Меню

Что называется преломлением света закон



Описание закона преломления света: что важно знать

Часто мы наблюдаем, что освещение, которое попадает на воду или проходит через стеклянную линзу трансформируется и искажает изображение. Этот эффект может объяснить, такое физическое явление как преломление света. Давайте более детально разберемся, что происходит с излучением, и какие закономерности управляют этим процессом.

Кто открыл

Хотя особенности распространения солнечного излучения были частично сформулированы еще в X веке астрономом Ибн Салахом, впервые принцип лучепреломления был открыт в XVII физиком В. Снеллиусом. В то же время другой ученый Р. Декарт независимо от Снеллиуса также открыл закон лучепреломления света.

При чем, эта закономерность справедлива не только в отношении света, но также радио и магнитных потоков.

Определение и формула коэффициента преломления

Преломление света описывает изменение направления диапазона волн на границе соприкосновения двух прозрачных сфер. То есть луч, попадая из одного вещества в другое, проходит внутри второго под другим углом.

Принцип изменения траектории описывают два пункта закона:

  • Первый: свет который падает на поверхность раздела двух веществ, изменивший направление и перпендикулярная константа (нормаль) в точке искажения, находятся в одной плоскости по отношению друг к другу.
  • Второй: отношение синуса угла падения к синусу угла измененного потока – постоянный показатель, который не зависит от направления луча и плотности среды.

Эту закономерность можно представить в виде формулы коэффициента:

где: α – угол падения волны;

γ – угол преломления;

n – относительный показатель преломления второй сферы по отношению к первоначальной.

Рекомендуем посмотреть видео на тему “Преломление света”.

Физический смысл показателя преломления

Показатель лучепреломления – это пропорциональное отношение скорости волны в первой сфере и второй, где происходит изменение направления потока.

Каждая среда имеет свои характеристики изменения направления спектра. Эти данные можно узнать эмпирическим путем. Обычно эталонной сферой считается вакуум. В нем искривление светового поля будет 1.

Согласно вышеперечисленным определениям физический смысл показателя преломления можно представить так: он показывает, во сколько волны в одном веществе распространяются быстрее, чем в другом.

Абсолютный показатель преломления

Эта величина показывает оптическую плотность сферы (то есть способность замедлять движение излучения). Она определяется относительно эталонной среды, то есть вакуума. Это связано с тем, что скорость света в вакууме эта универсальная единица. Величину оптической плотности (n) можно описать формулой:

Источник

Преломление света. Закон преломления света

Урок 41. Физика 8 класс (ФГОС)

Конспект урока «Преломление света. Закон преломления света»

На прошлых уроках мы говорили о том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Если пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду. Это явление называется отражением света.

Однако, свет, падая на границу раздела двух сред, не только отражается от неё, но и частично проходит во вторую среду и распространяется в ней. И сегодня мы с вами рассмотрим это явление более подробно.

Для начала проведём такой опыт. Возьмём стакан с водой, опустим в него карандаш так, чтобы он был расположен вертикально. Изменив угол наклона увидим, что на границе воды и воздуха карандаш кажется переломленным.

Это объясняется тем, что световой пучок при переходе из одной среды в другую изменяет направление распространения.

Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.

Преломление света вы можете наблюдать, когда опускаете ложку в стакан с чаем, входите в воду в реке или в море.

А каким законам подчиняется преломление света? Чтобы ответить на этот вопрос, проведём такой опыт. В центре оптического диска закрепим тонкую стеклянную пластинку и направим на неё узкий пучок света.

Часть света отразиться от пластинки, а часть света проникает через пластинку. Этот луч света называется преломлённым лучом.

Угол между перпендикуляром, восставленным к границе раздела двух сред в точке падения луча, и преломлённым лучом называется углом преломления.

Сравнив углы падения и преломления, мы видим, что угол преломления меньше угла падения.

Увеличим угол падения — угол преломления тоже увеличивается, но по-прежнему он меньше угла падения.

Если стекло заменить, например, водой и пустить световой луч под тем же углом, что и на стеклянную пластинку, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле, но всё равно меньше угла падения.

Читайте также:  Как правильно отрезать свет

Различие углов падения и преломления обусловлено тем, что стекло, вода и воздух имеют разную оптическую плотность.

Не путайте оптическую плотность с плотностью вещества. Есть вещества, у которых плотность меньше, чем плотность воды, например, скипидар. В то же время скипидар оптически более плотный, чем вода. Дело в том, что оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность.

Следовательно, оптическая плотность стекла больше, чем оптическая плотность воздуха, так как скорость распространения света в нём меньше.

Рассмотрим ещё один пример. Стеклянный сосуд, на дне которого находится плоское зеркало, заполним водой, подкрашенной флюоресцирующей жидкостью.

На поверхность воды под некоторым углом к ней направим пучок света. Он изменяет своё направление, поскольку вода — среда оптически более плотная, чем воздух.

Из опыта видно, что при переходе света из воздуха в воду угол падения больше угла преломления, а при переходе из воды в воздух угол падения меньше угла преломления.

