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굴절

Refraction
플라스틱 블록에서 굴절되는 광선.

물리학에서 굴절은 한 매질에서 다른 매질로 전달되는 파장의 방향 전환이다.리다이렉션은 파도의 속도 변화 또는 [1]매체의 변화로 인해 발생할 수 있습니다.의 굴절은 가장 흔하게 관찰되는 현상이지만 음파나 물결 같은 다른 파동도 굴절을 경험한다.파동이 어느 정도 굴절되는지는 파속 변화와 속도의 변화 방향에 대한 파동 전파의 초기 방향에 따라 결정됩니다.

빛의 경우 굴절은 스넬의 법칙에 따른다.스넬의 법칙은 주어진 매체에 대해 입사각 θ와1 굴절각 θ2 사인비가 두 매체의 위상속도(v1/v2)의 비율 또는 두 [2]매체의 굴절률(n2/n1)에 대한 등가라는 것이다.

굴절률이 다른 두 매체의 계면에서의 빛의 굴절은 n > n이며211, 제2 매질2(v < v)에서는 위상속도가 낮기 때문에 굴절각 θ는2 입사각 θ보다1 작으며, 즉 고지수 매질 내의 광선은 정점에 가깝다.

광학 프리즘과 렌즈는 인간의 눈과 마찬가지로 빛의 방향을 바꾸기 위해 굴절을 사용합니다.재료의 굴절률은 빛의 [3]파장에 따라 달라지므로 굴절각도 그에 따라 달라진다.이것은 분산이라고 불리며 프리즘무지개가 흰 빛을 구성 요소인 스펙트럼 [4]색상으로 분할하게 합니다.

물그릇에 부분적으로 잠긴 펜은 수면의 굴절에 의해 구부러진 것처럼 보인다.

빛의 굴절은 일상생활의 많은 곳에서 볼 수 있다.그것은 수면 아래의 물체를 실제보다 더 가깝게 보이게 한다.그것은 안경, 카메라, 쌍안경, 현미경, 그리고 인간의 같은 기구들을 가능하게 하는 광학 렌즈의 기반이다.굴절은 또한 무지개와 신기루포함한 몇몇 자연적인 광학 현상의 원인이 된다.

일반적인 설명

파형이 느린 매질로 이동하면 파형이 압축됩니다.파동이 경계에서 연결 상태를 유지하려면 파동이 방향을 변경해야 합니다.

굴절의 정확한 설명은 빛의 파동 성질의 결과인 두 개의 분리된 부분을 포함합니다.

  1. 빛은 진공 이외의 매체(공기, 유리, 물 등)를 통과할 때 속도가 느려집니다.이것은 산란이나 흡수 때문이 아니다.오히려, 전자파 진동으로서 빛 자체가 전자와 같은 다른 전하를 띤 입자를 진동시키기 때문입니다.진동하는 전자는 원래의 빛과 상호작용하는 그들만의 전자파를 방출한다.결과적으로 발생하는 "결합" 파형은 관찰자를 더 느린 속도로 통과하는 파형 패킷을 가집니다.불빛이 사실상 느려졌다.빛이 진공상태로 돌아가고 근처에 전자가 없을 때, 이 느린 효과는 끝나고 속도는 c로 돌아간다.
  2. 빛이 느린 매체에 비스듬히 들어가면 파면의 한쪽이 다른 쪽보다 느려집니다.빛의 비대칭적인 둔화로 인해 이동 각도가 변화합니다.빛이 일정한 성질을 가진 새로운 매체 내에 들어오면 다시 직선으로 이동합니다.

매체의 광속 저하에 대한 설명

와 같이 광속은 진공 이외의 매질에서는 느리다.이러한 감속은 공기, 물, 유리 등 모든 매체에 적용되며 굴절과 같은 현상을 일으킵니다.빛이 매체를 떠나 진공으로 돌아오고 중력의 영향을 무시하면 그 속도는 진공에서 일반적인 빛의 속도로 돌아옵니다.

빛이 원자로부터 산란되거나 흡수되어 재방출된다는 개념에 기초한 이러한 둔화에 대한 일반적인 설명은 둘 다 옳지 않다.이와 같은 설명은 더 이상 한 방향으로만 이동하지 않기 때문에 결과적으로 발생하는 빛에 "번개" 효과를 일으킬 수 있습니다.하지만 이 효과는 자연에서는 볼 수 없다.

