Преломление света (Ерюткин Е.С.)

1. Определение преломления света

С яв­ле­ни­ем пре­лом­ле­ния света мы уже зна­ко­мы.

Когда на гра­ни­цу раз­де­ла двух про­зрач­ных сред па­да­ет луч света или све­то­вой поток, то ча­стич­но этот поток от­ра­жа­ет­ся, а ча­стич­но про­хо­дит в дру­гую про­зрач­ную среду (рис. 1).

Рис. 1. Пре­лом­ле­ние света

Яв­ле­ние пре­лом­ле­ния света иг­ра­ет важ­ную роль в нашей жизни, пре­лом­ле­ние имеет важ­ней­шее прак­ти­че­ское зна­че­ние при опре­де­ле­нии свойств дан­ных про­зрач­ных сред.

2. Законы преломления света

Закон пре­лом­ле­ния дает воз­мож­ность опре­де­лять ка­че­ства про­зрач­ных сред.

Пер­вая часть за­ко­на пре­лом­ле­ния

Луч па­да­ю­щий, луч пре­лом­лен­ный и пер­пен­ди­ку­ляр, вос­став­лен­ный в точку па­де­ния к гра­ни­це раз­де­ла двух сред, лежат в одной плос­ко­сти.

Вто­рая часть за­ко­на пре­лом­ле­ния

От­но­ше­ние си­ну­са угла па­де­ния к си­ну­су угла пре­лом­ле­ния есть ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная для дан­ных сред (рис. 2).

Рис. 2. Вто­рая часть за­ко­на пре­лом­ле­ния

У нас есть две среды. Пред­по­ло­жим, что пер­вая среда – это воз­дух, а вто­рая среда – стек­ло (рис. 3).

Рис. 3. Среды

От то­чеч­но­го ис­точ­ни­ка света на стек­лян­ную по­верх­ность па­да­ет луч. Угол па­де­ния от­счи­ты­ва­ет­ся от пер­пен­ди­ку­ля­ра, вос­став­лен­но­го в точку па­де­ния луча. То есть  – это угол па­де­ния луча. Ча­стич­но этот луч от­ра­жа­ет­ся, а ча­стич­но про­хо­дит внутрь вто­рой про­зрач­ной среды. При этом он из­ме­ня­ет свое на­прав­ле­ние. Это яв­ле­ние и на­зы­ва­ет­ся пре­лом­ле­ни­ем света.  тоже от­счи­ты­ва­ет­ся от пер­пен­ди­ку­ля­ра и на­зы­ва­ет­ся углом пре­лом­ле­ния. Луч па­да­ю­щий, луч пре­лом­лен­ный и пер­пен­ди­ку­ляр, вос­став­лен­ный в точку па­де­ния, лежат в одной плос­ко­сти.

То же можно ска­зать о луче, ко­то­рый вы­хо­дит из стек­лян­ной пла­сти­ны, ведь внут­ри пла­сти­ны свет до­хо­дит до гра­ни­цы раз­де­ла, но те­перь уже стек­ло – воз­дух, пре­лом­ля­ет­ся и вы­хо­дит из этой пла­сти­ны. По­это­му здесь тоже на­блю­да­ет­ся яв­ле­ние пре­лом­ле­ния света.

3. Показатель преломления среды

От­но­ше­ние си­ну­са угла па­де­ния к си­ну­су угла пре­лом­ле­ния есть ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная. Эта ве­ли­чи­на обо­зна­ча­ет­ся ла­тин­ской бук­вой  и на­зы­ва­ет­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния среды.

 – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния среды.

Если угол па­де­ния будет ме­нять­ся, то и угол пре­лом­ле­ния будет ме­нять­ся таким об­ра­зом, что от­но­ше­ние  к  оста­нет­ся тем же.

4. Практическое применение показателя преломления среды

По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния яв­ля­ет­ся одной из очень важ­ных ха­рак­те­ри­стик про­зрач­ной среды.

На се­го­дняш­ний день по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния яв­ля­ет­ся ос­нов­ной ха­рак­те­ри­сти­кой, по ко­то­рой можно раз­ли­чать сорта стек­ла, раз­лич­ные дра­го­цен­ные камни.

В раз­лич­ных сре­дах будут свои на се­го­дняш­ний день точно опре­де­лен­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния.

