Прекршување (физика)

Прекршување или рефракција — промена на насоката на ширење на бран при неговото преминување од една во друга преносна материјална средина.
Ваквиот феномен се објаснува со помош на законите за запазување на енергијата и импулсот. Поради менување на материјалната средина низ која се шири бранот, неговата фазна брзина се менуваа соодветно на средината, но честотата останува иста. Појавата може да се воочи кога бранот зафаќа агол различен од 0° со нормалата на граничната линија меѓу двете различни средини. Најчесто забележана појава е прекршувањето на светлината. Но, сите видови бранови подлежат на прекршување при премин од една во друга средина — звучните бранови, брановите во водата при премин во област со поголема длабочина итн.
Прекршувањето е опишано со Снеловиот закон за прекршување: При прекршување на брановите упадниот зрак, нормалата и зракот на прекршениот бран лежат во иста рамнина. Односот на синусот на упадниот агол ''θ<sub>1</sub>'' и синусот аголот на прекршување ''θ<sub>2</sub>'' е еднаков на односот на брзините на ширењето на бранот во средината во која бранот упаѓа и брзината на средината во која се прекршува (''v''<sub>1</sub> / ''v''<sub>2</sub>). Овој однос е наречен релативен показател на прекршување на средината 2 во однос на средината 1 (''n''<sub>21</sub> = ''n''<sub>2</sub> / ''n''<sub>1</sub>):
:<math>\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}.</math>
Упадниот бран, всушност, делумно се прекршува, а делумно се одбива (тоа го објаснуваат Френеловите равенки).
1 Објаснение
Прекршување во оптиката настанува кога светлинскиот бран паѓа под кос агол на граничната површина со средина која има поинаков показател на прекршување. На границата се менува брановата брзина, поради што доаѓа до промена и во насоката. Иако брзината се менува, честотата останува константна. На пример, светлински зрак се прекршува при минување низ стакло поставено во воздух, затоа неговата брзина ќе се промени. Прекршување има и кога бранот нормално упаѓа на граничната површина (под прав агол) — брзината се менува, иако насоката останува иста. Разбирањето на концептот на оваа појава придонело за значајни пронајдоци — леќите и рефракорот.
Прекршувањето може јасно да се забележи при гледање во сад исполнет со вода зашто показателот на прекршување на воздухот е приближно 1,0003, а на водата 1,3330. Доколку едната половина од прав предмет (молив, сламка и сл.) се потопи во вода под некој агол, предметот гледан одозгора изгледа закривен кај површината на водата. Ваквата појава се должи на скршнувањето на светлинските зраци при преминот од воздух во вода. Кога тие ќе стигнат до окото, тоа ги восприема како прави линии кои се пресекуваат во точка која се наоѓа повисоко од вистинската (изворот на зраците). Затоа моливот изгледа како да се наоѓа повисоко, а водата како да е поплитка. Оваа набљудувана длабочина се нарекува ''привидна длабочина'' и е важна при ловењето риби со копје бидејќи дава грешна претстава за нивната положба во водата – треба да се цели подлабоко. И спротивното важи – ликот гледан од под вода има ''привидна висина'', па рибата-стрелец, на пример, мора да цели пониско за да го дофати пленот.
При мали упадни агли (кога sinθ ≈ tanθ; мерени во однос на нормалата) односот на привидната и вистинската длабочина е еднаков со односот на индексите на прекршување на воздухот и водата. Но, како што упадниот агол се доближува кон 90<sup>o</sup>, привидната длабочина се стреми кон нула. Се зголемува рефлексијата, затоа не може да се набљудува при големи упадни агли. Спротивно гледано, од водата кон воздухот, привидната висина се стреми кон бесконечност со доближување на упадниот агол (оддолу) до аголот на тотална рефлексија, та сликата при поголеми агли од оној на тотална рефлексија не се гледа.
