Посібник з фізики. Заломлення світла.

Явище заломлення світла.

Якщо світловий пучок падає на поверхню, що розділяє дві прозорі середовища різної оптичної щільності, наприклад повітря і воду, то частина світла відбивається від цієї поверхні, а інша частина - проникає в другу середу. При переході з одного середовища в іншу промінь світла змінює напрямок на кордоні цих середовищ. Це явище називається заломленням світла.

Розглянемо заломлення світла докладніше. На малюнку п надані: падаючий промінь АТ, переломлених промінь ОВ і перпендикуляр CD, відновлений з точки падіння Про до поверхні, що розділяє дві різні середовища. Кут АОС - кут падіння, кут DOB - кут заломлення. Кут заломлення DOB менше кута падіння АОС.

Промінь світла при переході з повітря в воду, змінює свій напрямок, наближаючись до перпендикуляру CD. Вода - середовище оптично більш щільна, ніж повітря. Якщо воду замінити будь-якої іншої прозорішим середовищем, оптично більш щільною, ніж повітря, то переломлених промінь також буде наближатися до перпендикуляру. Тому можна сказати: якщо світло йде з середовища оптично менш щільною в більш щільну середу, то кут заломлення завжди менше кута падіння.

Досліди показують, що при одному і тому ж вугіллі падіння кут заломлення тим менше, чим щільніше в оптичному відношенні середовище, в яку проникає промінь.
Якщо на шляху переломлених променя розташувати перпендикулярно променю дзеркало, то світло відіб'ється від дзеркала і вийде з води в повітря у напрямку падаючого променя. Отже, промені падаючий і переломлених оборотні так само, як оборотні падаючий і відбитий промені.
Якщо світло йде з середовища більш оптично щільною в середу менш щільну, то кут заломлення променя більше кута падіння.

Давайте проведемо вдома маленький експеримент. м будинку маленькійексперімент. ам треба опустити в склянку з водою олівець, і він здасться поламаним. Е то можна пояснити тільки тим, що промені світла, що йдуть від олівця, мають в воді інший напрямок, ніж в повітрі, т. Е. Відбувається заломлення світла на кордоні повітря з водою. Коли світло переходить з одного середовища в іншу, на межі поділу відбувається відображення частини падаючого на неї світла. Інша частина світла проникає в нове середовище. Якщо світло падає під кутом до поверхні розділу, відмінним від прямого, від на кордоні світловий промінь змінює свій напрямок. Це і називається явищем заломленням світла. Явище заломлення світла спостерігається на кордоні двох прозорих середовищ і пояснюється різною швидкістю поширення світла в різних середовищах. У вакуумі швидкість світла становить приблизно 300000 км / с, у всіх інших

з редах вона менше.

На малюнку нижче показаний промінь, що переходить з повітря у воду. кут називається кутом падіння променя, а - кутом заломлення. Зверніть увагу на те, що в воді промінь наближається до нормалі. Так відбувається щоразу, коли промінь потрапляє в середовище, де швидкість світла менше. Якщо ж світло поширюється з одного середовища в іншу, де швидкість світла більше, то він відхиляється від нормалі.

Заломленням обумовлений цілий ряд широко відомих оптичних ілюзій. Наприклад, спостерігачеві на березі, здається, що у людини, яка зайшла у воду по пояс, ноги стали коротшими.

Закони заломлення світла.

З усього сказаного робимо висновок:
1. На межі розділу двох середовищ різної оптичної щільності промінь світла при переході з одного середовища в іншу змінює свій напрямок.
2. При переході променя світла в середу з більшою оптичною щільністю кут заломлення менше кута падіння; при переході променя світла з оптично більш щільного середовища в середу менш щільну кут заломлення більше кута паде ня.
Заломлення світла супроводжується відображенням, причому зі збільшенням кута падіння яскравість відбитого пучка зростає, а переломлених слабшає. Це можна побачити проводячи досвід, зображеному на малюнку. З ледовательно, відбитий пучок забирає з собою тим більше світлової енергії, чим більше кут падіння.

Нехай MN -граніца розділу двох про прозорих середовищ, наприклад, повітря і води, АТ -падающій промінь, ОВ - переломлений промінь, -кут падіння, -кут заломлення, -швидкість поширення світла в першому середовищі, - швидкість поширення світла в другому середовищі.

Перший закон заломлення звучить так: відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійною величиною для даних двох середовищ:

, де - відносний показник заломлення (показник заломлення другого середовища відносно першого).

