Преломление света (Гребенюк Ю.В.)

Введение

Свет — одно из важнейших явлений природы. Благодаря ему человек видит окружающий мир, а оптические приборы помогают изучать Вселенную, микромир и даже собственный организм.
Но почему луч света изменяет направление, проходя из одной среды в другую? Почему ложка в стакане кажется переломленной, а радуга переливается множеством красок? Ответ кроется в преломлении света — явлении, которое мы будем изучать в этой статье.

Общие сведения о преломлении света

Преломление света — это изменение направления распространения светового луча при переходе из одной прозрачной среды в другую.
Причина — изменение скорости света: в разных веществах он движется с разной скоростью.

Если луч света переходит:

из менее плотной среды (например, воздуха) в более плотную (например, воду) — он отклоняется к нормали;
из более плотной в менее плотную — от нормали.

Оптическая плотность и абсолютный показатель преломления

Оптическая плотность характеризует, насколько сильно вещество изменяет направление светового луча.
Для количественного описания этого вводится абсолютный показатель преломления:

$display style n equals c over v$

где
c — скорость света в вакууме (≈ 3·10⁸ м/с),
v — скорость света в данной среде.

Чем больше показатель преломления, тем медленнее движется свет.

Таблица 1. Скорость света в различных средах

Среда	Скорость света, км/с
Вакуум	300 000
Воздух	299 000
Вода	225 000
Стекло	200 000
Алмаз	125 000

Таблица 2. Абсолютные показатели преломления света

Вещество	Показатель преломления (n)
Воздух	1,0003
Вода	1,33
Стекло	1,5
Алмаз	2,42

Закон Снеллиуса

Между углом падения и углом преломления существует закономерность — закон Снеллиуса:

$display style n subscript 1 sin invisible function application i equals n subscript 2 sin invisible function application r$

где
n₁ и n₂ — показатели преломления сред,
i — угол падения,
r — угол преломления.

Этот закон позволяет вычислить, как изменится направление луча при переходе между веществами.

Полное внутреннее отражение

Если свет идёт из более плотной среды в менее плотную, то при достижении определённого угла падения он не выходит из среды, а полностью отражается.
Это явление называется полным внутренним отражением и широко применяется в оптоволокне, медицинской технике, лазерных приборах.

Опыт, демонстрирующий преломление света

Ложка в стакане. При погружении ложки в воду кажется, что она «ломается». Это результат преломления на границе вода–воздух.
Призма Ньютона. Белый свет, проходя через призму, разлагается на спектр, так как разные цвета (длины волн) преломляются по-разному.

Разветвление: объяснение явлений

Мираж — результат преломления света в слоях воздуха с различной температурой.
Лунное затмение — частично связано с преломлением света в атмосфере.
Радуга — результат сложного сочетания преломления, отражения и дисперсии света.

Задачи с решением

Задача 1. Определение угла преломления

Луч падает из воздуха в воду под углом 45°. Найдите угол преломления.
(Показатель преломления воды n₂ = 1,33, воздуха n₁ = 1,0.)

Решение:

По закону Снеллиуса:

$display style n subscript 1 sin invisible function application i equals n subscript 2 sin invisible function application r$ $display style 1 comma 0 times sin invisible function application 45 straight degree equals 1 comma 33 times sin invisible function application r$ $display style sin invisible function application r equals fraction numerator 0 comma 707 over denominator 1 comma 33 end fraction equals 0 comma 532$ $display style r equals 32 straight degree$

Ответ: угол преломления равен 32°.

Задача 2. Определение показателя преломления

Свет проходит из воздуха в прозрачное вещество. Угол падения равен 30°, угол преломления — 19°. Найдите показатель преломления вещества.

Решение:

$display style n equals fraction numerator sin invisible function application i over denominator sin invisible function application r end fraction equals fraction numerator sin invisible function application 30 straight degree over denominator sin invisible function application 19 straight degree end fraction equals fraction numerator 0 comma 5 over denominator 0 comma 325 end fraction equals 1 comma 54$

Ответ: показатель преломления вещества 1,54 (приблизительно стекло).

Задача 3. Определение скорости света в веществе

Показатель преломления стекла равен 1,5. Найдите скорость света в нём.

Решение:

$display style n equals c over v rightwards double arrow v equals c over n$ $display style v equals fraction numerator 3 times 10 to the power of 8 over denominator 1 comma 5 end fraction equals 2 times 10 to the power of 8 text м/с end text$

Ответ: скорость света в стекле равна 2·10⁸ м/с.

Значение преломления света

Преломление света лежит в основе:

работы линз и оптических приборов (микроскопов, телескопов, фотоаппаратов);
создания очков и контактных линз;
функционирования волоконной связи;
объяснения атмосферных явлений, таких как миражи и радуги.

Вопросы для самопроверки

Что называют преломлением света?
Почему свет преломляется на границе двух сред?
Какой закон описывает зависимость углов падения и преломления?
Что такое оптическая плотность?
Как найти показатель преломления среды?
Почему ложка в стакане кажется изогнутой?
Что такое полное внутреннее отражение?
Где в технике используется явление преломления света?
Почему радуга имеет форму дуги?
Как изменяется скорость света в более плотной среде?

Последнее изменение: Понедельник, 10 Ноябрь 2025, 18:19