Водните бранови патуваат побавно во поплитка вода, па при преминување во истата брановата должина се намалува и бранот се закривува кај границата меѓу двата региона (чија нормала е претставена со испрекината линија). Овој феномен објаснува зошто брановите го удираат брегот под речиси прав агол. Преминувајќи од подлабока во поплитка вода како што се приближуваат до брегот, брановите се прекршуваат од првобитната насока до агол речиси нормален на брегот.
Виножитото е појава која се должи на прекршување на белата светлина при минувањето низ стаклена триаголна призма и нејзино разделување на боите од спектарот на видливата светлина. Тоа се должи на повисокиот показател на прекршување на стаклото во однос на воздухот. Кога светлински зрак преминува од воздухот во материјал со показател на прекршување кој зависи од честотата, доаѓа до појава наречена дисперзија – различните обоени компоненти на белата светлина, кои имаат различни честоти, се прекршуваат под различни агли, та се издвојуваат една од друга.
Прекршувањето предизвикува и други оптички феномени освен божилакот. Меѓу нив се наоѓаат мираж и фатаморгана –изобличување или поместување на оддалечените предмети како последица на промената на показателот на прекршување со промената на температурата на водухот.
Показателот на прекршување може да биде и нелинеарен, како при Керовиот ефект каде светлината со голем интензитет придонесува за показател на прекршување пропорционален со интензитетот на упадната светлина.
Постојат метаматеријали со негативен показател на прекршување. Кај метаматеријалите забележлива е и појава на тотално прекршување кога брановите импеданции на двете средини се еднакви. Тогаш нема рефлексија на бранот.
Поради својството на прекршувањето за оптичко приближување на набљудуваните предмети, водата може да игра улога на лупа. Светлинскиот зрак ја намалува брзината како што влегува во капка вода, а ако граничната површина не е рамна, зракот и се закривува продолжувајќи по нов пат. Заоблената форма на површината ја закривува светлината нанадвор, па како што таа продолжува да се шири, сликата на набљудуваниот предмет е зголемена.
Прекршувањето често се објаснува преку следнава аналогија: „Група маршира под кос агол од тротоар (брза материјална средина) во кал (бавна средина). Оние кои маршираат на страната која прва влегува во калот први го забавуваат чекорот. Поради тоа целата група продолжува да се движи низ калта под малку помал агол во однос на нормалата.“
Патеката по која патува светлината е секогаш онаа за чие минување е потребно најмалку време. Аналогно на тоа е кога чувар на плажа ќе забележи некој кој се дави. Бидејќи побрзо може да трча по плажата отколку да плива, може да се утврди дека има само еден најбрз пат до давеникот — едно место од кое треба да се влезе во вода за најбрзо да се исплива потребното растојание.
Причините за прекршување на светлината при премин од една во друга средина ја разработил Ричард Фајнман во квантната механика.
2 Клиничко значење
Во медицината, особено во оптометријата, офталмологијата и ортоптиката, ''рефракција'' (''рефрактометрија'') е клинички тест при кој очниот лекар користи фороптер за утврдување на рефракциската грешка на окото и препишување на соодветни корективни леќи. Притоа, според оптичката моќ и фокусното растојание на различните леќи кои се вметнуваат во фороптерот, се утврдува кои се одликите на леќата која ќе овозможи јасен вид.
3 Акустика
Во подводната акустика прекршувањето претставува закривеност на звучен бран при што доаѓа до промена на неговата брзина при премин од еден во друг регион. Количината на закривеност на зракот зависи од разликата меѓу двете брзини на звукот, односно од варијациите во температурата, притисокот и соленоста на водата.
Слични акустични ефекти има во Земјината атомсфера, а прекршувањето на звукот во неа му е познато на човекот со векови. Сепак, ефектите нашле примена дури по 1970 година, кај оградите за звучна изолација на автопатите кои го користат закривеноста на звучните бранови во атмосферата како резултат на метеоролошките влијанија.
4 Поврзано
*Двојно прекршување
*Дифракција (кога бранот наидува на пречка)
*Хајгенс-Френелов принцип
*Список на индекси на прекршување
*Метаматеријали
*Паралакса (видливо поместување на предметот гледан под различни агли)
*Рефлексија
*Тотална рефлексија