Bagaimana Prisma Berfungsi? Cahaya, Biasan, dan Serakan Diterangkan

Prismaa berfungsi dengan membengkokkan cahaya semasa ia melalui kaca, dan kerana setiap warna cahaya membengkok pada sudut yang berbeza sedikit, cahaya putih bersinar keluar ke dalam spektrum yang boleh dilihat sepenuhnya. Proses ini melibatkan dua prinsip fizikal utama: pembiasan dan penyebaran . Memahami cara kedua-dua kuasa ini berinteraksi menerangkan segala-galanya daripada pelangi di langit kepada eksperimen laser dalam makmal fizik.

Apa yang Berlaku Apabila Cahaya Memasuki Prisma

Apabila sinar cahaya bergerak dari udara ke kaca, ia menjadi perlahan. Kaca secara optik lebih tumpat daripada udara, bermakna cahaya bergerak melaluinya pada kelajuan yang lebih rendah. Perubahan kelajuan ini menyebabkan sinar cahaya membengkok di sempadan antara dua bahan. Lenturan ini dipanggil pembiasan .

Jumlah lenturan diterangkan oleh Snells Law, yang menyatakan bahawa nisbah sinus sudut tuju kepada sinus sudut biasan adalah sama dengan nisbah kelajuan cahaya dalam dua media. Dari segi praktikal, cahaya membengkok ke arah garis yang berserenjang dengan permukaan apabila memasuki medium yang lebih tumpat dan membengkok darinya apabila keluar.

Sebuah prisma dibentuk dengan sekurang-kurangnya dua permukaan rata dan bersudut. Cahaya masuk melalui satu muka dan keluar melalui muka yang lain. Oleh kerana kedua-dua permukaan tidak selari, pembiasan yang berlaku pada kemasukan tidak membatalkan semasa keluar. Sebaliknya, kedua-dua pembiasan terkompaun, membengkokkan cahaya lebih jauh ke arah yang sama.

Mengapa Cahaya Putih Berpecah Kepada Warna

Cahaya putih bukan satu warna. Ia adalah campuran semua warna spektrum yang boleh dilihat, setiap satu dengan panjang gelombangnya sendiri. Cahaya ungu mempunyai panjang gelombang kira-kira 380 hingga 450 nanometer, manakala cahaya merah terletak di hujung yang lain pada kira-kira 620 hingga 750 nanometer.

Perincian kritikal ialah kaca memperlahankan panjang gelombang yang berbeza dengan jumlah yang berbeza. Panjang gelombang yang lebih pendek, seperti ungu, lebih perlahan di dalam kaca dan oleh itu bengkok lebih tajam. Panjang gelombang yang lebih panjang, seperti merah, kurang perlahan dan kurang bengkok. Variasi sudut lentur berdasarkan panjang gelombang ini dipanggil penyebaran .

Dalam prisma kaca biasa, perbezaan indeks biasan antara cahaya ungu dan merah adalah lebih kurang 0.02 hingga 0.05 , bergantung kepada jenis kaca. Perbezaan kecil itu sudah cukup untuk menyebarkan warna menjadi pelangi yang kelihatan apabila cahaya keluar dari prisma.

Susunan Warna dalam Spektrum

Warna sentiasa muncul dalam urutan yang sama kerana ia sentiasa bengkok mengikut jumlah yang tetap dan boleh diramal. Daripada yang paling tidak bengkok kepada yang paling bengkok, susunannya ialah:

• Merah
• Jingga
• kuning
• hijau
• Biru
• nila
• Violet

Ini adalah urutan yang sama dilihat dalam pelangi semula jadi, di mana titisan air bertindak sebagai prisma kecil di atmosfera.

Peranan Bentuk Prisma

Bentuk segi tiga bagi prisma piawai tidak disengajakan. Sudut pada puncak segi tiga, dipanggil sudut puncak atau sudut prisma, secara langsung mengawal jumlah sisihan yang dialami cahaya. Sudut puncak yang lebih besar menghasilkan pemisahan yang lebih besar antara warna.

