Paano Gumagana ang isang Prisma? Ipinaliwanag ang Liwanag, Repraksyon, at Pagpapakalat

Gumagana ang isang prisma sa pamamagitan ng pagbaluktot ng liwanag habang dumadaan ito sa salamin, at dahil ang bawat kulay ng liwanag ay nakayuko sa bahagyang naiibang anggulo, ang puting ilaw ay pumapatak sa isang buong nakikitang spectrum. Ang prosesong ito ay nagsasangkot ng dalawang pangunahing pisikal na prinsipyo: repraksyon at pagpapakalat . Ang pag-unawa sa kung paano nakikipag-ugnayan ang dalawang puwersang ito ay nagpapaliwanag ng lahat mula sa mga bahaghari sa kalangitan hanggang sa mga eksperimento sa laser sa isang physics lab.

Ano ang Mangyayari Kapag Pumasok ang Liwanag sa isang Prismaa

Kapag ang isang sinag ng liwanag ay naglalakbay mula sa hangin patungo sa salamin, ito ay bumagal. Ang salamin ay optically mas siksik kaysa sa hangin, ibig sabihin, ang liwanag ay gumagalaw dito sa mas mababang bilis. Ang pagbabago sa bilis na ito ay nagiging sanhi ng liwanag na sinag na yumuko sa hangganan sa pagitan ng dalawang materyales. Ang baluktot na ito ay tinatawag repraksyon .

Ang halaga ng baluktot ay inilarawan ng Snells Law, na nagsasaad na ang ratio ng sine ng anggulo ng saklaw sa sine ng anggulo ng repraksyon ay katumbas ng ratio ng mga bilis ng liwanag sa dalawang media. Sa praktikal na mga termino, ang liwanag ay yumuyuko patungo sa isang linya na patayo sa ibabaw kapag pumapasok sa isang mas siksik na daluyan at yumuko mula dito kapag lalabas.

Ang isang prisma ay hugis na may hindi bababa sa dalawang patag, anggulong ibabaw. Ang liwanag ay pumapasok sa isang mukha at lumalabas sa isa pa. Dahil ang dalawang ibabaw ay hindi parallel, ang repraksyon na nangyayari sa pagpasok ay hindi nagkansela sa labasan. Sa halip, ang parehong mga repraksyon ay pinagsama, na baluktot ang ilaw sa parehong direksyon.

Bakit Nahati ang Puting Ilaw sa Mga Kulay

Ang puting liwanag ay hindi iisang kulay. Ito ay pinaghalong lahat ng mga kulay ng nakikitang spectrum, bawat isa ay may sariling wavelength. Ang violet light ay may wavelength na humigit-kumulang 380 hanggang 450 nanometer, habang ang pulang ilaw ay nasa kabilang dulo sa humigit-kumulang 620 hanggang 750 nanometer.

Ang kritikal na detalye ay ang salamin ay nagpapabagal sa iba't ibang mga wavelength sa pamamagitan ng iba't ibang mga halaga. Ang mas maiikling wavelength, tulad ng violet, ay mas bumagal sa loob ng salamin at samakatuwid ay yumuko nang mas matalas. Ang mas mahahabang wavelength, tulad ng pula, ay bumabagal nang mas kaunti at mas kaunti ang pagyuko. Ang pagkakaiba-iba na ito sa anggulo ng baluktot batay sa haba ng daluyong ay tinatawag pagpapakalat .

Sa isang tipikal na glass prism, ang pagkakaiba sa refractive index sa pagitan ng violet at red light ay humigit-kumulang 0.02 hanggang 0.05 , depende sa uri ng salamin. Ang maliit na pagkakaiba na iyon ay sapat na upang ikalat ang mga kulay sa isang nakikitang bahaghari kapag ang liwanag ay lumabas sa prisma.

Ang Pagkakasunod-sunod ng Mga Kulay sa Spectrum

Ang mga kulay ay palaging lumilitaw sa parehong pagkakasunud-sunod dahil sila ay palaging yumuko ayon sa mga nakapirming, predictable na mga halaga. Mula sa hindi bababa sa baluktot hanggang sa pinakabaluktot, ang pagkakasunud-sunod ay:

• Pula
• Kahel
• Dilaw
• Berde
• Asul
• Indigo
• Violet

Ito ang parehong pagkakasunud-sunod na nakikita sa natural na mga bahaghari, kung saan ang mga patak ng tubig ay kumikilos bilang maliliit na prisma sa atmospera.

Ang Papel ng Hugis ng Prisma

Ang tatsulok na hugis ng isang karaniwang prisma ay hindi sinasadya. Ang anggulo sa tuktok ng tatsulok, na tinatawag na apex angle o prism angle, ay direktang kinokontrol kung gaano kalaki ang kabuuang paglihis na nararanasan ng liwanag. Ang isang mas malaking anggulo ng tuktok ay gumagawa ng mas malaking paghihiwalay sa pagitan ng mga kulay.

