Refraktion (brytning): Förklaring, exempel och Snells lag

Lär dig refraktion (brytning) med tydliga förklaringar, vardagliga exempel och Snells lag. Förstå ljusets beteende, linser och prismor enkelt.

Refraktion är den förändring av en vågs riktning som orsakas av förändringen av vågens hastighet. Exempel på vågor är ljudvågor och ljusvågor. Refraktion ses oftast när en våg passerar från ett genomskinligt medium till ett annat genomskinligt medium. Olika typer av medier är luft och vatten.

När en våg passerar från ett genomskinligt medium till ett annat genomskinligt medium ändrar vågen sin hastighet och riktning. När en ljusvåg till exempel rör sig genom luft och sedan passerar in i vatten kommer vågen att sakta ner och ändra riktning.

När ljuset går in i ett medium som är tätare kommer ljusstrålen att "böjas" mot det normala. När den går tillbaka in i det mindre täta mediet (med ett lägre brytningsindex) kommer den att böjas tillbaka i samma vinkel som när den kom in (om ytan vid utgången är parallell med ytan vid ingången).

Ett exempel på hur brytning fungerar är att placera ett sugrör i en kopp vatten, med en del av sugröret i vattnet. När man tittar i en viss vinkel ser halmen ut att böja sig vid vattenytan. Detta beror på att mediets densitet förändras och att ljusstrålarna böjs när de rör sig från luften till vattnet.

Ett bra och enkelt sätt att förstå hur ljuset fungerar är att tänka på det som en bil. När bilen träffar grusytan (detta är mediet) i en vinkel kommer det däck som träffar den först att sakta ner, vilket gör att bilen svänger i den riktningen. Om ljuset träffar ett medium till höger som har ett större brytningsindex kommer det därför att böja sig åt höger. Hur mycket den böjs ges av Snells lag. Linser fungerar genom brytning.

När ljuset bryts i ett prisma delas det upp i regnbågens färger eftersom vissa våglängder böjs mer än andra.

Inom optiken är ett ämnes brytningsindex n ett dimensionslöst tal som beskriver hur ljus, eller annan strålning, passerar genom mediet. Det definieras som

n = c v , {\displaystyle n={\frac {\mathrm {c} }{v}},}

där c är ljusets hastighet i vakuum och v är ljusets fashastighet i mediet. Snells lag använder brytningsindex för att beräkna brytningens storlek.

Snells lag (lag för brytning)

Snells lag ger sambandet mellan infallsvinkel och brytningsvinkel när en plan våg passerar gränsytan mellan två medier med olika brytningsindex. Den kan uttryckas som

n₁ sin(θ₁) = n₂ sin(θ₂).

Här är n₁ och n₂ brytningsindex i det första respektive andra mediet, och θ₁, θ₂ är vinklarna mätta från normalen (vinkelrätt mot ytan). Snells lag följer av vågens fasvillkor vid gränsytan och gäller för både ljus och andra typer av vågor.

Exempelberäkning

Anta att en ljusstråle går från luft (n ≈ 1.00) in i vatten (n ≈ 1.33) med infallsvinkeln 30°. Då får vi

sin(θ₂) = (n₁/ n₂) sin(θ₁) = (1.00/1.33)·sin(30°) ≈ 0.376, vilket ger θ₂ ≈ 22.1°.

Det visar att ljuset böjs mot normalen när det går in i ett tätare medium.

Relaterade fenomen

• Dispersion: Eftersom brytningsindex ofta beror på våglängd böjs olika färger olika mycket. Det är varför ett prisma delar upp vitt ljus i regnbågens färger.
• Totalreflektion: När ljus går från ett tätare medium till ett tunnare (t.ex. från glas till luft) kan infallsvinkeln bli så stor att ingen brytning sker ut i det tunnare mediet utan all energi reflekteras tillbaka. Detta inträffar för vinklar större än den kritiska vinkeln θ_c, där sin(θ_c) = n₂/n₁ (för n₁ > n₂).
• Apparent djup och vardagliga exempel: Sugrör som ser böjda ut i vatten, fiskar som ser föremål annorlunda under ytan och varför botten i en pool ser grundare ut än den är.
• Atmosfärisk refraktion: Temperatur- och täthetsvariationer i luften gör att ljus och ljud kan böjas över långa avstånd. Detta ger exempelvis skenbara förflyttningar av stjärnors position när de står nära horisonten och miragefenomen.
• Ljud- och seismiska vågor: Refraktion sker även för ljud och jordbävningsvågor när dessa färdas genom lager med olika egenskaper i atmosfären eller jordskorpan.

Mer avancerade aspekter

Refraktionsbeskrivningen ovan är idealiserad för homogena, isotropa medier. I verkligheten kan brytningsindex vara frekvensberoende (normal dispersion), temperatur- och tryckberoende och även komplex (med en imaginär del som beskriver absorption). För starkt varierande material eller vid närfältseffekter måste man använda fulla vågekvationer istället för enkel Snellbeskrivning.

Sammanfattning: Refraktion är vågens riktningsändring när hastigheten ändras vid övergång mellan medier. Snells lag kvantifierar sambandet med hjälp av brytningsindex och förklarar många optiska fenomen som linser, prismor, dispersion och totalreflektion.

Frågor och svar

F: Vad är refraktion?

F: Hur fungerar refraktion?

F: Vilka är några exempel på hur brytning fungerar?

F: Vad är ett optiskt index eller brytningsindex?

Fråga: I vilken lag används optiska index?

Sök med bokstav