จึงไม่มีรังสีหักเหที่แผ่ออกไป ในแบบจำลองตัวกลางโปร่งใสเกิดการสะท้อนกลับหมด ต้องมีทั้ง n₁ > n₂ และมุมเกินมุมวิกฤต เพียงแสงออกจากแก้วสู่อากาศยังไม่พอ เพราะที่มุมน้อยแสงบางส่วนออกได้ บริเวณชิดรอยต่อยังมีสนามอยู่ แต่นี่เป็นรายละเอียดของแบบจำลองคลื่น ไม่ใช่รังสีออกทั่วไป

สองเงื่อนไขพร้อมกันn₁ > n₂ และ α > αкрอากาศ: n₂ = 1แก้ว: n₁ = 1,560°60°60° > αкр ≈ 41,8°
แสงจากแก้ว n₁ = 1,5 จะออกสู่อากาศ n₂ = 1 มุมวิกฤตประมาณ 41.8° และมุมตกกระทบที่เลือกคือ 60° จึงครบทั้ง n₁ > n₂ และ α > αкр ไม่มีรังสีหักเหที่แผ่ออกไป รังสีสะท้อนทำมุม 60° กับเส้นแนวฉากเท่าเดิม หากมุมน้อยกว่า แสงบางส่วนอาจออกสู่อากาศได้

นำไปใช้กับเส้นใยนำแสง

แกนและเปลือกของเส้นใยนำแสงมีความสัมพันธ์ของดัชนีที่เหมาะสม รังสีที่กระทบรอยต่อด้วยมุมเหมาะสมเกิดการสะท้อนกลับหมดและถูกนำไปตามเส้นใย ทั้งเรขาคณิตและดัชนีสำคัญ ไม่ใช่ทุกรังสีจะถูกกักโดยอัตโนมัติ ที่รอยต่ออยู่นิ่ง ความถี่คงเดิม ส่วนอัตราเร็วใหม่เปลี่ยนความยาวคลื่นตาม v = λν จึงไม่ควรอธิบายการหักเหด้วยการเปลี่ยนความถี่แหล่งกำเนิด

สะท้อนกลับหมดที่ขอบแกนเส้นประ — เส้นแนวฉากแกน: n₁ = 1,50เปลือก: n₂ = 1,40α ≈ 74,7° > αкр ≈ 69°
ตัวอย่างจำลอง: แกน n₁ = 1,50 เปลือก n₂ = 1,40 รังสีถึงขอบแกนพอดีและสะท้อนด้วยมุมเท่าเดิม ทั้งสามจุดมีมุมกับเส้นแนวฉากประมาณ 74.7° มากกว่ามุมวิกฤตประมาณ 69° ในแบบจำลองอุดมคติรังสีจึงอยู่ภายในแกน วัดมุมจากเส้นแนวฉากกับผนัง ไม่ใช่จากแกนยาวของเส้นใย

จากอากาศสู่แก้ว

แสงจากอากาศ n₁ = 1 เข้าสู่แก้ว n₂ = 1,5 มุมตกกระทบ 30° จงประมาณมุมหักเห โดยให้ sin 30° = 0,5

ข้อมูลที่ทราบเส้นแนวฉากอากาศ: n₁ = 1แก้ว: n₂ = 1,5αα = 30°β — ?sin 30° = 0,5
รังสีตกกระทบทำมุมกับเส้นแนวฉาก 30° พอดี แล้วถึงรอยต่ออากาศกับแก้ว ก่อนรอยต่อ n₁ = 1 หลังรอยต่อ n₂ = 1,5 มุม β ที่ต้องหาวัดจากเส้นแนวฉากส่วนล่าง รอยต่อ เส้นแนวฉาก และรังสีตกกระทบคงเดิมทุกขั้น

ลองดูตัวอย่าง · 1

ทำนายก่อน: n₂ = 1,5 มากกว่า n₁ = 1 รังสีในแก้วจึงต้องเบนเข้าเส้นแนวฉาก และ β ต้องน้อยกว่า 30°

ทำนายทิศก่อนเส้นแนวฉากอากาศ: n₁ = 1แก้ว: n₂ = 1,5αα = 30°0 < β < 30°n₂ > n₁ → β < α = 30°
ในชุดเดิม แก้วมีดัชนีมากกว่า ภาคสีเขียวแสดงช่วงทิศที่คาดว่ารังสีหักเหจะอยู่ ระหว่างเส้นแนวฉากกับส่วนต่อเส้นประของรังสีเดิม ดังนั้น 0 < β < 30° จะสร้างรังสีหักเหจริงหลังคำนวณ

ลองดูตัวอย่าง · 2

จัดรูป n₁ sin α = n₂ sin β ได้ sin β = n₁ sin α/n₂ = 1 · 0,5/1,5 = 1/3

sin β = n₁ sin α/n₂เส้นแนวฉากอากาศ: n₁ = 1แก้ว: n₂ = 1,5αα = 30°0 < β < 30°sin β = 1 · 0,5/1,5 = 1/3
รอยต่อ รังสีเดิม 30° และภาคทิศที่คาดยังอยู่ที่เดิม กฎการหักเหให้ sin β = n₁ sin α/n₂ = 1 · 0,5/1,5 = 1/3 นี่คือไซน์ของมุม ไม่ใช่ค่ามุมเป็นองศา

