Что такое преломление света? Закон преломления света: формулировка, формула

Когда вы наблюдаете за чайной ложкой через стенку стакана, создается впечатление, что она больше и в верхней части как бы сломана. Когда вы пытаетесь выловить какой-либо предмет, лежащий на дне водоема, вы обычно не находите его именно там, где ожидали. Это примеры, в которых вы сталкиваетесь с явлением преломления света. Можете ли вы применить его на практике?

Когда свет проходит через границы между различными средами (воздух, стекло, вода и т.д.), он преломляется. Именно поэтому мир выглядит так странно, если смотреть на него через толстый кусок изогнутого стекла – например, ножку бокала.

Явление преломления света

Проведем опыт по наблюдению явления преломления света на границе двух сред.

Что вам понадобится?

  • лазерная указка;
  • прозрачный контейнер с водой;
  • освежитель воздуха в виде спрея.

Инструкция.

  1. Распылите освежитель воздуха на поверхность воды.
  2. Направьте свет от лазерной указки на поверхность воды.
  3. Измените угол падения лазерного луча на поверхность воды – обратите особое внимание на ход лазерного луча на границе двух сред (воздуха и воды).

Вывод.

Как в воздухе, так и в воде луч лазерного излучения прямолинеен. Однако на границе двух сред (в нашем случае воздуха и воды) мы видим, что лазерный луч четко меняет свое направление. Это явление называется преломлением.

Помните! Преломление света – это явление изменения направления распространения света на границе двух прозрачных сред.

Явление преломления света на примере
Рис. 1. Угол падения и угол преломления в явлении преломления света

Помните!

  • Угол между направлением падающего луча и линией, перпендикулярной поверхности (нормалью) в точке падения, называется углом падения.
  • Угол преломления – это угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) в точке преломления и направлением преломленного луча.
  • Падающий луч, нормаль и преломленный луч лежат в одной плоскости.
Угол падения и преломления
Рис. 2. Угол падения и преломления

Причиной явления преломления является изменение скорости распространения света при переходе из одной среды в другую. Если скорость распространения света в первой среде больше, чем в той, в которую проходит свет, то угол преломления (β) меньше угла падения (α) (см. рисунок 3).

Явление преломления и скорость распространения света
Рис. 3. Если скорость распространения света в первой среде (v1) больше, чем во второй среде (v2), то угол падения (α) больше угла преломления (β)

Когда скорость распространения света в первой среде меньше скорости распространения света во второй среде, в которую проходит свет, то угол преломления больше угла падения (см. рисунок 4).

Скорость распространения света и явление преломления
Рис. 4. Скорость распространения света и явление преломления

Если скорость распространения света в первой среде (v1) меньше, чем во второй среде (v2), то угол падения (α) меньше угла преломления (β).

Когда угол падения луча света на границе двух сред равен 0°, даже если скорости распространения света различны, направление луча не меняется.

Когда угол падения равен нулю градусов преломление отсутствует
Рис. 5. Когда угол падения равен нулю градусов преломление отсутствует

Явление полного внутреннего отражения

Когда луч света падает на границу между двумя средами, при определенных углах падения происходит явление полного внутреннего отражения. Чтобы это произошло, свет должен перейти из первой среды, в которой скорость распространения света меньше, во вторую среду, в которой эта скорость выше, например, из воды или стекла в воздух.

Явление полного внутреннего отражения – явление, иногда наблюдаемое при переходе из среды, в которой скорость распространения света ниже, в среду, в которой скорость света выше. Увеличение угла падения сопровождается одновременным увеличением угла преломления. При значениях больше определенного угла, называемого предельным углом (αпр), лучи света перестают проходить в другую среду и полностью отражаются.

Луч света, падающий на границу двух сред, может претерпевать полное внутреннее отражение, когда свет переходит из среды, в которой скорость распространения света v1 меньше, в среду, в которой скорость распространения света v2 больше (v1 < v2 ) (см. рисунок 6).

Полное внутреннее отражение
Рис. 6. Полное внутреннее отражение

Иногда можно встретить термин оптически более плотная или оптически менее плотная среда. Это означает, что в первом случае свет движется с меньшей скоростью, а во втором – с большей. Она не имеет ничего общего с плотностью вещества среды, выраженной в кг / м3 . Примеры включают такие вещества, как вода и глицерин – последнее вещество имеет более высокую плотность, чем вода (1260 кг / м3 ). Скорость света в глицерине 203 000 км / с, а в воде практически 225 000 км / с. В свою очередь, бензин имеет плотность примерно 0,7 от плотности воды, а скорость света в нем имеет значение 214 000 км / с, что меньше, чем в воде. Аналогичная зависимость существует для воды и соляной кислоты.

Преломление света в плоскопараллельной пластине

Плоскопараллельная пластина – это оптически однородный блок материала (стекло, оргстекло), прозрачный для световых лучей и имеющий по крайней мере две плоские поверхности, параллельные друг другу. Когда свет проходит через плоскопараллельную пластину, он преломляется дважды – один раз при входе и один раз при выходе из пластины. После выхода из пластины луч продолжает движение параллельно пути падающего луча и, таким образом, не отклоняется.

