Что называется преломлением света. План Что такое преломление света? Что такое преломление света? Объяснение преломления света

На границе сред происходит много интересных оптических явлений. Одно из них – отражение света, когда падающий на границу луч отражается от границы под тем же углом в той же плоскости. Другое важнейшее явление – явление преломления света. От отражения оно отличается тем, что падающий луч проникает за границу, но движется уже в ином направлении. Классический опыт, демонстрирующий преломление, каждый может проделать сам. Достаточно налить воды в стакан с прозрачными стенками и опустить в него любой стержень, например, карандаш. Тогда карандаш будет казаться изогнутым. Миражи в пустынях и на дорогах объясняются тем же самым. Посмотрите на рисунок, иллюстрирующий природу миража:

В слое воздуха возле земной поверхности имеется градиент температуры. В результате этого плотность воздуха также непрерывно изменяется. Подающий на этот слой луч света испытывает множественные преломления, в результате чего начинает напоминать кривую линию, а глаз видит не только сам предмет, но также его отражение от земной поверхности в другом месте. В жаркую погоду водители нередко наблюдают «зеркала» на дорогах.

Закон преломления света

Помимо качественного описания преломления были определены и количественные закономерности данного явления:

• Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости.
• Отношение синусов углов падения и отражения есть величина постоянная и зависящая только от характеристик сред. Данное отношение называется — «показатель преломления».

Эти идеи проиллюстрированы рисунком:

Если взять плоскопараллельную пластинку, то преломленный через нее луч будет выглядеть так:

Любопытно, что преломляясь, свет движется таким образом, чтобы минимизировать время прохождения через пластинку. Данный факт (принцип Ферма) не случаен, а является частным случаем фундаментального закона природы – принципа наименьшего действия, который, насколько мы знаем, не имеет исключений ни в одной области физики. Это значит, что скорость распространения света в разных средах не одинакова. Из принципа Ферма следует, что показатель преломления можно записать и так:

Полное отражение света

С рассматриваемой темой связано одно интересное явление – так называемое «полное отражение». Что это такое? Если луч попадает из среды, где скорость света меньше, в среду, где скорость света больше, то для определенного диапазона углов падения угол преломления оказывается таким, что свет снова возвращается в ту же среду:

Попадающий в стеклянную пластинку свет словно «блуждает» в ней – это и есть явление полного отражения – и отраженный и преломленный лучи отказываются переходить через границу.

На границе перехода из одной среды в другую, если она существенно больше, чем длина волны, наблюдается изменение направления световых лучей. При этом часть энергии отражается, то есть возвращается в ту же среду, а часть преломляется, проникая в другую среду. Используя законы отражения и преломления света, можно объяснить, какое направление имеют отраженные и преломленные лучи и какова доля световой энергии, которая отразилась или перешла из одной среды в другую. Чтобы возникло явление отражения и преломления света, тело должно быть довольно гладким, не матовым и обладать достаточно однородной внутренней структурой. Примером такого случая может быть граница раздела воды и воздуха в широкой емкости. Также зеркальной поверхностью обладают полированные металлические тела.

Чтобы понять сущность данных законов, можно провести несложный опыт. Следует направить узкий поток лучей на воду, налитую в большой сосуд. Можно заметить, что часть лучей отразится на поверхности, а оставшаяся перейдет в воду. Более того, мы увидим, что происходит преломление света в воде .

Закон отражения

Закон отражения определяет изменение направленности луча света при встрече с отражающей поверхностью. Он состоит в том, что и падающий, и отраженный луч находятся в единой плоскости с перпендикуляром к поверхности, и этой перпендикуляр разделяет угол между данными лучами на равные части.

Чаще его формулируют так: угол падения и угол отражения света равны:

α=γ

Такая формулировка является менее точной, поскольку не определяет точного направления отражения луча.

Закон отражения исходит из принципов волновой оптики. Экспериментально он был найден Евклидом в 3-м веке до н.э. Его можно считать следствием использования принципа Ферма для зеркальной поверхности.