На основании проделанных опытов мы можем сделать следующие выводы. Во-первых, если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения. То есть преломлённый луч как бы прижимается к перпендикуляру

Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. То есть преломлённый луч прижимается к границе раздела двух сред. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отражённого лучей, но и для падающего и преломлённого лучей.

И вновь обратимся к опыту. В центре оптического диска закрепим сосуд с водой и направим на него узкий пучок света. Будем менять угол падения света и следить за изменением угла преломления.

При изменении угла падения, угол преломления тоже меняется и соотношение между углами не сохраняется. Однако, если составить отношение синусов углов падения и преломления, то мы увидим, что оно остаётся постоянным:

Таким образом, для любой пары веществ можно записать, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:

Эту величину называют относительным показателем преломления для двух сред. Чем он больше, тем сильнее преломляется свет на границе раздела двух сред.

Мы уже говорили, что преломляющая способность вещества зависит от его оптической плотности, которая, в свою очередь, зависит от скорости распространения света в веществе. Таким образом, относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой по ходу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде:

Если свет падает из вакуума в вещество, то вводится величина, называемая абсолютным показателем преломления. Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше чем в данной среде.

где с = 3 ∙ 10 8 м/с.

Теперь мы можем сформулировать закон преломления света: лучи, падающий и преломлённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к границе раздела двух сред. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:

Примечательно, что закон преломления света был открыт опытным путём голландским учёным В. Снеллиусом ещё в 1621 г. Однако результаты многочисленных экспериментов по оптике им опубликованы не были. Позже, после смерти учёного, они были обнаружены в архивах Р. Декартом, который использовал их при написании своих «Рассуждений о методе . » в приложении «Диоптрика» в1637 г.

Отметим и то, что когда луч падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, он не испытывает преломления, что можно подтвердить опытом:

Разумеется, что не будет преломления и на границе, разделяющей две среды с одинаковой оптической плотностью, т. е. на границе раздела сред, в которых скорость света одинакова.

Пример решения задач.

Задача. На дне водоёма глубиной 3 м находится источник света. На какой глубине увидит источник света наблюдатель, если он смотрит с лодки вертикально вниз, а показатель преломления воды равен 1,33?

Источник

Преломление света.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Читайте также:  Гаснет ближний свет субару

Темы кодификатора ЕГЭ: закон преломления света, полное внутреннее отражение.

На границе раздела двух прозрачных сред наряду с отражением света наблюдается его преломление — свет, переходя в другую среду, меняет направление своего распространения.

Преломление светового луча происходит при его наклонном падении на поверхность раздела (правда, не всегда — читайте дальше про полное внутреннее отражение). Если же луч падает перпендикулярно поверхности, то преломления не будет — во второй среде луч сохранит своё направление и также пойдёт перпендикулярно поверхности.

Закон преломления (частный случай).

Мы начнём с частного случая, когда одна из сред является воздухом. Именно такая ситуация присутствует в подавляющем большинстве задач. Мы обсудим соответствующий частный случай закона преломления, а уж затем дадим самую общую его формулировку.

Предположим, что луч света, идущий в воздухе, наклонно падает на поверхность стекла, воды или какой-либо другой прозрачной среды. При переходе в среду луч преломляется, и его дальнейший ход показан на рис. 1 .

Рис. 1. Преломление луча на границе «воздух–среда»

В точке падения проведён перпендикуляр (или, как ещё говорят, нормаль) к поверхности среды. Луч , как и раньше, называется падающим лучом, а угол между падающим лучом и нормалью — углом падения. Луч — это преломлённый луч; угол между преломлённым лучом и нормалью к поверхности называется углом преломления.

Всякая прозрачная среда характеризуется величиной , которая называется показателем преломления этой среды. Показатели преломления различных сред можно найти в таблицах. Например, для стекла , а для воды . Вообще, у любой среды 1′ alt=’n> 1′/> ; показатель преломления равен единице только в вакууме. У воздуха , поэтому для воздуха с достаточной точностью можно полагать в задачах (в оптике воздух не сильно отличается от вакуума).

Закон преломления (переход «воздух–среда»).

1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно показателю преломления среды:

Поскольку 1′ alt=’n> 1′/> из соотношения (1) следует, что sin\beta ‘ alt=’sin\alpha > sin\beta ‘/> , то есть \beta ‘ alt=’\alpha > \beta ‘/> — угол преломления меньше угла падения. Запоминаем: переходя из воздуха в среду, луч после преломления идёт ближе к нормали.

Показатель преломления непосредственно связан со скоростью распространения света в данной среде. Эта скорость всегда меньше скорости света в вакууме: . И вот оказывается,что

Почему так получается, мы с вами поймём при изучении волновой оптики. А пока скомбинируем формулы . (1) и (2) :

Так как показатель преломления воздуха очень близок единице, мы можем считать, что скорость света в воздухе примерно равна скорости света в вакууме . Приняв это во внимание и глядя на формулу . (3) , делаем вывод: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в воздухе к скорости света в среде.

Обратимость световых лучей.

Теперь рассмотрим обратный ход луча: его преломление при переходе из среды в воздух. Здесь нам окажет помощь следующий полезный принцип.

