Преломление света

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА  

Еще в древности  люди заметили, что палка, опущенная  в воду, как бы ломается на границе  воздух - вода. Вытащенная же из воды, она  оказывается целой. Так человек  столкнулся с явлением преломления  света. 

Первым это  явление изучал древнегреческий естествоиспытатель Клеомед (1 век нашей эры). Он установил, что луч света, входя по косому направлению в более плотную среду из менее плотной, например, из воздуха в воду, отклоняется этой средой ближе к отвесному направлению, тогда как при обратном переходе луч уклоняется в сторону от этого направления. 

Поясняя свою мысль, Клеомед говорил: можно встать так, что глаз не будет видеть монету, лежащую на дне кубка, но если налить в кубок воду, то монета станет видна (см. рис.). Таким образом, добавляет он, можно благодаря преломлению лучей видеть Солнце, уже зашедшее за горизонт. 

Другой древнегреческий  ученый Клавдий Птолемей (II век н. э.) известен не только своей геоцентрической  системой мира, господствовавшей в  науке многие столетия, но и тем, что первым пытался опытным путем определить величину преломления луча света при переходе его из воздуха в воду, из воздуха в стекло и из воды в стекло. Он нашел, что когда свет переходит из воздуха в воду, угол преломления составляет 0,76 от угла падения, при переходе из воздуха в стекло отношение углов равно 0,67, а из воды в стекло - 0,88. 

Прошло еще  несколько веков, и истинный закон  преломления света был найден. Сделал это голландский ученый В. Снеллиус (1580-1626). Установленный нм закон  теперь записывают так: n = sin(а)/sin(b) - показатель преломления для двух данных сред постоянен и равен отношению синусов углов падения и преломления. 

Эту современную  запись закона преломления света  предложил французский ученый Рене Декарт (1596-1650) в 1637 году. Он же дал первое доказательство столь важного закона, проведя аналогию между движением светового луча и полетом мяча, встречающего на своем пути некую ткань, "которая настолько слаба и редка, что мяч может прорвать ее и пройти насквозь, потеряв только часть своей скорости". 

Сейчас относительный  показатель преломления при переходе луча из среды 1 в среду 2 чаще записывают как отношение скоростей света  в этих средах: n12 = v1/v2. Если первой средой служит вакуум, то показатель преломления  в этом случае называется абсолютным: n = c/v, где с - скорость света. Таким образом, относительный показатель преломления - это отношение абсолютных показателей преломления двух данных сред: n21 = n2/n1. 

На рисунке  показаны показатели преломления для  нескольких газообразных, жидких и твердых тел. 

Что такое показатель преломления для непрозрачных тел? 

Свет, падая на любое вещество, проникает вовнутрь его, хотя и на небольшую величину, измеряемую иногда несколькими атомами. Значит, угол преломления можно измерить и найти показатель преломления. Он для непрозрачных тел записывается в виде комплексного числа. Действительная или, как еще говорят, вещественная часть этого числа имеет тот же смысл, что и показатель преломления для прозрачных тел, а мнимая показывает, в какой мере свет поглощается в веществе. 

Надо сказать, что понятие прозрачности в некотором  роде условно. Любое прозрачное тело можно сделать непрозрачным, "нарастив" его объем. Даже стекло при значительной толщине не пропускает свет, полностью  поглощая его. Точно так же любое непрозрачное вещество можно представить себе прозрачным, сделав его настолько тонким, что оно будет пропускать свет. Правда, цвет проходящего сквозь него света, может измениться. Так, тонкие серебряные пленки кажутся на просвет фиолетовыми, а золотые - зелеными. 

Почему же проходящий белый свет становится цветным? Как  известно, белый свет состоит из многих цветных лучей. Часть из них  поглощается пленкой, а другая часть, "прорвавшаяся" сквозь вещество, определяет цвет видимого света. 

То, что белый  свет состоит из многих цветных лучей, установил Ньютон (1643 - 1727) в 1666 году. Он пропустил солнечный (белый) свет через маленькое отверстие в ставне в затемненную комнату, а на пути луча поставил стеклянную призму. Она преломила солнечный лучик и направила его на стену, на которой тут же возникла радужная полоска - спектр. 

Спектр получается потому, что призма по-разному отклоняет  лучи разного цвета: слабее всего  красный и сильнее всего фиолетовый.  

Таким образом, опыт Ньютона показал не только то, что белый свет состоит из многих цветных лучей, но и то, что разные по цвету лучи в одном и том же веществе отклоняются неодинаково. Иначе говоря, показатель преломления зависит от длины волны света, и поэтому на рисунке все показатели преломления указаны для одной и той же конкретной длины волны, а именно 589,3 нанометров (1 нм = 10-7 см), которая соответствует желтому свету. 