Любая среда обладает в определенной степени отражательной и поглощающей способностью. Величиной, которая свидетельствует об отражательной способности поверхности, является коэффициент отражения света . Он определяет, какую долю энергии, принесенной на поверхность, составляет энергия, которая уносится с нее отраженным излучением. Его величина зависит от множества причин, в том числе от угла падения и состава излучения.

В результате перехода из более плотной в менее плотную оптически среду (допустим, в воздух из стекла) происходит полное отражение, которое означает, что преломленный луч исчезает.

Полное отражение наблюдается при падении лучей на жидкую ртуть или серебро, нанесенное на стекло.

Такое явление имеет место, если угол падения превышает предельный угол полного отражения света αпр .

Если α = αпр , то sin β = 1 , а sin αпр = n2/n1

Когда второй средой выступает воздух (то есть n2 ≈ 1 ), указанная формула приобретает следующий вид:

sin αпр=1/n

Критический угол для перехода из стекла в воздух составляет 42° (при n = 1,5) , для перехода из воды в воздух — 48,7° (при n = 1,33 ).

Полное внутреннее отражение света

В природе примерами полного отражения являются различные миражи и фата-моргана. Они возникают в результате отражения на границе слоев воздуха с различной температурой. Кроме того, полное отражение света объясняет и яркий блеск драгоценных камней, когда каждый входящий луч образует множество ярких исходящих лучей.

Если, находясь под водой, посмотреть на поверхность под определенным углом, можно увидеть не то, что находится в воздухе, а зеркальное изображение предметов, находящихся под водой. Это еще один пример полного внутреннего отражения.

В случае, когда угол падения на границу между двумя диэлектрическими средами не равен нулю, и отраженный, и преломленный лучи становятся частично поляризованными. Поляризация света при отражении определяется углом его падения. Угол, при котором происходит полная поляризация отраженного луча, а преломленный луч обладает максимально возможной степенью поляризации, называют углом Бpюстеpа.

Обратите внимание, что информация о выборе светофильтров для объективов доступна по этому адресу: .

Законы отражения и преломления света фото

Ниже приводим фотографии по теме статьи «Законы отражения и преломления света». Для открытия галереи фотографий достаточно нажать на миниатюру изображения.

Процессы, которые связаны со светом, являются важной составляющей физики и окружают нас в нашей обыденной жизни повсеместно. Самые важные в данной ситуации являются законы отражения и преломления света, на которых зиждется современная оптика. Преломление света является важной составляющей частью современной науки.

Эффект искажения

Эта статья расскажет вам, что собой представляет явление преломления света, а также как выглядит закон преломления и что из него вытекает.

Основы физического явления

При падении луча на поверхность, которая разделяется двумя прозрачными веществами, имеющими разную оптическую плотность (к примеру, разные стекла или в воде), часть лучей будет отражена, а часть – проникнет во вторую структуру (например, пойдет распространяться в воде или стекле). При переходе из одной среды в другую для луча характерно изменение своего направления. Это и есть явление преломления света.
Особенно хорошо отражение и преломление света видно в воде.

Эффект искажения в воде

Смотря на вещи, находящиеся в воде, они кажутся искаженными. Особенно это сильно заметно на границе между воздухом и водой. Визуально кажется, что подводные предметы слегка отклонены. В описываемом физическом явлении как раз и кроется причина того, что в воде все объекты кажутся искаженными. При попадании лучей на стекло, данный эффект менее заметен.
Преломление света представляет собой физическое явление, которое характеризуется изменением направления движения солнечного луча в момент перемещения из одной среды (структуры) в другую.
Для улучшения понимания данного процесса, рассмотрим пример попадания луча из воздуха в воду (аналогично для стекла). При проведении перпендикуляра вдоль границы раздела можно измерить угол преломления и возвращения светового луча. Данный показатель (угол преломления) будет изменяться при проникновении потока в воду (внутрь стекла).
Обратите внимание! Под данным параметром понимается угол, который образует перпендикуляр, проведенный к разделу двух веществ при проникновении луча из первой структуры во вторую.

