Mentre un raggio di luce passa da un mezzo all'altro - come quando esce da uno stagno o quando passa attraverso gli occhiali - potresti aver notato che si piega. Questo si chiama rifrazione e accade ad angoli diversi a seconda della luce incidente e del materiale. È anche il modo in cui gli occhi possono vedere e trasmettere immagini al cervello.
Rifrazione della luce

La rifrazione è la flessione dei raggi luminosi mentre passano da un mezzo a un secondo mezzo. Deriva dal fatto che la luce viaggia a velocità leggermente diverse su supporti diversi. La quantità di rifrazione di un raggio di luce dipenderà da quanto è diversa la sua velocità nel secondo mezzo dal primo. Maggiore è la differenza di velocità, maggiore è l'angolo di rifrazione.

Puoi pensarci usando il principio del minor tempo. Immagina un bagnino che cerca di raggiungere un nuotatore, lontano dalla riva e fuori nell'acqua, nel minor tempo possibile. Sa di poter correre molto più veloce di quanto sappia nuotare. Cercare di raggiungere il nuotatore viaggiando in linea retta sarebbe inefficace a causa della sua bassa velocità di nuoto rispetto alla sua velocità di corsa; invece, corre lungo la spiaggia fino a quando non è quasi di fronte al nuotatore, quindi salta in acqua.

La distanza che percorre è più lunga, ma il tempo percorso è più breve a causa delle sue diverse velocità in diverse medium. Questo è ciò che fa la luce quando viene rifratta.

Le onde d'acqua possono anche essere rifratte quando viaggiano tra aree di diverse profondità, perché le onde viaggeranno a velocità diverse a seconda che si trovino in acque poco profonde o profonde.
Indice di rifrazione

L'indice di rifrazione per un dato mezzo è un numero senza unità n
dove n \u003d c /v
, dove c
è la velocità della luce nel vuoto e v
è la velocità della luce nel mezzo. La luce più lenta viaggia in un mezzo, maggiore sarà l'indice di rifrazione del mezzo. La velocità di un'onda luminosa in un mezzo dipenderà dalla sua lunghezza d'onda, e quindi anche l'indice di rifrazione.

Questo porta a un fenomeno chiamato dispersione
, che può essere visto nella luce prismi: quando la luce bianca, che contiene onde luminose di molte lunghezze d'onda diverse, entra in un prisma, ogni onda luminosa componente viene rifratta con un angolo diverso a seconda della sua lunghezza d'onda. Questo crea l'aspetto di un arcobaleno.

L'indice di rifrazione nell'aria dipende da molti fattori tra cui pressione e temperatura. Le "onde" viste emananti da oggetti caldi come la pavimentazione in estate si verificano perché la luce si rifrange in modo diverso attraverso l'aria più calda rispetto all'aria più fredda, causando immagini distorte.

Inoltre, l'aria vicino a una strada calda in estate può effettivamente riflettere luce che arriva verso un osservatore da un angolo poco profondo, facendolo apparire come se ci fosse uno specchio o una superficie d'acqua riflettente sulla strada.
Legge di Snell

La legge di Snell mette in relazione gli indici di rifrazione di due media , oltre all'angolo di incidenza θ _{i
all'angolo di rifrazione θ r
, a come la luce si piega mentre passa da un mezzo nell'altro.
n_i \\ sin (\\ theta_i) \u003d n_r \\ sin (\\ theta_r)}

Questa equazione può prevedere l'angolo in cui la luce rifrangerà in un dato mezzo, se gli indici di rifrazione di entrambi i mezzi e l'angolo incidente è noto. È vero in ogni situazione che coinvolge la rifrazione della luce, con due qualsiasi mezzo.
Riflessione interna totale

Se le onde luminose passano da un mezzo con un indice di rifrazione elevato a un mezzo con un indice inferiore di rifrazione, c'è un angolo critico al di sopra del quale la luce diventa abbastanza piegata da non spostarsi nell'altro mezzo. Questo è chiamato riflesso interno totale.

