Меню

Что означает показатель преломления света



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

Показатель преломления — формула, коэффициент, физический смысл

Скорость и преломление

Скорость света в вакууме — абсолютная величина, которая характеризует то, насколько быстро распространяются в этой среде электромагнитные волны. Согласно специальной теории относительности, эта фундаментальная постоянная не зависит от выбора инерциальной системы отсчета, скорость ни одной частицы не может ее превысить. Она является предельной и для распространения любых взаимодействий.

В 1975 году было произведено наиболее точное на сегодняшний день измерение скорости света в вакууме при использовании эталонного метра. Сейчас эта величина постулируется, а метр в системе СИ определен как промежуток, который преодолевает свет за 1/299 792 458 секунды. Таким образом фундаментальная физическая постоянная является основной единицей, а понятие метра выводится относительно ее измерения.

Распространение света в любой, даже наиболее прозрачной среде, отличной от вакуума, происходит медленнее. Его скорость обозначают буквой v, тогда как для него же в вакууме используется буква c. Обе величины измеряются в метрах в секунду. Их отношение является абсолютным показателем преломления: n=с/v.

Этот термин вводится для любых оптически прозрачных сред. Физический смысл показателя преломления в отношении, в которое меняется (уменьшается) скорость света в среде относительно таковой в вакууме.

Подобная величина вводится и для других волновых процессов, например, для распространения звуковых волн. Но в этом случае стараются использовать другую терминологию, так как это не совсем эквивалентные понятия.

Согласно основным законам физики, n всегда больше единицы. Например, для воды он равняется 1,33, а для стекла 1,5. Среды с низким коєфициентом рефракции называют менее оптически плотными.

Коэффициенты рефракции для различных веществ

Вещество n
Воздух 1,33
Вода 1,003
Кварц 1,54
Стекло 1,5
Алмаз 2,42
Лед 1,31

Показатель преломления зависит от свойств вещества и не является постоянной величиной. Он меняется в зависимости от частоты электромагнитного излучения, причем для некоторых сред достаточно быстро.

Существуют и оптически анизотропные вещества. В них преломление зависит от направления и поляризации света. В качестве примера можно привести кристаллы с низкой симметрией кристаллической решетки или вещества, которые подвергнуты высокой степени механической деформации.

Читайте также:  Когда маргаю дальним светом

Коэффициент рефракции можно выразить через магнитную и диэлектрическую проницаемость. Он будет равен корню квадратному из произведения этих величин. Значение этих постоянных могут сильно отличаться в зависимости от частоты излучения. Из этой формулы очевидно, что в поглощающих средах он будет комплексной величиной. Чтобы измерить коэффициент преломления, используются специальные оптические приборы, которые называются рефрактометрами. Они могут работать в ручном и автоматическом режиме.

Существуют даже методы исследования веществ, основанные на определении фактора коэффициента преломления. Они носят название рефрактометрии и применяются для идентификации химических соединений, определения некоторых физико-химических параметров жидкостей и качественного и структурного анализа. Для рефрактометрии растворов используются специальные таблицы, которые утверждаются международными соглашениями.

Относительный показатель

В прикладных задачах чаще всего речь идет о распространении света из одной среды в другую. В этом случае вводится другое понятие — относительный показатель рефракции. Его получают из отношения этой характеристики для двух сред.

Формула показателя преломления может быть выражена и через фазовую скорость света в веществах: n12 = v1 / v2 = n2 / n1 где:

  1. n12 — относительный показатель рефракции;
  2. n1 — абсолютный для первого вещества, v1 — фазовая скорость электромагнитного излучения в первом веществе;
  3. n2 — абсолютный для второго вещества, v2 — соответствующая фазовая скорость света.

Для монохроматических волн (когда длина волны намного больше, чем расстояние между молекулами в среде) справедливо отношение: n = sin α / sin β, где:

  1. sin α — синус угла падения;
  2. sin β — синус угла отражения;
  3. n — показатель преломления вещества, в котором распространятся преломленный свет, относительно среды, в которой распространяется падающая волна.

Этот закон был экспериментально выведен В. Снеллиусом в 1621 г.

Дисперсия света

Дисперсия представляет собой зависимость показателя преломления от длины волны. Один из наиболее ярких примеров подобного явления — разложение света при прохождении через призму. В оптической среде скорость света меняется для разных частот, причем чем частота больше, тем больше рефракция и меньше скорость. Из видимого диапазона максимальной скоростью и минимальным преломлением обладает красный цвет, а фиолетовый, наоборот, наиболее низкой скоростью и высоким преломлением. Подобное правило не касается вакуума. В нем скорость света для разных частот одинаковая.

В некоторых веществах можно наблюдать пример аномальной дисперсии. Она характеризуется меньшим преломлением синих лучей, чем красных. Явление дисперсии при разложении белого цвета показывает, что на самом деле он состоит из комбинации всех остальных.

Разложение света на спектр происходит и при прохождении его через дифракционную решетку. Спектр в обоих случаях отличается. После прохождения через призму он сжимается в красной области и растягивается в фиолетовой. Дифракционный спектр равномерный для всех длин волн.

Явление дисперсии объясняет и факт наличия радуги после дождя. Она же является причиной хроматической аберрации — оптического недостатка, который проявляется во многих системах в том числе и фотоаппаратов в виде снижения плотности изображения и появления на нем цветных контуров.

В общем случае зависимость рефракции от длины волны может быть разной, выглядит она следующим образом: n = a + b / λ^2 + c / λ^4, где a, b, c — коэффициенты, определяемые эмпирическим путем для каждого вещества.

Дисперсия света будет производной от этой функции: D = dn / dV.

Рефракция в драгоценных камнях

Благодаря высокому значению рефракции грани камней играют на свету. Это делает их более красивыми и интересными. Из натуральных камней наибольшую рефракцию имеет алмаз. В процессе его огранки мастера точно соблюдают соотношения граней, чтобы путь лучей света через камень был максимальным. Стоимость камня напрямую зависит от огранки, особенно из-за того, что значительная его часть теряется в этом процессе.

В США был выведен искусственный камень — муассанит. На сегодняшний день его коэффициент преломления является наибольшим среди минералов, применяемых в производстве драгоценностей. Он несколько раз выше, чем у бриллианта, но пользуется меньшей популярностью из-за ненатурального происхождения.

Метаматериалы с отрицательным индексом

В 60 годах 20 века появилась гипотеза о возможном существовании метаматериалов с отрицательной рефракцией. Метаматериалами называются вещества, которые благодаря искусственно созданной периодической структуре обладают свойствами, нехарактерными для обычных.

В начале 21 века их существование считается практически доказанным, многие ученые публикуют экспериментальные данные о получении подобных образцов. Считается, что они будут обладать такими свойствами:

  1. В них будут отличаться направления фазовой и групповой скорости.
  2. Вероятно преодоление дифракционного предела — минимального значения размера пятна, которое можно получить при фокусировке электромагнитных волн.

Последнее дает возможность повысить разрешающую способность микроскопов и плотность записи информации при меньших физических размерах, создать суперлинзу.

Источник

Преломление света.

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

Читайте также:  Что характеризует дисперсия света

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 считать квитанции за свет пример

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