Прохождение луча

Этот же показатель характерен и для других сред. Установлено, что данный показатель зависит от плотности вещества. Если падение луча происходит из менее плотной в более плотную структуру, то угол создаваемого искажения будет больше. А если наоборот – то меньше.
При этом изменение наклона падения также скажется и на данном показателе. Но отношение между ними не остается постоянным. В то же время, отношение их синусов останется постоянной величиной, которую отображает следующая формула: sinα / sinγ = n, где:

• n – постоянная величина, которая описана для каждого конкретного вещества (воздуха, стекла, воды и т.д.). Поэтому, какова будет данная величина можно определить по специальным таблицам;
• α – угол падения;
• γ – угол преломления.

Для определения этого физического явления и был создан закон преломления.

Физический закон

Закон преломления световых потоков позволяет определить характеристики прозрачных веществ. Сам закон состоит из двух положений:

• первая часть. Луч (падающий, измененный) и перпендикуляр, который был восстановлен в точке падения на границе, например, воздуха и воды (стекла и т.д.), будут располагаться в одной плоскости;
• вторая часть. Показатель соотношения синуса угла падения к синусу этого же угла, образовавшегося при переходе границы, будет величиной постоянной.

Описание закона

При этом в момент выхода луча из второй структуры в первую (например, при прохождении светового потока из воздуха, через стекло и обратно в воздух), также будет возникать эффект искажения.

Важный параметр для разных объектов

Основной показатель в данной ситуации — это соотношение синуса угла падения к аналогичному параметру, но для искажения. Как следует из закона, описанного выше, данный показатель являет собой постоянную величину.
При этом при изменении значения наклона падения, такая же ситуация будет характерна и для аналогичного показателя. Данный параметр имеет большое значение, поскольку является неотъемлемой характеристикой прозрачных веществ.

Показатели для разных объектов

Благодаря этому параметру можно довольно эффективно различать виды стекол, а также разнообразные драгоценные камни. Также он важен для определения скорости перемещения света в различных средах.

Обратите внимание! Наивысшая скорость светового потока – в вакууме.

При переходе из одного вещества в другие, его скорость будет уменьшаться. К примеру, у алмаза, который обладает самым большим показателем преломляемости, скорость распространения фотонов будет в 2,42 раза выше, чем у воздуха. В воде же они будут распространяться медленнее в 1,33 раза. Для разных видов стекол данный параметр колеблется в диапазоне от 1,4 до 2,2.

Обратите внимание! Некоторые стекла имеют показатель преломляемости 2,2, что очень близко к алмазу (2,4). Поэтому не всегда получится отличить стекляшку от реального алмаза.

Оптическая плотность веществ

Свет может проникать через разные вещества, которые характеризуются различными показателями оптической плотности. Как мы уже говорили ранее, используя данный закон можно определить характеристику плотности среды (структуры). Чем более плотной она будет, тем с меньшей скоростью в ней будет распространяться свет. Например, стекло или вода будут более оптически плотными, чем воздух.
Кроме того, что данный параметр является постоянной величиной, он еще и отражает отношение скорости света в двух веществах. Физический смысл можно отобразить в виде следующей формулы:

Данный показатель говорит, каким образом изменяется скорость распространения фотонов при переходе из одного вещества в другое.

Еще один важный показатель

При перемещении светового потока через прозрачные объекты возможна его поляризация. Она наблюдается при прохождении светового потока от диэлектрических изотропных сред. Поляризация возникает при прохождении фотонов через стекло.

Эффект поляризации

Частичная поляризация наблюдается, когда угол падения светового потока на границе двух диэлектриков будет отличаться от нуля. Степень поляризации зависит от того, каковы были углы падения (закон Брюстера).