L'angolo critico è l'angolo incidente per il quale il raggio in uscita ha un angolo di rifrazione di 90 gradi. Quindi θ _{i
\u003d sin ^{-1 ( n i /n r
). Ad angoli al di sopra dell'angolo critico, tutta la luce subisce una riflessione interna totale.}}

La riflessione interna totale spiega perché, da un certo angolo, la superficie dell'acqua /aria in un acquario quando osservata dal basso sembrerà uno specchio perfetto . L'aria ha un indice di rifrazione molto più basso dell'acqua, quindi le onde luminose ad un angolo poco profondo rispetto alla superficie dal basso si riflettono sulla superficie invece di rifrangere attraverso di essa, creando uno specchio.

La riflessione interna totale può si verificano anche nelle onde d'acqua e nelle onde sonore.
Obiettivi

La rifrazione della luce in un mezzo può cambiare quando la superficie tra i mezzi è curva. In effetti, la luce che proviene dalla stessa direzione si rifrange ad angoli diversi a seconda di dove colpisce la superficie curva.

Le lenti sono pezzi di materiale trasparente con lati curvi che usano la rifrazione per influenzare il percorso della luce . Una lente convergente è più spessa nel mezzo, consentendo ai raggi di luce che entrano da un lato dell'obiettivo di convergere in un punto focale sull'altro lato. Questo è ciò che usano le lenti d'ingrandimento e alcuni telescopi.

Una lente concava è più sottile al centro di quanto non sia ai bordi e i raggi di luce che entrano da un lato vengono rifratti verso l'esterno e divaricati mentre emergono sull'altro lato.

Entrambi i tipi di lenti sono utilizzati nella visione correttiva, sia negli occhiali che nei contatti, a seconda di quale sia il problema negli occhi.
Esempi

I nostri occhi interpretano la luce usando la rifrazione . La luce penetra nella cornea e poi nella lente, rifrangendo in un punto preciso della retina. L'immagine viene quindi trasmessa al cervello attraverso il nervo ottico. Gli occhi lacrimali portano alla visione offuscata a causa delle proprietà di rifrazione delle lacrime.

Tutto ciò che contiene fibre ottiche si basa sulla riflessione interna totale. Le fibre hanno un alto indice di rifrazione e sono circondate da materiale con un indice di rifrazione molto basso. Mentre la luce viaggia attraverso la fibra, il suo angolo con l'esterno della fibra è abbastanza basso da impedirne la fuoriuscita. Ciò consente alla fibra di trasportare una luce molto focalizzata a grande distanza. Le fibre ottiche sono utilizzate principalmente nei servizi Internet e telefonici.

Gli arcobaleni sono causati dalla rifrazione e dal riflesso della luce solare al di fuori delle goccioline d'acqua nell'aria. Ciò può accadere dopo i temporali o in caso di nebbia, ma anche vicino a cascate e fontane. Come accennato in precedenza, diverse lunghezze d'onda (colori) della luce hanno indici di rifrazione leggermente diversi per un dato materiale, il che li rende rifrangenti ad angoli diversi. Un osservatore vede quindi un arcobaleno di colori, in ordine di lunghezza d'onda.

La rifrazione è il motivo per cui l'acqua in uno stagno sembra più superficiale di quanto non sia in realtà. Non appena la luce nell'aria entra nell'acqua, si piega con un angolo più superficiale rispetto alla superficie a causa della rifrazione. A un osservatore sul lato "aria" della superficie, sembra che tutto sotto la superficie sia più superficiale, perché la luce è piegata ad angoli più profondi.

L'angolo critico influenza anche il modo in cui vengono tagliate le pietre preziose. Una pietra preziosa può essere tagliata in modo tale che la luce che entra in essa subisce un riflesso interno totale quando colpisce le sfaccettature posteriori, emergendo di nuovo dalla parte anteriore della pietra per renderla più luminosa. Il diamante, con un alto indice di rifrazione, è particolarmente ideale per questo, rendendolo una gemma popolare.