Karamihan sa mga demonstration prism ay may tuktok na anggulo ng 60 degrees , na nagbibigay ng malakas at madaling nakikitang dispersion nang hindi nangangailangan ng matinding geometry. Ang isang 30-degree na prism ay nagpapalihis ng liwanag nang mas malumanay, habang ang mga anggulo sa itaas ng 70 degrees ay nagsisimulang magdulot ng malaking pagkawala ng liwanag dahil sa mga panloob na pagmuni-muni sa mga ibabaw.

Mahalaga rin ang materyal ng prisma. Ang siksik na flint na salamin ay may mas mataas na refractive index kaysa sa karaniwang borosilicate glass, kaya mas malakas itong nagpapakalat ng mga kulay. Ito ang dahilan kung bakit ang mga optical na instrumento na nangangailangan ng tumpak na paghihiwalay ng kulay ay gumagamit ng espesyal na formulated na salamin sa halip na ordinaryong salamin sa bintana.

Repraktibo Index na Kumpara sa Mga Kulay

Kahit na ang mga pagkakaiba sa refractive index ay mukhang maliit sa papel, sila ay gumagawa ng isang malinaw na nakikitang pagkalat ng mga kulay kapag ang geometry ng prism ay nagpapalaki sa kanila sa kabuuan ng exit face.

Maaari bang muling pagsamahin ng Prism ang Liwanag sa Puti

Oo. Ipinakita ito ni Isaac Newton noong 1666 sa pamamagitan ng paglalagay ng pangalawang prisma na nakabaligtad sa landas ng dispersed spectrum mula sa una. Ang pangalawang prism ay binaluktot ang bawat kulay pabalik sa pagkakahanay, na muling pinagsama ang mga ito sa isang solong sinag ng puting liwanag. Ang eksperimentong ito ay nagpatunay ng dalawang bagay: ang puting liwanag ay naglalaman ng lahat ng mga kulay, at ang prisma mismo ay hindi nagdaragdag ng kulay sa liwanag ngunit ipinapakita lamang kung ano ang naroroon na.

Ang reversibility na ito ay mahalaga sa optical design. Ang mga system na kailangang paghiwalayin ang mga wavelength para sa pagsusuri ay maaaring muling pagsamahin ang mga ito sa ibang pagkakataon nang walang anumang pagkawala ng impormasyon, sa pag-aakalang perpektong optika na walang mga aberasyon.

Mga Praktikal na Paggamit ng Prisms Higit pa sa Paghihiwalay ng Kulay

Ang mga prisma ay hindi lamang ginagamit upang lumikha ng mga bahaghari. Naghahatid sila ng iba't ibang tumpak na pag-andar sa mga optical na instrumento at teknolohiya.

Spectroscopy

Gumagamit ang mga siyentipiko ng mga spectrometer na nakabatay sa prisma upang pag-aralan ang liwanag na ibinubuga o hinihigop ng mga sangkap. Ang bawat elemento ay gumagawa ng isang natatanging hanay ng mga parang multo na linya, na kumikilos tulad ng isang fingerprint. Ginagamit ng mga astronomo ang pamamaraang ito upang matukoy ang kemikal na komposisyon ng mga bituin na milyun-milyong light years ang layo, nang hindi nangongolekta ng pisikal na sample.

Binocular at Periscope

Ang mga prisma sa bubong at mga prisma ng Porro sa loob ng binocular ay ginagamit kabuuang panloob na pagmuni-muni sa halip na pagpapakalat. Kapag ang liwanag ay tumama sa panloob na ibabaw ng salamin sa isang anggulo na mas matarik kaysa sa kritikal na anggulo, ito ay ganap na sumasalamin nang walang anumang pagkawala. Nagbibigay-daan ito sa mga binocular na tiklop ang optical path sa isang compact form habang pinapanatili ang liwanag at oryentasyon ng imahe.

Telekomunikasyon at Fiber Optics

Ang wavelength division multiplexing sa mga fiber optic na network ay gumagamit ng dispersion-based na mga bahagi na gumagana nang katulad ng prisms. Ang iba't ibang mga channel ng data ay ipinapadala sa iba't ibang mga wavelength ng liwanag at pagkatapos ay pinaghihiwalay o pinagsama gamit ang diffraction gratings o mga elementong tulad ng prisma, na nagpapahintulot sa isang hibla na magdala ng napakalaking dami ng impormasyon nang sabay-sabay.

Camera at Projector System

Ang mga high-end na video camera ay gumagamit ng beam-splitting prism upang hatiin ang papasok na liwanag sa magkahiwalay na pula, berde, at asul na mga channel, bawat isa ay nakunan ng isang nakalaang sensor. Gumagawa ito ng mas tumpak na pagpaparami ng kulay kaysa sa mga single-sensor system na umaasa sa mga array ng filter ng kulay.

Paano Naaapektuhan ng Anggulo ng Incidence ang Output

Ang anggulo kung saan tumama ang liwanag sa ibabaw ng prisma ay makabuluhang nakakaapekto sa resulta. Sa pinakamababang anggulo ng paglihis, ang ilaw ay dumadaan nang simetriko sa prisma at ang dispersion ay pinakamalinis. Sa mas matarik na mga anggulo ng saklaw, ang ilang mga wavelength ay maaaring sumailalim sa kabuuang panloob na pagmuni-muni at hindi lumabas sa prisma.