Принцип обратимости световых лучей. Траектория луча не зависит от того, в прямом или обратном направлении распространяется луч. Двигаясь в обратном направлении, луч пойдёт в точности по тому же пути, что и в прямом направлении.

Согласно принципу обратимости, при переходе из среды в воздух луч пойдёт по той же самой траектории, что и при соответствующем переходе из воздуха в среду (рис. 2 ) Единственное отличие рис. 2 от рис. 1 состоит в том, что направление луча поменялось на противоположное.

Рис. 2. Преломление луча на границе «среда–воздух»

Раз геометрическая картинка не изменилась, той же самой останется и формула (1) : отношение синуса угла к синусу угла по-прежнему равно показателю преломления среды. Правда, теперь углы поменялись ролями: угол стал углом падения, а угол — углом преломления.

В любом случае, как бы ни шёл луч — из воздуха в среду или из среды в воздух — работает следующее простое правило. Берём два угла — угол падения и угол преломления; отношение синуса большего угла к синусу меньшего угла равно показателю преломления среды.

Теперь мы целиком подготовлены для того, чтобы обсудить закон преломления в самом общем случае.

Читайте также:  Как заплатить за свет через терминал казахстан

Закон преломления (общий случай).

Пусть свет переходит из среды 1 с показателем преломления в среду 2 с показателем преломления . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной; соответственно, среда с меньшим показателем преломления называется оптически менее плотной.

Переходя из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, световой луч после преломления идёт ближе к нормали (рис. 3 ). В этом случае угол падения больше угла преломления: \beta ‘ alt=’\alpha > \beta ‘/> .

Рис. 3. \beta ‘ alt=’n_ <1>\beta ‘/>

Наоборот, переходя из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, луч отклоняется дальше от нормали (рис. 4 ). Здесь угол падения меньше угла преломления:

Рис. 4. n_<2>\Rightarrow \alpha n_<2>\Rightarrow \alpha

Оказывается, оба этих случая охватываются одной формулой — общим законом преломления, справедливым для любых двух прозрачных сред.

Закон преломления.
1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности раздела сред, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды:

Нетрудно видеть, что сформулированный ранее закон преломления для перехода «воздух–среда» является частным случаем данного закона. В самом деле, полагая в формуле (4) , мы придём к формуле (1) .

Вспомним теперь, что показатель преломления — это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: . Подставляя это в (4) , получим:

Формула (5) естественным образом обобщает формулу (3) . Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Полное внутреннее отражение.

При переходе световых лучей из оптически более плотной среды в оптически менее плотную наблюдается интересное явление — полное внутреннее отражение. Давайте разберёмся, что это такое.

Будем считать для определённости, что свет идёт из воды в воздух. Предположим, что в глубине водоёма находится точечный источник света , испускающий лучи во все стороны. Мы рассмотрим некоторые из этих лучей (рис. 5 ).

Рис. 5. Полное внутреннее отражение

Луч падает на поверхность воды под наименьшим углом. Этот луч частично преломляется (луч ) и частично отражается назад в воду (луч ). Таким образом, часть энергии падающего луча передаётся преломлённому лучу, а оставшаяся часть энергии -отражённому лучу.

Угол падения луча больше. Этот луч также разделяется на два луча — преломлённый и отражённый. Но энергия исходного луча распределяется между ними по-другому: преломлённый луч будет тусклее, чем луч (то есть получит меньшую долю энергии), а отражённый луч — соответственно ярче, чем луч (он получит большую долю энергии).

По мере увеличения угла падения прослеживается та же закономерность: всё большая доля энергии падающего луча достаётся отражённому лучу, и всё меньшая — преломлённому лучу. Преломлённый луч становится всё тусклее и тусклее, и в какой-то момент исчезает совсем!

Это исчезновение происходит при достижении угла падения , которому отвечает угол преломления . В данной ситуации преломлённый луч должен был бы пойти параллельно поверхности воды, да идти уже нечему — вся энергия падающего луча целиком досталась отражённому лучу .

При дальнейшем увеличении угла падения преломлённый луч и подавно будет отсутствовать.

Описанное явление и есть полное внутреннее отражение. Вода не выпускает наружу лучи с углами падения, равными или превышающими некоторое значение — все такие лучи целиком отражаются назад в воду. Угол называется предельным углом полного отражения.

Величину легко найти из закона преломления. Имеем:

Так, для воды предельный угол полного отражения равен:

Явление полного внутреннего отражения вы легко можете наблюдать дома. Налейте воду в стакан, поднимите его и смотрите на поверхность воды чуть снизу сквозь стенку стакана. Вы увидите серебристый блеск поверхности — вследствие полного внутреннего отражения она ведёт себя подобно зеркалу.

Важнейшим техническим применением полного внутреннего отражения является волоконная оптика. Световые лучи, запущенные внутрь оптоволоконного кабеля (световода) почти параллельно его оси, падают на поверхность под большими углами и целиком, без потери энергии отражаются назад внутрь кабеля. Многократно отражаясь, лучи идут всё дальше и дальше, перенося энергию на значительное расстояние. Волоконно-оптическая связь применяется, например, в сетях кабельного телевидения и высокоскоростного доступа в Интернет.

Источник