Путь светового луча до и после прохождения через плоскопараллельную пластину
Рис. 7. Путь светового луча до и после прохождения через плоскопараллельную пластину

Плоскопараллельные пластины нашли практическое применение, а понимание хода светового луча в них позволило объяснить некоторые явления, происходящие в природе.

Преломление света в линзах

Линза – это специально отшлифованное твердое прозрачное вещество, ограниченное сферической, параболической или цилиндрической поверхностью. Линзы обычно изготавливаются из стекла, пластика, некоторых минералов (кварц, сапфир) и парафина.

Задача линзы как простого оптического устройства – преломлять проходящий через нее свет. Линзы могут собирать и рассеивать свет. Соответственно, мы называем их собирающими и рассеивающими линзами.

Классификация линз
Рис. 8. Классификация линз по форме ограничивающих их поверхностей

Примером собирающей линзы является двояковыпуклая линза, а рассеивающей – двояковогнутая линза. Для объективов, предназначенных для использования в газовой среде (т.е., например, в воздухе, а не под водой), собирающие линзы тоньше по краям и толще в центре, а рассеивающие линзы, наоборот, тоньше в центре, чем по краям.

Применение линз.

Линзы, благодаря своим свойствам, нашли широкое применение в качестве элементов сложных оптических систем. Давайте, однако, начнем обсуждение их применения с оптической системы, которой большинство из нас пользуется каждый день, а именно с глаза.

Взяв за образец строение глаза, была сконструирована камера, объектив которой состоит из нескольких или даже более чем десятка линз.

Очки предназначены для коррекции нарушений зрения, таких как близорукость, дальнозоркость или астигматизм, путем фокусировки или рассеивания световых лучей.

Лупа – это простой оптический прибор, который может создавать как минимум в три раза увеличенные изображения предметов. Лупа – это обычная собирающая линза. Она используется, например, в филателии или нумизматике, полиграфии, ювелирном или часовом деле.

Оптический микроскоп – это еще один инструмент, в котором используются линзы. Назначение микроскопа – наблюдение близко расположенных объектов небольшого размера под большим увеличением. В микроскопе используется система из двух объективов – объектива и окуляра. При правильном их сочетании можно получить увеличение до 1500 раз. Чтобы понять, насколько велико это увеличение, давайте представим, что мы наблюдаем объект длиной 1 см. В микроскопе его изображение может достигать 15 м.

Линзовый телескоп (рефрактор) – это редко используемый сегодня астрономический инструмент, состоящий полностью из линз. Как и телескоп, впервые построенный Галилеем в 1609 году, он состоит из трубки, содержащей собирающую линзу объектива и рассеивающую линзу окуляра.

Сегодня для астрономических наблюдений мы используем так называемые рефлекторы, в которых для сбора света используются наборы зеркал и опорных линз.

Закон преломления света

Иоганн Кеплер (1571-1630) считал, что угол преломления пропорционален углу падения (для малых углов). Голландский математик и астроном Виллеброрд Снелл (1580-1626) считается первооткрывателем закона преломления. Закон преломления света (закон Снелла) гласит, что падающий и преломленный лучи и перпендикуляр (нормаль) лежат в одной плоскости, а углы падения и преломления удовлетворяют соотношению: sin α / sin β = v1 / v2 = n .

Исходя из приведенной формулы можно сделать вывод, что:

« Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред! Чем больше показатель преломления, тем сильнее преломляется луч при переходе из одной среды в другую. »

Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Здесь n – безразмерный относительный показатель преломления второй относительно первой среды; n – принимает различные значения для каждой пары сред, например, для пары стекло-воздух n = 1,5 , и для пары вода-воздух n = 1,33. Обозначения v1 и v2 относятся к значению скорости света в соответствующей среде.

Исходя из написанного выше, можно сделать следующие выводы:

  1. Преломление на границах раздела сред зависит от свойства материала – показателя преломления.
  2. Если свет распространяется в вакууме или воздухе до преломления, то угловое соотношение приводит к зависящей от материала константе – абсолютному показателю преломления n = sin α / sin β.
  3. Показатель преломления n относительно вакуума – это свойство материала, характерное для каждого вещества. Это отношение скорости света в вакууме c0 к скорости света c в среде, то есть n = c0 / c.
  4. Если луч проходит из оптически более плотной среды с высоким показателем преломления в оптически менее плотную среду с низким показателем преломления, то луч преломляется в сторону от перпендикуляра. В этом случае угол преломления β больше угла падения α (β > α).
Закон преломления света
Рис. 9. Закон преломления света на примере пары воздух-стекло

Интересный факт! Почему даже на мелководье, оставив в стороне наши охотничьи навыки, мы не можем охотиться на рыбу с заостренной палкой?

Ответ прост! Когда вы наблюдаете за рыбой, плавающей под поверхностью воды, у вас создается впечатление, что она находится на продолжении лучей, попадающих в ваш глаз. Однако это не так, поскольку свет, выходящий из воды, преломляется на границе вода-воздух. Рыба находится совсем не там, где вы ее видите.