Су­ще­ству­ет опре­де­ле­ние оп­ти­че­ской плот­но­сти среды. Ско­рость света в раз­лич­ных сре­дах раз­лич­на. Самая боль­шая ско­рость – это ско­рость рас­про­стра­не­ния света в ва­ку­у­ме (рис. 4).

Рис. 4. Ско­рость рас­про­стра­не­ния света в ва­ку­у­ме

Если свет пе­ре­хо­дит в дру­гую среду, ско­рость света из­ме­ня­ет­ся, умень­ша­ет­ся.

5. Оптическая плотность среды

Оп­ти­че­ская плот­ность среды

Оп­ти­че­ская плот­ность среды ха­рак­те­ри­зу­ет­ся рас­про­стра­не­ни­ем све­то­во­го луча в среде. Оп­ти­че­ски более плот­ной яв­ля­ет­ся та среда, в ко­то­рой ско­рость света мень­ше.

Если срав­нить воз­дух и стек­ло, то стек­ло будет оп­ти­че­ски более плот­ной сре­дой, чем воз­дух.

По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ха­рак­те­ри­зу­ет от­но­ше­ние ско­ро­сти света в одной среде от­но­си­тель­но дру­гой среды.

Рас­смот­рим два урав­не­ния:

От­но­ше­ние си­нуcа угла па­де­ния к си­ну­су угла пре­лом­ле­ния есть ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная и на­зы­ва­ет­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния среды.

6. Физический смысл показателя преломления

Но, с дру­гой сто­ро­ны, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ха­рак­те­ри­зу­ет нам от­но­ше­ние ско­ро­сти света в пер­вой среде к ско­ро­сти света во вто­рой среде:

Опре­де­ля­ет­ся по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния по от­но­ше­нию среды менее оп­ти­че­ски плот­ной к более оп­ти­че­ски плот­ной. То есть ско­рость света в пер­вой среде боль­ше, чем ско­рость света во вто­рой среде.

В ре­зуль­та­те по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния боль­ше еди­ни­цы. Фи­зи­че­ский смысл по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния: он го­во­рит, как ме­ня­ет­ся ско­рость света при пе­ре­хо­де из одной среды в дру­гую.

По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния – ве­ли­чи­на без­раз­мер­ная. Он по­ка­зы­ва­ет, во сколь­ко раз ско­рость света в одной среде от­ли­ча­ет­ся от ско­ро­сти света в дру­гой бреде (табл. 1).

Таб­ли­ца 1. По­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния

Самый боль­шой по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния у ал­ма­за, . То есть при пе­ре­хо­де из воз­ду­ха в алмаз ско­рость света умень­ша­ет­ся в 2,42 раза. Для воды по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния со­став­ля­ет , то есть при пе­ре­хо­де из воз­ду­ха в воду ско­рость света умень­шит­ся в 1,33 раза.

А вот сорта сте­кол на се­год­ня на­столь­ко раз­лич­ны, что по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ко­леб­лет­ся от 1,4 до 2,2.

Об­ра­тим вни­ма­ние на то, что у ал­ма­за по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния 2,4, а у неко­то­рых сор­тов стек­ла – 2,2. По­это­му труд­но от­ли­чить хо­ро­шо сде­лан­ную стек­лян­ную под­дел­ку от ал­ма­за. Это можно сде­лать толь­ко при по­мо­щи по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния.

7. Полное внутреннее отражение

Необ­хо­ди­мо также от­ме­тить яв­ле­ние, ко­то­рое на­зы­ва­ет­ся пол­ным внут­рен­ним от­ра­же­ни­ем (рис. 5).

Рис. 5. Пол­ное внут­рен­нее от­ра­же­ние

Яв­ле­ние пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния дает воз­мож­ность со­здать и раз­ви­вать науку, ко­то­рая на­зы­ва­ет­ся во­ло­кон­ной оп­ти­кой.

Вывод

Вы по­зна­ко­ми­лись с пре­лом­ле­ни­ем света, опре­де­ле­ни­ем пре­лом­ле­ния света, узна­ли за­ко­ны пре­лом­ле­ния света, что такое по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния среды, а также по­зна­ко­ми­лись с прак­ти­че­ским при­ме­не­ни­ем по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния среды.

Вопросы к конспектам

За­да­ние 1. Угол па­де­ния луча из воз­ду­ха в стек­ло равен . Чему равен угол пре­лом­ле­ния?