Optik Verständnis des kritischen Winkels für die totale interne Reflexion
Optik-Kritischer-Winkel-für-die-Gesamte-Interne-Reflexion
Das-Verständnis-der-Gesamten-Internen-Reflexion
Stellen_Sie_sich_vor,_Sie_sind_am_Rand_eines_Schwimmbeckens_an_einem_sonnigen_Tag._Sie_nähern_Ihr_Gesicht_dem_Wasser_und_blicken_in_einem_Winkel._Sie_bemerken,_dass_Sie_bei_einem_bestimmten_Winkel_kaum_etwas_außerhalb_des_Wassers_sehen_können;_es_sieht_fast_wie_ein_Spiegel_aus._Dieses_Phenomen,_bei_dem_Licht_vollständig_in_das_Medium_zurückgeworfen_wird,_anstatt_sich_zu_brechen,_wird_als_Gesamte_Interne_Reflexion_(TIR)_bezeichnet.
Im_Zentrum_der_TIR_liegt_ein_faszinierendes_Konzept,_das_als_Kritischer_Winkel_bekannt_ist._Der_kritische_Winkel_ist_der_minimale_Einfallswinkel,_bei_dem_die_gesamte_interne_Reflexion_auftritt._Nun_tauchen_wir_in_die_Wissenschaft_dahinter_ein.
Der-Kritische-Winkel-einfach erklärt
Der_kritische_Winkel_kann_mit_den_Grundsätzen_der_Lichtbrechung,_die_durch_Snellsches_Gesetz_geregelt_wird,_verstanden_werden._Wenn_Licht_von_einem_dichteren_Medium_(wie_Wasser)_in_ein_weniger_dichtes_Medium_(wie_Luft)_wandert,_biegt_es_sich_vom_Lot_weg._Wenn_der_Einfallswinkel_zunimmt,_biegt_sich_der_refraktierte_Strahl_weiter_vom_Lot_weg._Wenn_dieser_Winkel_einen_bestimmten_Punkt_erreicht,_verläuft_der_refraktierte_Strahl_entlang_der_Grenzfläche_der_beiden_Medien._Dieser_spezifische_Winkel_wird_als_Kritischer_Winkel_bezeichnet._Jeder_Winkel,_der_größer_als_der_kritische_Winkel_ist,_führt_zur_gesamten_internen_Reflexion.
Die Formel für den kritischen Winkel
Das_Snellsche_Gesetz_definiert_die_Beziehung_zwischen_den_Einfalls _und_Brechungswinkeln_und_den_Brechungsindizes_der_beiden_Medien:
n1_*_sin(θ1)_=_n2_*_sin(θ2)
Wo:
- n1: Brechungsindex_des_dichteren_Mediums
- θ1: Einfallswinkel
- n2: Brechungsindex_des_weniger_dichten_Mediums
- θ2: Brechungswinkel
Beim_kritischen_Winkel_θc_wird_der_Brechungswinkel_θ2_zu_90_Grad,_da_der_refraktierte_Strahl_entlang_der_Grenzfläche_verläuft._Dies_in_das_Snellsche_Gesetz_eingesetzt_ergibt:
n1_*_sin(θc)_=_n2_*_sin(90°)
Da_sin(90°)_=_1,_vereinfacht_sich_die_Formel_zu:
sin(θc)_=_n2_/_n1
Oder_in_einer_einfach_zu_verwendenden_Form:
θc_=_arcsin(n2_/_n1)
Parameterverwendung:
n1:Brechungsindex_des_dichteren_Mediums_(dimensionslos)n2:Brechungsindex_des_weniger_dichten_Mediums_(dimensionslos)
Beispiele für die Berechnung des Kritischen Winkels
Beispiel_1:_Wasser Luft Grenzfläche
Nehmen_Sie_den_Fall_an,_dass_Licht_von_Wasser_(n1_=_1.33)_in_Luft_(n2_=_1.00)_wandert._Mit_der_Formel:
θc_=_arcsin(1.00_/_1.33)
Die_Berechnung_erfährt:
θc_≈_48.75°
Das_bedeutet,_dass_beim_jedem_Einfallswinkel,_der_größer_als_48.75°_ist,_Licht_an_der_Wasser Luft Grenzfläche_vollständig_intern_reflektiert_wird.
Beispiel_2:_Glas Luft Grenzfläche
Betrachten_Sie_Licht,_das_von_Glas_(n1_=_1.5)_in_Luft_(n2_=_1.00)_wandert:
θc_=_arcsin(1.00_/_1.5)
Die_Berechnung_erfährt:
θc_≈_41.81°
Licht,_das_von_Glas_in_Luft_beim_Einfallswinkeln,_die_größer_als_41.81°_sind,_wandert,_wird_vollständig_intern_reflektiert.
FAQ Bereich
Was_ist_die_Bedeutung_des_kritischen_Winkels?
Der_kritische_Winkel_ist_in_der_Optik_bedeutend,_da_er_die_Bedingung_für_die_gesamte_interne_Reflexion_bestimmt,_die_für_verschiedene_Anwendungen_wie_Glasfaseroptik,_Ferngläser_und_bestimmte_optische_Instrumente_entscheidend_ist.
Kann_die_gesamte_interne_Reflexion_auftreten,_wenn_Licht_von_einem_weniger_dichten_zu_einem_dichteren_Medium_wandert?
Nein,_die_gesamte_interne_Reflexion_kann_nur_auftreten,_wenn_Licht_von_einem_dichteren_Medium_zu_einem_weniger_dichten_Medium_wandert.
Was_passiert,_wenn_der_Einfallswinkel_genau_dem_kritischen_Winkel_entspricht?
Wenn_der_Einfallswinkel_genau_dem_kritischen_Winkel_entspricht,_wird_der_refraktierte_Lichtstrahl_entlang_der_Grenzfläche_der_beiden_Medien_verlaufen.
Schlussfolgerung
Das_Verständnis_des_kritischen_Winkels_ist_entscheidend_für_die_Optikstudien._Durch_die_Verwendung_der_Formel_θc_=_arcsin(n2_/_n1)_und_das_Kennen_der_Brechungsindizes_der_beiden_betrachteten_Medien,_kann_man_den_Winkel_berechnen,_über_dem_die_gesamte_interne_Reflexion_auftritt._Dieses_Phenomen_ist_nicht_nur_faszinierend,_sondern_auch_äußerst_praktisch._Es_bildet_die_Grundlage_der_Technologie_in_der_Glasfaseroptik_und_verschiedenen_optischen Geräten.