Полноценное внутреннее отражение

Завершая наш небольшой экскурс, еще необходимо рассмотреть такой эффект, как полноценное внутреннее отражение.

Явление полноценного отображения

Для появления данного эффекта необходимо увеличение угла падения светового потока в момент его перехода из более плотного в менее плотную среду в границе раздела между веществами. В ситуации, когда данный параметр будет превосходить определенное предельное значение, тогда фотоны, падающие на границу этого раздела будут полностью отражаться. Собственно это и будет наше искомое явление. Без него невозможно было сделать волоконную оптику.

Заключение

Практическое применение особенностей поведения светового потока дали очень многое, создав разнообразные технические приспособления для улучшения нашей жизни. При этом свет открыл перед человечеством далеко не все свои возможности и его практический потенциал еще полностью не реализован.

Как сделать бумажный светильник своими руками
Как проверить работоспособность светодиодной ленты

Что такое Преломление света.

При прохождении света через границу раздела двух прозрачных сред, таких, как воздух и стекло, угол преломления (между лучом во второй среде и нормалью) меньше угла падения (между падающим лучом и той же нормалью), если свет проходит из воздуха в стекло (рис.10), и больше угла падения, если свет проходит из стекла в воздух. Преломление подчиняется закону Снеллиуса, согласно которому падающий и преломленный лучи и нормаль, проведенная через точку пересечения светом границы сред, лежат в одной плоскости, а угол падения i и угол преломления r , отсчитываемые от нормали, связаны соотношением n = sini /sinr , где n – относительный показатель преломления сред, равный отношению скоростей света в этих двух средах (скорость света в стекле меньше, чем в воздухе).

Если свет проходит через плоскопараллельную стеклянную пластинку, то, поскольку такое двукратное преломление симметрично, выходящий луч параллелен падающему. Если свет падает не по нормали к пластинке, то выходящий луч будет смещен относительно падающего на расстояние, зависящее от угла падения, толщины пластинки и показателя преломления.

Если же пучок света проходит через призму (рис. 11), то направление выходящего пучка изменяется.

Кроме того, показатель преломления стекла неодинаков для разных длин волн: для фиолетового света он больше, чем для красного. Поэтому, когда через призму проходит белый свет, его цветовые составляющие отклоняются в разной степени, разлагаясь в спектр. Менее всего отклоняется красный свет, за ним следуют оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и, наконец, фиолетовый. Зависимость показателя преломления от длины волны излучения называется дисперсией . Дисперсия, как и показатель преломления, сильно зависит от свойств материала. Угловое отклонение D (рис. 11) минимально при симметричном ходе луча через призму, когда угол падения луча при входе в призму равен углу, под которым этот луч выходит из призмы. Такой угол называется углом минимального отклонения . Для призмы с преломляющим углом A (углом при вершине) и относительным показателем преломления n справедливо соотношение n = sin[(A + D )/2]sin(A /2), которым определяется угол минимального отклонения.

Критический угол. Когда луч света переходит из оптически более плотной среды, такой, как стекло, в менее плотную, такую, как воздух, угол преломления оказывается больше угла падения (рис. 12). При некотором значении угла падения, которое называется критическим , преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела, все еще оставаясь во второй среде. Когда угол падения превысит критический, преломленного луча уже не будет, а свет полностью отразится назад в первую среду. Такое явление называется полным внутренним отражением. Поскольку при угле падения, равном критическому, угол преломления равен 90 (sinr = 1), критический угол C , при котором начинается полное внутреннее отражение, дается соотношением sinC = 1/n , где n – относительный показатель преломления.