정확한 설명은 전자파로서의 빛의 [5]성질에 달려 있다.빛은 진동하는 전기/자기파이기 때문에, 매체를 통과하는 빛은 물질의 대전된 전자도 진동하게 합니다.(물질의 양성자 역시 진동하지만 약 2000배 더 크기 때문에 운동과 효과는 훨씬 작습니다.)움직이는 전하가 스스로 전자파를 방출한다.진동하는 전자에 의해 방출되는 전자파는 원래의 빛을 구성하는 전자파와 상호작용하는데, 이는 연못의 물결처럼 건설적인 간섭으로 알려진 과정이다.두 개의 파형이 이러한 방식으로 간섭할 경우, 결과적인 "결합" 파형이 관찰자를 더 느린 속도로 통과하는 파동 패킷을 가질 수 있습니다.불빛이 사실상 느려졌다.빛이 물질을 떠나면 전자와의 상호작용이 더 이상 일어나지 않기 때문에 파동 패킷 속도(따라서 속도)는 정상으로 돌아갑니다.

빛이 매체에 들어오고 나갈 때 휘어지는 것에 대한 설명

그림처럼 속도가 느린 물질에서 다른 물질로 이동하는 파동을 생각해 보십시오.각도로 재료 사이의 경계면에 도달하면 파형의 한쪽이 두 번째 재료에 먼저 도달하므로 속도가 더 빨리 느려집니다.파도의 한쪽이 느려지면 전체 파도는 그쪽으로 회전하게 됩니다.이것이 느린 물질에 들어갈 때 파동이 표면에서 벗어나거나 정상으로 휘어지는 이유입니다.속도가 더 높은 물질에 도달하는 파형의 반대편에서는 파형의 한쪽이 빨라지고 파동은 그 쪽에서 멀어지게 된다.

같은 것을 이해하는 또 다른 방법은 인터페이스의 파장 변화를 고려하는 것입니다.파형이 속도 v가 다른 물질에서 다른 물질로 이동하면 파형의 주파수 f는 동일하게 유지되지만 파장 θ=v/f 사이의 거리는 변경됩니다.오른쪽 그림과 같이 속도가 감소하면 파장도 감소합니다.파형 전선과 계면 사이의 각도 및 파형 전선의 거리 변화에 따라 파형 전선이 그대로 유지되도록 계면에서 각도를 변경해야 합니다.이러한 고려사항을 통해 두 재료의 입사각 θ1, 투과각 θ2파속1 v 2 v 사이의 관계를 도출할 수 있다.이것은 굴절의 법칙 또는 스넬의 법칙이며 다음과[6] 같이 쓸 수 있다.

、 1 = { \ \ \ { } { \ \ _ { } = frac { { 1} } { _ { }} sin frac { v _ { v _ { 2 } } 。

굴절 현상은 보다 근본적인 방법으로 2차원 또는 3차원 파동 방정식에서 도출될 수 있습니다.그 후, 인터페이스의 경계 조건에서는,[7] 인터페이스의 양쪽에서 파동 벡터의 접선 성분이 동일할 필요가 있습니다.파동 벡터의 크기는 파동 속도에 따라 달라지기 때문에 파동 벡터의 방향을 변경해야 합니다.

위에서 설명한 관련 파속은 파동의 위상 속도입니다.이는 일반적으로 파동의 진정한 속도로 볼 수 있는 군 속도에 가깝지만, 서로 다를 때는 굴절과 관련된 모든 계산에 위상 속도를 사용하는 것이 중요합니다.

경계에 직각으로 이동하는 파동, 즉 경계에 평행한 파동을 갖는 파동은 파동의 속도가 변화해도 방향을 바꾸지 않는다.

굴절의 법칙

빛은 재료의 파상속도 v보다 재료의 굴절률 n을 더 많이 이용한다.그러나 이들은 진공 c에서의 빛의 속도를 통해 다음과 같이 직접적으로 관련된다.

v\ n = {

따라서 광학에서 굴절의 법칙은 일반적으로 다음과 같이 기술된다.

sin 1 1 2 2\ } \ \_ {2} \_ {2}}.

수면 굴절

물속에 담근 연필 부분은 굴절 때문에 구부러져 보인다.X로부터의 광파가 방향을 바꾸어 Y에서 발생하는 것처럼 보인다.

물의 굴절률은 1.33이고 공기의 굴절률은 약 1이기 때문에 빛이 수면을 통과할 때 굴절이 발생합니다.여기 그림에서 연필과 같이 물 속에 비스듬히 놓여 있는 직선 물체를 보면 물 표면에서 구부러진 것처럼 보인다.이것은 빛 광선이 물에서 공기로 이동하면서 휘어지기 때문입니다.일단 광선이 눈에 도달하면, 눈은 그것들을 직선(시선)으로 추적합니다.시선(파선으로 표시)은 실제 광선이 발생한 위치보다 높은 위치에서 교차합니다.이것은 연필이 실제보다 더 높게 보이고 물은 더 얕게 보이게 한다.