Другий закон заломлення світла дуже нагадує другий закон відбиття світла:

падаючий промінь, промінь переломлений і перпендикуляр, проведений в точку падіння променя, лежить в одній площині.

Абсолютний показник заломлення.

Швидкість поширення світла в повітрі майже не відрізняється від швидкості світла в вакуумі: з м / с.

Якщо світло потрапляє з вакууму в якусь середу, то

де n - абсолютний показник заломлення даного середовища. Відносний показник заломлення двох середовищ пов'язаний з абсолютними показниками заломлення цих середовищ, де і - відповідно абсолютні показники заломлення першої і другої середовищ.

Абсолютні показники заломлення світла:

речовина

Алмаз 2,42. Кварц 1,54. Повітря (при нормальних умовах) 1,00029. Етиловий спирт 1,36. Вода 1,33. Лід 1,31. Скипидар 1,47. Плавлений кварц 1,46. Крон 1,52. Легкий флінт 1,58. Хлорид натрію (сіль) 1,53.

(Як ми побачимо надалі, показник заломлення n дещо змінюється в залежності від довжини хвилі світла - постійне значення він зберігає тільки в вакуумі. Тому наведені в таблиці дані відповідають жовтого світла з довжиною хвилі .)

Напімер, так як для алмазу , Світло поширюється в алмазі зі швидкістю

Оптична щільність середовища.

Якщо абсолютний показник заломлення першого середовища менше абсолютного показника заломлення другого середовища, то перша середовище має меншу оптичну щільність, ніж друга і > . Оптичну щільність середовища не слід плутати з щільністю речовини.

Проходження світла крізь плоско-паралельну пластинку і призму.

Велике практичне значення має проходження світла через прозорі тіла різної форми. Розглянемо найбільш прості випадки.
Направимо промінь світла крізь товсту плоскопараллельную пластинку (пластинку, обмежену паралельними гранями). Проходячи через пластинку, промінь світла заломлюється двічі: один раз при вході в пластинку, другий раз при виході з пластинки в пов ух.

Минулий через пластинку промінь світла залишається паралельним свого початкового напрямку і тільки трохи зміщується. Цей зсув тим більше, чим товще пластинка і чим більше кут падіння. Величина зміщення залежить і від того, з якої речовини виготовлена ​​пластинка.
Прикладом плоскопараллельной пластинки служить віконне скло. Але розглядаючи предмети через скло, ми не помічаємо змін в їх розташуванні і формі тому, що скло тонке; промені світла, проходячи віконне скло, зміщуються незначно.
Якщо розглядати який-небудь предмет через призму, то предмет кажетсясмещённим. Той, хто йде від предмета промінь світла падає на призму в точці А, заломлюється і йде всередині призми по направленшо АВ Дійшовши до другої грані призми. промінь світла ще раз заломлюється, відхиляючись до основи призми. Тому здається, що промінь йде з точки. располо женной на продовженні променя ВС, тобто предмет здається зміщеним до вершини кута, утвореного заломлюючими гранями призми.

Повне відображення світла.

Красиве видовище є фонтан, у якого викидаються струмені висвітлюються зсередини. (Це можна зобразити в звичайних умовах, виконавши наступний опит№1 ). Обьясню це явище трохи нижче.

При переході світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш плоті спостерігається явище повного відбиття світла. Кут заломлення в цьому випадку більший у порівнянні з кутом падіння (Рис. 141). При збільшенні кута падіння світлових променів від джерела S на поверхню розділу двох середовищ МN настане такий момент, коли переломлений промінь піде уздовж кордону розділу двох середовищ, тобто = 90 °.

кут падіння , Якому відповідає кут заломлення = 90 °, називають граничною кутом повного відображення.

Якщо перевищити цей кут, то промені не вийдуть з першого середовища взагалі, буде спостерігатися тільки явище відбиття світла від кордону розділу двох середовищ.

З першого закону заломлення:

Так як , то .

Якщо друга середа - повітря (вакуум), то де n - абсолютний показник заломлення середовища, з якої йдуть промені.

Пояснення явища спостережуваного вами в досвіді досить просте. Промінь світла проходить уздовж струменя води і потрапляє на зігнуту поверхню під кутом, великим граничного, випробовує повне внутрішнє відбиття, а потім знову потрапляє на протилежну сторону струменя під кутом знову більше граничного. Так промінь проходить уздовж струменя згинаючись разом з нею.

Але якби світло повністю відбивався всередині струменя, то вона не була б видна ззовні. Частина світла розсіюється водою, бульбашками повітря і різними домішками, наявними в ній, а також внаслідок нерівностей поверхні струменя, тому вона видно зовні.