Линзы. При преломлении на кривых поверхностях тоже применим закон Снеллиуса, как и закон отражения. Опять-таки наиболее важное значение имеет случай преломления на сферической поверхности. Рассмотрим рис. 13,а . Прямая, проведенная через вершину сферического сегмента и центр кривизны, называется главной осью. Луч света, идущий вдоль главной оси, падает на стекло по нормали и потому проходит без изменения направления, но другие, параллельные ему лучи падают на поверхность под разными углами к нормали, увеличивающимися с удалением от главной оси. Поэтому и преломление будет больше для удаленных лучей, но все лучи такого параллельного пучка, идущего параллельно главной оси, пересекут ее в точке, называемой главным фокусом . Расстояние от этой точки до вершины поверхности называется фокусным расстоянием.

Если пучок таких же параллельных лучей падает на вогнутую поверхность, то после преломления пучок становится расходящимся, а продолжения этих лучей пересекаются в точке, которая называется мнимым фокусом (рис. 13,б ). Расстояние от этой точки до вершины тоже называется фокусным расстоянием, но ему приписывается знак «минус».

Тело из стекла или другого оптического материала, ограниченное двумя поверхностями, радиусы кривизны и фокусные расстояния которых велики по сравнению с другими размерами, называется тонкой линзой . Из шести линз, показанных на рис. 14, первые три – собирающие, а остальные три – рассеивающие. Фокусное расстояние тонкой линзы можно рассчитать, если известны радиусы кривизны и показатель преломления материала. Соответствующая формула имеет вид где R 1 и R 2 – радиусы кривизны поверхностей, которые в случае двояковыпуклой линзы (рис. 15) считаются положительными, а в случае двояковогнутой – отрицательными.

Положение изображения для заданного объекта можно рассчитать по простой формуле с учетом некоторых условностей, показанных на рис. 15. Объект помещают слева от линзы, а ее центр считается началом координат, от которого измеряются все расстояния вдоль главной оси. Область слева от линзы называется пространством объекта , а справа – пространством изображения .

При этом расстояние до объекта в пространстве объекта и расстояние до изображения в пространстве изображения считаются положительными. Все расстояния, показанные на рис. 15, положительные.

В этом случае, если f – фокусное расстояние, s – расстояние до объекта, а s  – расстояние до изображения, формула тонкой линзы запишется в виде 1/f = (1/s ) + (1/s ).

Руководствуясь рис. 15, можно построить также изображение точек, находящихся вне главной оси. Плоскому объекту, перпендикулярному оси, будет соответствовать также плоское и перпендикулярное оси изображение при условии, что размеры объекта малы по сравнению с фокусным расстоянием. Лучи, проходящие через центр линзы, не отклоняются, а лучи, параллельные главной оси, пересекаются в фокусе, лежащем на этой оси. Объект на рис. 15 представлен стрелкой h слева. Изображение верхней точки объекта находится в точке пересечения множества исходящих из нее лучей, из которых достаточно выбрать два: луч, параллельный главной оси, который затем пройдет через фокус, и луч, проходящий через центр линзы, который не меняет своего направления, проходя через линзу. Получив таким образом верхнюю точку изображения, достаточно опустить перпендикуляр на главную ось, чтобы получить все изображение, высоту которого обозначим через h . В случае, показанном на рис. 15, мы имеем действительное ,перевернутое и уменьшенное изображение . Из соотношений подобия треугольников нетрудно найти отношение m высоты изображения к высоте объекта, которое называется увеличением :

m = h /h = s /s .

Если рассматривать через эту линзу предмет, расположенный за линзой не дальше ее фоукуса, то видно увеличенное мнимое изображение предмета . Такая линза представляет собой простейший микроскоп и называется лупой или увеличительным стеклом. Из схемы рис. 16 можно определить размер увеличенного изображения.