Para sa isang 60-degree na crown glass prism, ang pinakamababang anggulo ng deviation ay humigit-kumulang 37 hanggang 40 degrees para sa nakikitang liwanag. Ang mga inhinyero ng optika ay tumpak na kinakalkula ito kapag nagdidisenyo ng mga instrumento upang matiyak na ang nais na mga wavelength ay dumaan nang may kaunting pagbaluktot.

Kung ang liwanag ay tumama sa ibabaw sa masyadong mababaw na anggulo, maaari itong mag-reflect sa halip na pumasok sa salamin, isang phenomenon na pinamamahalaan ng mga equation ng Fresnel. Anti-reflection coatings sa mataas na kalidad optical prisms bawasan ang pagkawala ng ibabaw na ito at pagbutihin ang kahusayan ng paghahatid.

Ang Pagkakaiba sa pagitan ng Prisms at Diffraction Gratings

Ang parehong mga prisma at diffraction grating ay maaaring paghiwalayin ang liwanag sa mga bahagi ng wavelength nito, ngunit ginagawa nila ito sa pamamagitan ng ganap na magkakaibang pisikal na mekanismo. Ang isang prisma ay gumagamit ng repraksyon at ang wavelength dependence ng refractive index. Ang isang diffraction grating ay gumagamit ng interference ng mga light wave na nakakalat mula sa isang ibabaw na natatakpan ng libu-libong fine parallel lines.

Kapansin-pansin, ang pagkakasunud-sunod ng kulay ay nababaligtad sa pagitan ng dalawa. Sa isang prisma, ang violet ay pinaka-baluktot. Sa isang diffraction grating, ang pula ay diffracted sa pinakamalaking anggulo. Ang pagkakaibang ito ay direktang kinahinatnan ng pinagbabatayan ng pisika sa bawat kaso.

Kung Bakit Mas Nagpapakalat ng Liwanag ang Ilang Materyal kaysa Iba

Ang tendensya ng isang materyal na magpakalat ng liwanag ay sinusukat ng numero ng Abbe nito. A mababang numero ng Abbe ay nangangahulugan ng mataas na pagpapakalat, ibig sabihin ay mahigpit na pinaghihiwalay ng materyal ang mga kulay. Ang mataas na numero ng Abbe ay nangangahulugan ng mababang dispersion. Ang siksik na flint glass ay may Abbe number sa paligid ng 36, habang ang borosilicate crown glass ay malapit sa 64.

Sa mga lente ng camera, kadalasang hindi kanais-nais ang mataas na dispersion dahil lumilikha ito ng chromatic aberration, kung saan nakatutok ang iba't ibang kulay sa bahagyang magkaibang mga distansya at gumagawa ng fringing o blurring. Ang mga designer ng lens ay sadyang pinagsama ang mga elemento na ginawa mula sa mataas at mababang dispersion glass upang kanselahin ang chromatic error, isang pamamaraan na tinatawag na achromatic correction.

Sa isang prism spectrometer, gayunpaman, ang mataas na dispersion ay eksakto kung ano ang gusto mo. Kung mas malakas ang dispersion, mas lumalawak ang spectrum, na ginagawang mas madaling makilala ang mga wavelength na malapit sa pagitan.

Mga Pangunahing Takeaway

Hinahati ng isang prisma ang puting liwanag sa isang spectrum dahil ang salamin ay nagpapabagal sa iba't ibang mga wavelength sa pamamagitan ng iba't ibang mga halaga, na nagiging sanhi ng bawat kulay upang mag-refract sa isang natatanging anggulo. Tinitiyak ng triangular na geometry ng prism na ang mga repraksyon sa pagpasok at paglabas ay yumuko sa ilaw sa parehong direksyon, na nagpapalaki sa paghihiwalay. Ang resulta ay isang nakikitang bahaghari na tumatakbo mula sa pula sa mababaw na dulo hanggang sa violet sa matarik na dulo.

1. Repraksyon nagiging sanhi ng pagyuko ng liwanag kapag lumilipat sa pagitan ng mga materyales na may iba't ibang optical density.
2. Pagpapakalat nagiging sanhi ng iba't ibang mga wavelength na yumuko sa iba't ibang mga halaga sa loob ng parehong materyal.
3. Pinagsasama ng hugis ng prisma ang repraksyon sa dalawang ibabaw, na gumagawa ng nakikitang paghihiwalay ng mga kulay.
4. Ang proseso ay ganap na nababaligtad, tulad ng pinatunayan ni Newton sa pamamagitan ng muling pagsasama-sama ng spectrum na may pangalawang prisma.
5. Ginagamit ang mga prism sa spectroscopy, imaging system, binocular, at telekomunikasyon, hindi lamang sa mga demonstrasyon sa silid-aralan.