Kebanyakan prisma tunjuk cara mempunyai sudut puncak 60 darjah , yang memberikan serakan yang kuat dan mudah dilihat tanpa memerlukan geometri yang melampau. Prisma 30 darjah memesongkan cahaya dengan lebih lembut, manakala sudut di atas 70 darjah mula menyebabkan kehilangan cahaya yang ketara akibat pantulan dalaman pada permukaan.

Bahan prisma juga penting. Kaca flint padat mempunyai indeks biasan yang lebih tinggi daripada kaca borosilikat standard, jadi ia menyebarkan warna dengan lebih kuat. Inilah sebabnya mengapa instrumen optik yang memerlukan pemisahan warna yang tepat menggunakan kaca yang dirumus khas berbanding kaca tingkap biasa.

Indeks Biasan Berbanding Merentas Warna

Walaupun perbezaan dalam indeks biasan kelihatan kecil di atas kertas, ia menghasilkan sebaran warna yang jelas kelihatan apabila geometri prisma menguatkannya merentasi muka keluar.

Bolehkah Prisma Menggabungkan Semula Cahaya Menjadi Putih

ya. Isaac Newton menunjukkan ini pada tahun 1666 dengan meletakkan prisma kedua terbalik di laluan spektrum tersebar dari yang pertama. Prisma kedua membengkokkan setiap warna kembali ke dalam penjajaran, menggabungkannya semula menjadi satu pancaran cahaya putih. Percubaan ini membuktikan dua perkara: cahaya putih mengandungi semua warna, dan prisma itu sendiri tidak menambah warna kepada cahaya tetapi hanya mendedahkan apa yang sedia ada.

Keterbalikan ini penting dalam reka bentuk optik. Sistem yang perlu memisahkan panjang gelombang untuk analisis kemudiannya boleh menggabungkannya semula tanpa kehilangan maklumat, dengan mengandaikan optik ideal tanpa penyimpangan.

Penggunaan Praktikal Prisma Melangkaui Pemisahan Warna

Prisma bukan sahaja digunakan untuk mencipta pelangi. Mereka menyediakan pelbagai fungsi tepat dalam instrumen dan teknologi optik.

Spektroskopi

Para saintis menggunakan spektrometer berasaskan prisma untuk menganalisis cahaya yang dipancarkan atau diserap oleh bahan. Setiap elemen menghasilkan set garis spektrum yang unik, bertindak seperti cap jari. Ahli astronomi menggunakan teknik ini untuk menentukan komposisi kimia bintang yang jaraknya berjuta-juta tahun cahaya, tanpa pernah mengumpul sampel fizikal.

Teropong dan Periskop

Prisma bumbung dan prisma Porro di dalam teropong digunakan refleksi dalaman keseluruhan bukannya penyebaran. Apabila cahaya mengenai permukaan dalaman kaca pada sudut yang lebih curam daripada sudut genting, ia memantul sepenuhnya tanpa sebarang kehilangan. Ini membolehkan teropong melipat laluan optik ke dalam bentuk padat sambil mengekalkan kecerahan dan orientasi imej.

Telekomunikasi dan Gentian Optik

Pemultipleksan pembahagian panjang gelombang dalam rangkaian gentian optik menggunakan komponen berasaskan penyebaran yang berfungsi sama dengan prisma. Saluran data yang berbeza dihantar pada panjang gelombang cahaya yang berbeza dan kemudian dipisahkan atau digabungkan menggunakan grating pembelauan atau elemen seperti prisma, membolehkan satu gentian membawa sejumlah besar maklumat secara serentak.

Sistem Kamera dan Projektor

Kamera video canggih menggunakan prisma pemisah rasuk untuk membahagikan cahaya masuk ke dalam saluran merah, hijau dan biru yang berasingan, setiap satu ditangkap oleh penderia khusus. Ini menghasilkan pembiakan warna yang lebih tepat daripada sistem sensor tunggal yang bergantung pada tatasusunan penapis warna.

Bagaimana Sudut Kejadian Mempengaruhi Output

Sudut di mana cahaya mengenai permukaan prisma dengan ketara mempengaruhi hasilnya. Pada sudut sisihan minimum, cahaya melepasi secara simetri melalui prisma dan serakan adalah paling bersih. Pada sudut tuju yang lebih curam, beberapa panjang gelombang mungkin mengalami pantulan dalaman total dan tidak keluar dari prisma sama sekali.