Когда глаз настроен на параллельный пучок света (изображение предмета находится на неопределенно большом расстоянии, а это означает, что предмет расположен в фокальной плоскости линзы), видимое увеличение M можно определить из соотношения (рис. 16): M = tg /tg = (H /f )/(H /v ) = v /f , где f – фокусное расстояние линзы, v – расстояние наилучшего зрения, т.е. наименьшее расстояние, на котором глаз хорошо видит при нормальной аккомодации. M увеличивается на единицу, когда глаз настраивается так, что мнимое изображение предмета оказывается на расстоянии наилучшего зрения. Способности к аккомодации у всех людей разные, с возрастом они ухудшаются; принято считать 25 см расстоянием наилучшего зрения нормального глаза. В поле зрения одиночной положительной линзы при удалении от ее оси резкость изображения быстро ухудшается из-за поперечных аберраций. Хотя и бывают лупы с увеличением в 20 крат, типичная их кратность от 5 до 10. Увеличение сложного микроскопа , состоящего из нескольких линз, именуемого обычно просто микроскопом , доходит до 1500-2000 крат.

Комбинации линз. Когда речь идет о системе нескольких линз, положение окончательного изображения определяется последовательным применением к каждой линзе известной нам формулы с учетом знаков. Такую систему можно заменить одной линзой с «эквивалентным» фокусным расстоянием. В случае двух отстоящих друг от друга на расстояние a простых линз с общей главной осью и фокусными расстояниями f 1 и f 2 эквивалентное фокусное расстояние F дается формулой

Величина, обратная фокусному расстоянию (с учетом знака), называется оптической силой. Если фокусное расстояние измеряется в метрах, то соответствующая оптическая сила выражается в диоптриях . Как явствует из последней формулы, оптическая сила системы близко расположенных тонких линз равна сумме оптических сил отдельных линз.

Оптическая система - это совокупность отражающих, преломляющих и ограничивающих поверхностей, которые отделяют друг от друга оптически однородные среды. Обычно эти поверхности являются сферическими или плоскими. Если центры всех поверхностей лежат на одной прямой, то оптическая система называется центрированной . Центрированные оптические системы могут включать в себя плоские зеркала и отражающие призмы, ломающие оптическую ось, но, по сути, не влияющие на симметрию системы (рис.17). Чтобы центрированная система была идеальной оптической системой, необходимо ограничиться только лучами, идущими под малыми углами к главной оптической оси. Такие лучи называются параксиальными (нулевые). Теория идеальных оптических систем была развита Гауссом (1841).

Рассмотрим, как меняется направление луча при переходе его из воздуха в воду. В воде скорость света меньше, чем в воздухе. Среда, в которой скорость распространения света меньше, является оптически более плотной средой.

Таким образом, оптическая плотность среды характеризуется различной скоростью распространения света .

Это значит, что скорость распространения света больше в оптически менее плотной среде. Например, в вакууме скорость света равна 300 000 км/с, а в стекле - 200 000 км/с. Когда световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды с разной оптической плотностью, 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 сред (рис. 144). Это явление называется преломлением света .

Рис. 144. Преломление света при переходе луча из воздуха в воду

Рассмотрим преломление света подробнее. На рисунке 145 показаны: падающий луч АО, преломлённый луч ОВ и перпендикуляр к поверхности раздела двух сред, проведённый в точку падения О. Угол АОС - угол падения (α) , угол DOB - угол преломления (γ) .

Рис. 145. Схема преломления луча света при переходе из воздуха в воду

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 прозрачной средой, оптически более плотной, чем воздух, то преломлённый луч также будет приближаться к перпендикуляру. Поэтому можно сказать, что если свет идёт из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения (см. рис. 145):

Луч света, направленный перпендикулярно к границе раздела двух сред, проходит из одной среды в другую без преломления.

При изменении угла падения меняется и угол преломления. Чем больше угол падения, тем больше угол преломления (рис. 146). При этом отношение между углами не сохраняется. Если составить отношение синусов углов падения и преломления, то оно остаётся постоянным.

Рис. 146. Зависимость угла преломления от угла падения

Для любой пары веществ с различной оптической плотностью можно написать:

где n - постоянная величина, не зависящая от угла падения. Она называется показателем преломления для двух сред. Чем больше показатель преломления, тем сильнее преломляется луч при переходе из одной среды в другую.

Таким образом, преломление света происходит по следующему закону: лучи падающий, преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.