9.3-Refraction of Light
9.3-Refraction of Light Important Formulae
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Refraction of light is the bending of light rays as they pass from one medium to another, due to a change in their speed. This phenomenon is essential in understanding how lenses and optical devices work. The degree of bending depends on the angle of incidence and the refractive indices of the two media.
Basic Concepts
To understand refraction, several key terms must be defined:
- Incident Ray: The incoming ray of light that strikes the boundary between two media.
- Refracted Ray: The ray that is bent as it passes into the second medium.
- Normal Line: An imaginary line perpendicular to the surface at the point of incidence.
- Angle of Incidence (i): The angle between the incident ray and the normal.
- Angle of Refraction (r): The angle between the refracted ray and the normal.
Snell's Law
Snell's Law quantifies the relationship between the angles of incidence and refraction and the refractive indices of the two media:
n1sin(i) = n2sin(r)
- n1: Refractive index of the first medium.
- n2: Refractive index of the second medium.
The refractive index is a measure of how much light slows down in a medium compared to a vacuum. It can be calculated as:
n = c / v
- c: Speed of light in a vacuum (approximately 3 x 108 m/s).
- v: Speed of light in the medium.
Types of Refraction
Refraction can be classified into two main types:
- Partial Refraction: Occurs when light passes from one medium to another, and some light is reflected while some is refracted. This can be observed when light travels from air to glass.
- Total Internal Reflection: This occurs when light travels from a denser medium to a less dense medium, and the angle of incidence exceeds the critical angle, resulting in all light being reflected back into the denser medium. This principle is used in optical fibers.
Critical Angle and Total Internal Reflection
The critical angle is the angle of incidence beyond which light cannot pass into the second medium but is entirely reflected. It can be calculated using:
sin(c) = n2 / n1
Where c is the critical angle. This phenomenon is significant in applications such as fiber optics and diamonds, where brilliant sparkle is achieved through multiple internal reflections.
Applications of Refraction
Refraction has several practical applications:
- Lenses: Convex and concave lenses utilize refraction to focus or disperse light, forming images in cameras, glasses, and microscopes.
- Optical Instruments: Instruments like telescopes and binoculars use refraction to magnify distant objects.
- Prisms: Prisms disperse light into its constituent colors, demonstrating the spectrum of light.
Refraction in Everyday Life
Refraction can be observed in various everyday phenomena:
- Objects Under Water: When you look at an object submerged in water, it appears to be at a different position due to refraction, making it seem closer than it actually is.
- Mirages: Mirages are optical illusions caused by the refraction of light in layers of air at different temperatures, leading to the appearance of water on hot surfaces.
- Rainbow Formation: Rainbows are formed when light is refracted and dispersed by water droplets in the atmosphere, creating a spectrum of colors.
K.Venkataramana, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
9.3-प्रकाश का अपवर्तन (Refraction of Light)
प्रकाश का अपवर्तन वह घटना है, जिसमें प्रकाश की किरण किसी माध्यम से दूसरे माध्यम में प्रवेश करते समय अपनी दिशा बदलती है। यह परिवर्तन प्रकाश की गति में बदलाव के कारण होता है। जब प्रकाश एक माध्यम से दूसरे माध्यम में प्रवेश करता है, तो उसकी गति और दिशा दोनों में बदलाव होता है। यह घटना मुख्यतः दो माध्यमों के बीच के अपवर्तनांक पर निर्भर करती है।
अपवर्तन का अध्ययन करने के लिए सबसे सामान्य रूप से उपयोग किया जाने वाला नियम है स्नेल का नियम।
स्नेल का नियम (Snell's Law): इस नियम के अनुसार, जब कोई प्रकाश की किरण एक माध्यम से दूसरे माध्यम में प्रवेश करती है, तो इस प्रक्रिया में अपवर्तन कोण (refracted angle) और अभ्यस्त कोण (incident angle) के बीच एक स्थिर अनुपात होता है। यह अनुपात दो माध्यमों के अपवर्तनांकों (refractive indices) पर निर्भर करता है। स्नेल का नियम इस प्रकार है:
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
जहाँ,
n₁ = पहले माध्यम का अपवर्तनांक,
n₂ = दूसरे माध्यम का अपवर्तनांक,
θ₁ = प्रकाश की किरण का पहले माध्यम में अभ्यस्त कोण,
θ₂ = दूसरे माध्यम में अपवर्तित किरण का अपवर्तन कोण।
अपवर्तनांक (Refractive Index): किसी माध्यम का अपवर्तनांक, उस माध्यम में प्रकाश की गति के अनुपात को दर्शाता है, जब इसे वैक्यूम में प्रकाश की गति से तुलना की जाती है। इसका सूत्र इस प्रकार है:
n = c / v
यहाँ,
n = माध्यम का अपवर्तनांक,
c = वैक्यूम में प्रकाश की गति (approximately $3 \times 10^8$ m/s),
v = माध्यम में प्रकाश की गति।
जब प्रकाश किसी घने माध्यम से कम घने माध्यम में प्रवेश करता है, तो वह अपनी दिशा में मोड़ता है और वह अपवर्तित होता है। यदि प्रकाश कम घने से घने माध्यम में प्रवेश करता है, तो उसकी दिशा में अधिक बदलाव होता है।
प्राकृतिक उदाहरण: जब हम एक काँच की छड़ी को पानी में डुबोते हैं, तो वह छड़ी पानी में टूटती हुई दिखाई देती है। यह प्रकाश का अपवर्तन है, जहाँ प्रकाश की गति पानी में अधिक धीमी होती है, जिससे छड़ी का आकार टूटता हुआ प्रतीत होता है।
कांच से हवा में प्रकाश का अपवर्तन: कांच से हवा में प्रवेश करते समय प्रकाश की गति अधिक होती है। इस कारण प्रकाश की किरण हवा की दिशा में मुड़ जाती है। इसी प्रकार, जल से हवा में प्रकाश का अपवर्तन होता है जब जल से हवा में प्रकाश की गति बढ़ती है।
सामान्य परिकल्पना (General Observation): अपवर्तन का मुख्य कारण प्रकाश की गति में परिवर्तन है। जब प्रकाश एक माध्यम से दूसरे माध्यम में प्रवेश करता है, तो उसके साथ संबंधित दोनों माध्यमों के अपवर्तनांक का अंतर महत्वपूर्ण होता है। यह अंतर ही प्रकाश की दिशा को निर्धारित करता है।