Untuk prisma kaca mahkota 60 darjah, sudut sisihan minimum adalah lebih kurang 37 hingga 40 darjah untuk cahaya nampak. Jurutera optik mengira ini dengan tepat semasa mereka bentuk instrumen untuk memastikan panjang gelombang yang dikehendaki melepasi dengan herotan yang minimum.

Jika cahaya mengenai permukaan pada sudut yang terlalu cetek, ia mungkin memantul daripada memasuki kaca sama sekali, fenomena yang dikawal oleh persamaan Fresnel. Salutan anti-pantulan pada kualiti tinggi prisma optik meminimumkan kehilangan permukaan ini dan meningkatkan kecekapan penghantaran.

Perbezaan Antara Prisma dan Kisi Difraksi

Kedua-dua prisma dan jeriji pembelauan boleh memisahkan cahaya ke dalam panjang gelombang komponennya, tetapi ia melakukannya melalui mekanisme fizikal yang berbeza sama sekali. Prisma menggunakan pembiasan dan pergantungan panjang gelombang indeks biasan. Kisi pembelauan menggunakan gangguan gelombang cahaya yang tersebar dari permukaan yang diliputi dengan beribu-ribu garisan selari halus.

Terutama, susunan warna diterbalikkan antara keduanya. Dalam prisma, ungu paling bengkok. Dalam parut pembelauan, merah dibelaukan ke sudut terbesar. Perbezaan ini adalah akibat langsung daripada fizik asas dalam setiap kes.

Mengapa Sesetengah Bahan Menyuraikan Cahaya Lebih Daripada Yang Lain

Kecenderungan bahan untuk menyebarkan cahaya diukur dengan nombor Abbenya. A nombor Abbe rendah bermaksud penyebaran tinggi, bermakna bahan memisahkan warna dengan kuat. Nombor Abbe yang tinggi bermakna penyebaran rendah. Kaca batu api padat mempunyai nombor Abbe sekitar 36, manakala kaca mahkota borosilikat terletak berhampiran 64.

Dalam kanta kamera, serakan tinggi biasanya tidak diingini kerana ia menghasilkan penyimpangan kromatik, di mana warna berbeza memfokus pada jarak yang sedikit berbeza dan menghasilkan pinggiran atau kabur. Pereka kanta sengaja menggabungkan unsur yang diperbuat daripada kaca penyebaran tinggi dan rendah untuk membatalkan ralat kromatik, teknik yang dipanggil pembetulan akromatik.

Walau bagaimanapun, dalam spektrometer prisma, penyebaran yang tinggi adalah seperti yang anda mahukan. Lebih kuat serakan, lebih banyak penyebaran spektrum, menjadikannya lebih mudah untuk membezakan jarak gelombang yang rapat.

Pengambilan Utama

Prisma membelah cahaya putih kepada spektrum kerana kaca memperlahankan panjang gelombang yang berbeza dengan jumlah yang berbeza, menyebabkan setiap warna membias pada sudut yang unik. Geometri segi tiga prisma memastikan kedua-dua pembiasan masuk dan keluar membengkokkan cahaya ke arah yang sama, menguatkan pemisahan. Hasilnya ialah pelangi yang kelihatan dari merah di hujung cetek kepada ungu di hujung curam.

1. Pembiasan menyebabkan cahaya membengkok apabila bergerak antara bahan yang mempunyai ketumpatan optik yang berbeza.
2. Penyerakan menyebabkan panjang gelombang yang berbeza dibengkokkan dengan jumlah yang berbeza dalam bahan yang sama.
3. Bentuk prisma menggabungkan pembiasan pada dua permukaan, menghasilkan pemisahan warna yang boleh dilihat.
4. Proses ini boleh diterbalikkan sepenuhnya, seperti yang dibuktikan oleh Newton dengan menggabungkan semula spektrum dengan prisma kedua.
5. Prisma digunakan dalam spektroskopi, sistem pengimejan, teropong dan telekomunikasi, bukan sahaja dalam demonstrasi bilik darjah.