Warum ändert Licht die Richtung, wenn es durch Glas geht?

Der Lehrer versuchte, das Fermat-Prinzip zu erklären, das eines der einfachsten Variatinonal-Prinzipien (kleinste Wirkung) der klassischen Physik ist. Und Ihre Frage scheint eine allgemeine Frustration über die scheinbar "teleologische" Eigenschaft aller Variationsprinzipien auszudrücken: Wie "weiß" das (Teilchen, Welle, Strahl ...) im Voraus, welchem ​​Weg es folgen soll? Der Wikipedia-Artikel zum Prinzip der geringsten Wirkung spricht diese Frustration speziell an (gibt aber leider keine gültigen Referenzen).

Die Ausbreitungsgesetze sind zeitlich und räumlich lokal, aber es ist manchmal einfacher, ihre Ergebnisse abzuleiten, indem man nicht-lokale mathematische Konstruktionen wie ein Fermat-Prinzip verwendet. Der Lehrer gab eine großartige Analogie, um das Prinzip zu erklären, sollte aber nicht erwarten, ein schrittweises Bild davon zu bekommen.

Die Erklärung ist ganz einfach! Der Grund dafür , dass Licht beim Durchdringen von Glas die Richtung ändert ("krümmt"), liegt darin, dass sich Licht in Glas langsamer ausbreitet als in Luft. Wenn Sie jetzt noch wissen wollen, warum sich Licht in Glas langsamer ausbreitet als in Luft, dann deshalb, weil die Dichte von Glas höher ist als die von Luft und die elektromagnetischen Felder der Glasmoleküle die Lichtausbreitung stärker stören als die der Luftmoleküle.

Wie Sie sehen können, müssen dem Licht keine kognitiven Kräfte gegeben werden!

Im Allgemeinen wird Licht jedes Mal „gebogen“, wenn es von einem Medium zu einem anderen Medium mit höherer oder niedrigerer Dichte geht. Es ist wirklich der Unterschied in den Dichten, der die Krümmung des Lichts verursacht.

Die Erklärung Ihres Lehrers, wie Sie sie beschreiben, scheint ein wenig unaufrichtig. Es stimmt, dass Licht bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedenen Medien in kürzester Zeit von A nach B gelangt. Aus menschlicher Sicht scheint es fast so, als würden die Lichtstrahlen alle möglichen Pfadoptionen berechnen und die optimalste auswählen. Die eigentliche Frage ist, was ist der physikalische Mechanismus, der es dem Licht ermöglicht, das auszuführen, was der Akt eines rationalen Wesens mit unendlicher Rechenkraft zu sein scheint?

Die Antworten auf diese Frage liegen vollständig im Bereich der klassischen Wellentheorie. Es gibt keine weiteren Einblicke, wenn man sich mit den Mysterien der Quantenmechanik befasst. Primeczar gibt den bloßen Umriss einer Erklärung, bei der die polarisierten Ladungen innerhalb des Glases als Quelle neuer Felder angesehen werden. Es ist tatsächlich einfacher, die Berechnung durchzuführen, wenn Sie einfach akzeptieren, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Glas niedriger als in Luft ist, und sich auf die übermäßige Polarisation konzentrieren, die nur auf der Oberfläche des Glases auftritt, nicht im Körper. Es ist dann unnötig, den Grad der Polarisation zu bestimmen, nur um zu erkennen, dass er eine Art konstanter Phasenbeziehung mit der treibenden Kraft der ankommenden Welle haben muss. Aus diesem rein geometrischen Argument folgt eindeutig der Brechungswinkel.

Elektronen- und Atomstrahlen weisen ebenfalls eine Brechung auf. Der Ablenkwinkel ist auf den Bewegungswiderstand zurückzuführen, der von der Partikelgröße und der Dichte des Mediums abhängt. Photon verhält sich in diesem Effekt wie ein Teilchen. Wenn es direkt hereinkommt, drückt der Widerstand direkt zurück und ändert die Richtung nicht. Im Wikipedia-Artikel wird es direkt oder senkrecht zur Oberfläche als "normal" bezeichnet. Wenn es in einem Winkel einfällt, wird der Vektor der Widerstandskraft in zwei Komponenten analysiert: eine parallel und eine vertikal zu ("normal"). Die letzte Komponente drückt das Photon von der "normalen" Richtung weg .

Licht ist eine elektromagnetische Welle. elektrische und magnetische Feldschwingungen stehen senkrecht aufeinander. Sie erzeugen sich gegenseitig weiter. Die Ausbreitungsrichtung einer EM-Welle wird durch den Poynting-Vektor angegeben, der ein Vektor in einer Richtung ist, die senkrecht sowohl zu den Schwingungsrichtungen des elektrischen Felds als auch des Magnetfelds verläuft. Wenn nun Licht von einem Medium zum anderen geht, sagen wir, von Luft zu Glas, passiert, dass das E-Feld die Glasatome polarisiert. Wenn nun das E-Feld oszilliert, oszilliert auch der Polarisationseffekt, das heißt, er ändert die Richtung der induzierten Dipolmomente. Die positiven und negativen Ladungen innerhalb der Glasatome schwingen also nun auch und erzeugen ein eigenes elektrisches und magnetisches Feld. Das elektrische und magnetische Nettofeld ist also zu jedem Zeitpunkt das Ergebnis der Felder, die von der ursprünglichen Quelle erzeugt werden, sowie der Felder, die von den Ladungen in den Glasatomen erzeugt werden. Daher ändern sich die Richtungen des E-Felds und des B-Felds. der entsprechende Pointing-Vektor ändert sich ebenfalls. Daher wird die Richtung des Lichts geändert.

Schauen Sie sich den Brechungsindex an, der das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu der im Medium darstellt. Licht breitet sich in einem Medium langsamer aus und „streift“ ab und ändert die Richtung, wie in der Zeichnung.

n = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum / Lichtgeschwindigkeit im Medium

Beispielsweise beträgt der Brechungsindex von Wasser 1,33, was bedeutet, dass sich Licht im Vakuum 1,33-mal so schnell ausbreitet wie in Wasser.

Ich sollte hinzufügen, dass Brechung bei allen Arten von Wellen beobachtet wird,

Die Brechung wird durch das Snellsche Gesetz beschrieben, das besagt, dass der Einfallswinkel θ1 mit dem Brechungswinkel θ2 in Beziehung steht

sin(θ1)/sin(θ2)=v1/v2=n2/n1

wobei v1 und v2 die Wellengeschwindigkeiten in den jeweiligen Medien und n1 und n2 die Brechungsindizes sind. Im Allgemeinen wird die einfallende Welle teilweise gebrochen und teilweise reflektiert

Licht ändert die Richtung, wenn es durch ein Prisma geht, weil die Dichte von Luft anders ist als die Dichte von Glas. Daher ändert sich die Geschwindigkeit, wenn etwas (z. B. Glas oder ein Prisma) optisch dicht ist, ist es für Licht schwieriger, hindurchzulaufen, wodurch die Geschwindigkeit abnimmt. Wenn die Wellen auf das Prisma treffen, verlangsamen sie sich, wenn sie also in einem Winkel darauf treffen, verlangsamt sich zuerst ein Teil des ersten Teils der Welle, während der verbleibende Teil später verlangsamt wird. Dadurch ändert sich die Richtung und das Licht bewegt sich anders.