위에서 봤을 때 물의 깊이는 으로 보이는 깊이로 알려져 있다.이것은 표적 물고기가 다른 장소에 있는 것처럼 보이게 할 것이고, 어부는 물고기를 잡기 위해 더 낮은 곳을 겨냥해야 하기 때문에 표면에서 창 낚시에 대한 중요한 고려 사항이다.반대로 물 위에 있는 물체는 물 밑에서 볼 때 더 높은 외관 높이를 가진다.궁수 [8]물고기는 반대 보정을 해야 합니다.

입사각이 작을 경우(정규에서 측정한 것으로, sin θ가 tan θ와 거의 동일할 때), 겉보기 깊이 대 실제 깊이 비율은 공기의 굴절률 대 물의 굴절률의 비율이다.그러나 입사각이 90에 가까워지면o 반사가 증가하지만 겉으로 보이는 깊이는 0에 가까워져 높은 입사각에서 관찰이 제한된다.반대로 외관 높이는 입사각(아래에서)이 증가함에 따라 무한대에 가까워지지만, 전체 내부 반사의 각도에 가까워질수록 이 한계치에 가까워질수록 화상이 희미해진다.

금문교의 이미지는 여러 가지 다른 3차원 물방울에 의해 굴절되고 구부러집니다.

분산

굴절은 또한 무지개유리 프리즘을 통과할 때 하얀 빛이 무지개 스펙트럼으로 쪼개지는 원인이 된다.유리는 공기보다 굴절률이 높다.백색광의 빔이 공기에서 주파수에 따라 다른 굴절률을 가진 물질로 통과할 때 분산이라고 알려진 현상이 발생하며, 백색광의 다른 색 구성 요소는 다른 각도로 굴절됩니다. 즉, 계면에서 서로 다른 양으로 굴절되어 분리됩니다.다른 색상은 다른 주파수에 대응합니다.

대기 굴절

태양은 대기의 굴절 때문에 지평선에 가까워지면 약간 평평해 보인다.

공기의 굴절률은 공기 밀도에 따라 달라지며 따라서 공기 온도압력에 따라 달라집니다.높은 고도에서 압력이 낮기 때문에 굴절률도 낮아 대기를 통해 먼 거리를 이동할 때 빛이 지표면을 향해 굴절된다.이것은 별들이 지평선에 가까이 있을 때 겉으로 보이는 위치를 약간 바꾸고 해가 뜨는 동안 지평선 위로 기하학적으로 떠오르기 전에 태양이 보이게 한다.

디젤 기관차 위의 엔진 배기 가스 내 열 희미함.

공기의 온도 변화도 빛의 굴절을 일으킬 수 있습니다.이는 화재, 엔진 배기 가스 또는 추운 날 창문을 열 때처럼 뜨거운 공기와 차가운 공기가 혼합될 때 발생하는 열 흐림 현상이라고 볼 수 있습니다.이것은 뜨거운 공기와 차가운 공기가 이동함에 따라 혼합된 공기를 통해 보이는 물체가 희미하게 보이거나 무작위로 움직이게 만든다.이 효과는 고배율 망원렌즈를 사용할 때 햇빛이 잘 드는 낮 동안의 공기 온도 변화에서도 나타나며 이러한 경우 종종 화질을 제한합니다.[9] 이와 비슷한 방법으로, 대기 난류적응광학이나 이러한 대기 왜곡을 극복하기 위한 다른 기술을 사용하지 않는 지상 망원경의 해상도를 제한하는 천체 망원경의 이미지에서 빠르게 변화하는 왜곡을 일으킨다.

뜨거운 도로 위의 신기루.

지표면 근처의 공기 온도 변화는 신기루파타 모르가나와 같은 다른 광학 현상을 일으킬 수 있습니다.가장 일반적으로, 햇볕이 잘 드는 날 뜨거운 도로에서 데워진 공기는 얕은 각도로 다가오는 빛을 보는 이로 향하게 한다.이렇게 하면 도로가 반사되어 마치 물이 도로를 덮는 듯한 착각을 일으킨다.

