Преломление света (Ерюткин Е.С.)

Введение

Свет — это один из главных источников информации о мире, в котором мы живём. Всё, что мы видим, — результат взаимодействия света с объектами. Мы различаем цвета, формы, размеры и расстояния, потому что световые лучи отражаются, поглощаются и преломляются.
В курсе физики вы уже знакомились с отражением света, а теперь пришло время изучить преломление — явление, без которого невозможно объяснить, почему ложка в стакане кажется «сломленной», как работает линза или почему радуга имеет семь цветов.

Преломление света — одно из важнейших явлений геометрической оптики. Оно лежит в основе множества технологий: от фотообъективов и очков до волоконно-оптических систем связи и медицинских приборов. Понимание законов преломления помогает объяснить не только поведение света, но и природу многих природных явлений — миражей, бликов, переливов и радуг.

Определение преломления света

Преломление света — это изменение направления распространения светового луча при переходе из одной прозрачной среды в другую.
Это происходит потому, что в разных веществах свет распространяется с разной скоростью. Например, в воздухе свет движется быстрее, чем в воде или стекле.

Когда луч света падает на границу раздела двух сред, часть его отражается, а другая часть проходит в новую среду, изменяя направление. Это и есть преломление.

Законы преломления света

Законы преломления были открыты экспериментально и впервые точно сформулированы голландским учёным Виллебрордом Снеллиусом (в начале XVII века). Они звучат так:

1. Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, восстановленный к границе раздела сред в точке падения, лежат в одной плоскости.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред.

Эта постоянная называется показателем преломления и обозначается буквой n.

Формула закона преломления (закон Снеллиуса):

где
i — угол падения,
r — угол преломления,
n₁ и n₂ — показатели преломления первой и второй среды соответственно.

Показатель преломления среды

Показатель преломления показывает, насколько изменяется скорость света при переходе из вакуума в данную среду.
Он определяется формулой:

​

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

Например:

• Для воздуха n = 1,0003

• Для воды n = 1,33

• Для стекла n = 1,5

• Для алмаза n = 2,42

Чем больше показатель преломления, тем медленнее распространяется свет в этом веществе.

Физический смысл показателя преломления

Показатель преломления — это мера оптической плотности среды. Он отражает, насколько сильно среда «тормозит» свет.
Оптически более плотная среда имеет больший показатель преломления.
Именно поэтому при переходе света из воздуха в воду луч отклоняется к нормали (в воду свет входит под меньшим углом), а при выходе обратно — от нормали.

Оптическая плотность среды

Не следует путать оптическую плотность с обычной, механической плотностью.
Например, керосин по массе легче воды, но его оптическая плотность больше, поскольку показатель преломления выше (1,44 против 1,33).

Таким образом, оптическая плотность — это характеристика, показывающая, насколько сильно свет замедляется в веществе.

Практическое применение показателя преломления

1. Оптика и фотография.
   При проектировании линз для фотоаппаратов, телескопов и микроскопов показатель преломления позволяет рассчитать форму поверхности линз для точной фокусировки света.

2. Очки и линзы.
   Подбор коррекционных линз основан на знании показателя преломления материалов, из которых они изготовлены.

3. Оптоволокно.
   Современная связь невозможна без явления преломления. В оптоволоконных кабелях свет многократно отражается внутри тонких стеклянных волокон, передавая информацию на тысячи километров.

4. Химия и биология.
   По изменению показателя преломления можно определять концентрацию растворов и состав веществ (рефрактометрия).

5. Астрономия и метеорология.
   Атмосферное преломление объясняет миражи и «опускание» солнца за горизонт, когда на самом деле оно уже скрылось.

Полное внутреннее отражение

Если свет идёт из оптически более плотной среды в менее плотную, например, из стекла в воздух, то при определённом угле падения он полностью отражается обратно в среду. Это явление называется полным внутренним отражением.

Оно возникает, когда угол падения становится больше предельного угла.
Формула для предельного угла (αₚ):

​​

где n₁ — показатель преломления более плотной среды, n₂ — менее плотной.

Пример:
Для границы стекло–воздух (n₁ = 1,5; n₂ = 1,0):

Если угол падения больше 42°, свет не выйдет из стекла, а полностью отразится внутри.
Это свойство используется в оптоволоконных кабелях, биноклях, призмах и медицинских эндоскопах.

Примеры явлений, связанных с преломлением света

• Радуга — результат преломления и отражения света в каплях дождя.

• Мираж — видимое искажённое изображение, возникающее из-за преломления света в слоях воздуха разной температуры.

• Ложка в воде — кажется изогнутой из-за изменения направления лучей на границе вода–воздух.

• Оазис в пустыне — пример атмосферного преломления.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое преломление света?

2. Почему свет изменяет направление при переходе из одной среды в другую?

3. Сформулируйте законы преломления света.

4. Что показывает показатель преломления среды?

5. Как вычислить скорость света в веществе, если известен показатель преломления?

6. Чем отличается оптическая плотность от обычной плотности вещества?

7. В каком случае луч света отклоняется к нормали, а в каком — от неё?

8. Объясните физический смысл показателя преломления.

9. Что такое полное внутреннее отражение и при каких условиях оно наблюдается?

10. Где применяется явление полного внутреннего отражения?

11. Какие природные явления можно объяснить преломлением света?

12. Почему ложка в стакане с водой кажется переломленной?