ลองดูตัวอย่าง · 3

มุมที่มีไซน์เท่ากับ 1/3 มีค่าประมาณ 19.5° วัดจากเส้นแนวฉากเช่นเดียวกับมุม 30° ที่กำหนด

จากไซน์หามุมเส้นแนวฉากอากาศ: n₁ = 1แก้ว: n₂ = 1,5αα = 30°ββ ≈ 19,5°β = arcsin(1/3) ≈ 19,5°
ที่จุดรอยต่อเดิม สร้างรังสีสำหรับ β = arcsin(1/3) ≈ 19,5° ส่วนโค้งแสดงมุมระหว่างรังสีกับเส้นแนวฉากส่วนล่าง อากาศ แก้ว และมุมตกกระทบ 30° คงเดิม β วัดจากเส้นแนวฉากในแก้ว

ลองดูตัวอย่าง · 4

19.5° น้อยกว่า 30° ผลคำนวณตรงกับการทำนายทางฟิสิกส์ว่าแสงเดินทางช้าลงในแก้ว

เทียบผลกับที่ทำนายเส้นแนวฉากอากาศ: n₁ = 1แก้ว: n₂ = 1,5αα = 30°ββ ≈ 19,5°19,5° < 30° — ใกล้เส้นแนวฉากขึ้น
เทียบ 19.5° กับ 30° ในชุดเดิม รังสีหักเหอยู่ใกล้เส้นแนวฉากกว่า สอดคล้องกับ n₂ > n₁ รอยต่อและรังสีทั้งสองไม่เปลี่ยนตำแหน่งขณะตรวจสอบ

ตรวจสอบผลลัพธ์

β ≈ 19,5° จากเส้นแนวฉาก เมื่อเข้าแก้ว รังสีเบนเข้าเส้นแนวฉาก มุมจึงน้อยกว่า 30° เดิม

สาระสำคัญ · 1

n = c/v เปรียบเทียบอัตราเร็ว ส่วนรังสีเลี้ยวเพราะส่วนต่าง ๆ ของหน้าคลื่นเอียงข้ามรอยต่อไม่พร้อมกัน

สาระสำคัญ · 2

กฎการหักเหเชื่อมโยงตัวกลางทั้งสองและมุมจากเส้นแนวฉาก เมื่อตกกระทบตามเส้นแนวฉาก อัตราเร็วอาจเปลี่ยนโดยไม่เลี้ยว

สาระสำคัญ · 3

การสะท้อนกลับหมดต้องเปลี่ยนจาก n มากไป n น้อย และมุมตกกระทบเกินมุมวิกฤต

เรียนอะไรต่อ

ผิวโค้งของเลนส์รวมรังสีให้เกิดภาพ

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

ดัชนีหักเห

ดัชนีหักเหสัมบูรณ์คืออัตราส่วนอัตราเร็วแสงในสุญญากาศต่ออัตราเร็วแสงในตัวกลาง

ดัชนีหักเหมากขึ้นหมายถึงอัตราเร็วแสงในตัวกลางลดลง และโดยทั่วไปเบนเข้าเส้นแนวฉากมากขึ้น

การหักเหของแสง

อัตราเร็วแสงเปลี่ยนระหว่างตัวกลางที่มีดัชนีหักเหต่างกัน รังสีเปลี่ยนทิศเมื่อตกกระทบเฉียง แต่คงทิศเมื่อตกกระทบตามเส้นแนวฉาก

เมื่อเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนาแน่นเชิงแสงมากกว่า รังสีมักเบนเข้าเส้นแนวฉาก

การสะท้อนกลับหมด

แสงสะท้อนกลับหมดเมื่อจะออกจากตัวกลางที่หนาแน่นเชิงแสงมากกว่าไปสู่น้อยกว่า ด้วยมุมเกินมุมวิกฤต

ปรากฏการณ์นี้ใช้ในเส้นใยนำแสงและปริซึม ไม่เกิดเมื่อแสงจากตัวกลางที่หนาแน่นเชิงแสงน้อยกว่าเข้าสู่มากกว่า

ปริมาณทางฟิสิกส์

4 ปริมาณ

ดัชนีหักเห

n

อัตราส่วนของความเร็วแสงในสุญญากาศต่อความเร็วในตัวกลาง

หน่วย: ปริมาณไร้มิติ

ความเร็วแสง

c

ความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศ

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

ความเร็วแสงในตัวกลาง

v

ความเร็วการแพร่กระจายของแสงในตัวกลางโปร่งใส

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

มุมหักเห

\beta

มุมระหว่างรังสีหักเหกับเส้นแนวฉากกับผิว

หน่วย: เรเดียน · \mathrm{рад}

สูตรบทเรียน

2 สูตร

กฎการหักเห

n_1\sin\alpha=n_2\sin\beta

ผลคูณดัชนีหักเหของตัวกลางกับไซน์ของมุมจากเส้นแนวฉากมีค่าเท่ากันทั้งสองด้านของรอยต่อ

ความหมายทางฟิสิกส์ของดัชนีหักเห

n=\frac{c}{v}

ดัชนีหักเหบอกว่าอัตราเร็วแสงในสุญญากาศเป็นกี่เท่าของอัตราเร็วในตัวกลาง

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