임상적 의의

의학, 특히 검안학, 안과정형외과에서 굴절(굴절계라고도 함)은 적절한 안과 전문가가 눈의 굴절 오류와 처방해야 할 최상의 교정 렌즈를 결정하기 위해 포롭터를 사용할 수 있는 임상 테스트입니다.어떤 것이 가장 선명하고 선명한 [10]시야를 제공하는지를 결정하기 위해 등급이 매겨진 광파워 또는 초점 거리에서의 일련의 테스트 렌즈가 제시된다.

갤러리

2D 시뮬레이션: 양자 입자의 굴절.배경의 검은색 절반은 0 전위이고 회색 절반은 더 높은 전위입니다.흰색 흐림은 측정 시 특정 위치에서 입자를 찾을 확률 분포를 나타냅니다.

기계파

물결

물이 얕아지면서 점차 육지를 향해 굴절되기 때문에 수파는 해변과 거의 평행하다.

수파는 얕은 에서 더 느리게 이동한다.이는 리플 탱크의 굴절을 입증하는 데 사용될 수 있으며, 해안선의 파도가 수직 각도에 가까운 해안에 부딪히는 경향이 있는 이유도 설명할 수 있습니다.파도는 깊은 물에서 해안 근처의 얕은 물로 이동하면서 원래 이동 방향에서 해안선에 [11]더 수직인 각도로 굴절됩니다.

음파

수중 음향학에서 굴절이란 음속의 영역에서 다른 속도로 음속의 구배를 통과할 때 발생하는 음선의 휘어짐 또는 휘어짐입니다.광선의 굴곡량은 음속의 차이, 즉 물의 [12]온도, 염도 및 압력의 변화에 따라 달라집니다.비슷한 음향 효과는 지구의 대기에서도 발견된다.대기 중 소리의 굴절 현상은 [13]수세기 동안 알려져 왔지만, 1970년대 초반부터 저층 대기 [14]중 음선의 굴절 현상을 해결하기 위한 도시 고속도로와 소음 장벽의 설계를 통해 이 효과에 대한 광범위한 분석이 유행했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. "Refraction". Encyclopaedia Britannica. Retrieved 2018-10-16.
  2. ^ Born and Wolf (1959). Principles of Optics. New York, NY: Pergamon Press INC. p. 37.
  3. ^ R. Paschotta, 색분산에 대한 기사 레이저 물리기술 백과사전웨이백 머신에 보관 2015-06-29 웨이백 머신에 보관 2015-08-13 2014-09-08에 액세스
  4. ^ Carl R. Nave, 2014-09-24 페이지, 2014-09-08년 조지아 주립 대학교 물리 및 천문학과 웨이백 머신에 있는 HyperPhysics Archived 2007-10-28에서 액세스
  5. ^ 왜 빛은 물에서 느려지는가? - 페르미랍
  6. ^ Hecht, Eugene (2002). Optics. Addison-Wesley. p. 101. ISBN 0-321-18878-0.
  7. ^ "Refraction". RP Photonics Encyclopedia. RP Photonics Consulting GmbH, Dr. Rüdiger Paschotta. Retrieved 2018-10-23. It results from the boundary conditions which the incoming and the transmitted wave need to fulfill at the boundary between the two media. Essentially, the tangential components of the wave vectors need to be identical, as otherwise the phase difference between the waves at the boundary would be position-dependent, and the wavefronts could not be continuous. As the magnitude of the wave vector depends on the refractive index of the medium, the said condition can in general only be fulfilled with different propagation directions.
  8. ^ Dill, Lawrence M. (1977). "Refraction and the spitting behavior of the archerfish (Toxotes chatareus)". Behavioral Ecology and Sociobiology. 2 (2): 169–184. doi:10.1007/BF00361900. JSTOR 4599128. S2CID 14111919.
  9. ^ "The effect of heat haze on image quality". Nikon. 2016-07-10. Retrieved 2018-11-04.
  10. ^ "Refraction". eyeglossary.net. Archived from the original on 2006-05-26. Retrieved 2006-05-23.
  11. ^ "Shoaling, Refraction, and Diffraction of Waves". University of Delaware Center for Applied Coastal Research. Archived from the original on 2009-04-14. Retrieved 2009-07-23.
  12. ^ Navy Supplement to the DOD Dictionary of Military and Associated Terms (PDF). Department Of The Navy. August 2006. NTRP 1-02.[영구 데드링크]
  13. ^ Mary Somerville (1840), 자연과학커넥션, J. Murray Publishers, (원래 하버드 대학교)
  14. ^ Hogan, C. Michael (1973). "Analysis of highway noise". Water, Air, & Soil Pollution. 2 (3): 387–392. Bibcode:1973WASP....2..387H. doi:10.1007/BF00159677. S2CID 109914430.

외부 링크