Преломле́ние (рефра́кция) — явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела  двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. 

Преломление света  на границе двух сред дает парадоксальный зрительный эффект, когда пересекающие границу раздела линейные предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (т.е. преломленными «вверх»); в то время как известно, что луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (т.е. преломляется вниз). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоема, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле. 

Рефракция света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, чем это имело бы место в отсутствие атмосферы, и, наоборот, закат Солнца происходит чуть позже. По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Явление преломления  света.  

Если световой пучок падает на поверхность, разделяющую  две прозрачные среды разной оптической плотности, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть —  проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе этих сред. Это явление называется преломлением света.

Рассмотрим преломление  света подробнее. На рисунке показаны: падающий луч АО, преломлённый луч  ОВ и перпендикуляр CD, восстановленный из точки падения О к поверхности, разделяющей две разные среды. Угол АОС— угол падения, угол DOB— угол преломления. Угол преломления DOB меньше угла падения АОС.

Луч света при  переходе из воздуха в воду меняет своё направление, приближаясь к перпендикуляру CD. Вода — среда оптически более плотная, чем воздух. Если воду заменить какой-либо иной прозрачней средой, оптически более плотной, чем воздух, то преломлённый луч также будет приближаться к перпендикуляру. Поэтому можно сказать:  если  свет идет из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения. 

Опыты показывают, что при одном и том же угле падения угол преломления тем  меньше, чем плотнее в оптическом отношении среда, в которую проникает луч.

Если на пути преломлённого луча расположить  перпендикулярно    лучу    зеркало,    то    свет   отразится   от зеркала и выйдет из воды в воздух по направлению  падающего луча. Следовательно, лучи падающий и преломлённый обратимы так  же, как обратимы падающий и отражённый лучи.

Если свет идёт из среды более оптически плотной  в среду менее плотную, то угол преломления луча больше угла падения. 

Давайте проведем дома маленький эксперимент. м дома маленькийэксперимент. ам надо опустить в стакан с водой карандаш, и он покажется поломанным. Это можно объяснить только тем, что лучи света, идущие от карандаша, имеют в воде другое направление, чем в воздухе, т. е. происходит преломление света на границе воздуха с водой. Когда свет переходит из одной среды в другую, на границе раздела происходит отражение части падающего на неё света. Остальная часть света проникает в новую среду. Если свет падает под углом к поверхности раздела, отличным от прямого, от на границе световой луч изменяет своё направление. Это и называется явлением преломлением света. Явление преломления света наблюдается на границе двух прозрачных сред и объясняется разной скоростью распространения света в различных средах. В вакууме скорость света составляет приблизительно 300000 км/с, во всех других 

средах она  меньше.  

На рисунке  ниже показан луч, переходящий из воздуха в воду. Угол называется углом падения луча, а - углом преломления. Обратите внимание на то, что в воде луч приближается к нормали. Так  происходит всякий раз, когда луч попадает в среду, где скорость света меньше. Если же свет распространяется из одной среды в другую, где скорость света больше, то он отклоняется от нормали.  

Преломлением  обусловлен целый ряд широко известных  оптических иллюзий. Например, наблюдателю на берегу, кажется, что у человека, зашедшего в воду по пояс, ноги стали короче.  

Законы преломления  света. 

Из всего сказанного заключаем:

1 . На границе  раздела двух сред различной  оптической плотности луч света  при переходе из одной среды  в другую меняет своё направление.

2. При переходе  луча света в среду с большей  оптической плотностью угол преломления  меньше угла падения; при переходе  луча света из оптически более  плотной среды в среду менее  плотную угол преломления больше  угла падения.

Преломление света сопровождается отражением, причём с увеличением угла падения яркость отражённого пучка возрастает, а преломлённого ослабевает. Это можно увидеть проводя опыт, изображённом на рисунке. Следовательно, отражённый пучок уносит с собой тем больше   световой   энергии,   чем   больше   угол   падения. 

Пусть MN -граница  раздела двух про зрачных сред, например, воздуха и воды, АО-падающий луч, ОВ - преломленный луч, -угол падения, -угол преломления, -скорость распространения  света в первой среде, - скорость распространения света во второй среде .  

Первый закон  преломления звучит так: отношение  синуса угла падения к синусу угла преломления является постоянной величиной  для данных двух сред:  

, где - относительный  показатель преломления (показатель  преломления второй среды относительно первой).  

Второй закон  преломления света очень напоминает второй закон отражения света:  

падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный в точку падения  луча, лежит в одной плоскости.