Закон преломления света
Эксперименты показывают, что в однородных средах свет распространяется прямолинейно. Падая на границу раздела двух сред, свет частично отражается, а также частично проходит через границу раздела и распространяется во второй среде. Изменение направления светового луча, возникающего на границе двух сред, называется преломлением (рефракцией).
Принцип Гюйгенса
Для объяснения механизма распространения световых волн, нидерландский ученый Христиан Гюйгенс в 1678 г. сформулировал принцип (постулат, т.е. утверждение принимаемое за истинное без доказательств), названный его именем. Принцип состоит из двух основных положений:
- Каждая точка среды, до которой дошла световая волна, сама становится источником вторичных волн;
- Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени. Фронт волны – это огибающая фронта вторичных волн.
На представленном рисунке изображен фронт световой волны, распространяющийся со скоростью v в два момента времени — t и t+ Δt. Видно, что точки волны в момент времени t являются источниками вторичной волны в момент времени t+ Δt.
Как отражается свет
Из принципа Гюйгенса следует закон отражения света, который формулируется так:
Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Угол падения α равен углу отражения β.
Как преломляется свет
Угол γ, образованный преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, проведенным через точку падения луча, называется углом преломления. Видно, что угол γ не равен углу α.
Закон преломления света был экспериментально открыт в ХVII веке нидерландским физиком Снеллиусом, и формулируется так:
- падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред к точке падения луча, лежат в одной плоскости;
- отношение синуса угла падения к синусу угла преломления — постоянная величина для двух данных сред.
Формула закона преломления света, количественно описывающая соотношение синусов углов падения и преломления, выглядит так:
где n21 — физическая величина, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Эта формула также называется в честь своего первооткрывателя законом Снеллиуса.
Ярким примером явления преломления света является кажущийся излом чайной ложки в стакане воды на границе раздела воздух-вода.
Что такое относительный показатель преломления
Экспериментально установлено, что отличие угла преломления от угла преломления связано с изменением скорости распространения световой при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления — это отношение скорости распространения волн в первой среде v1 к скорости их распространения во второй среде v2:
Показатель преломления n среды относительно вакуума называется показателем преломления этой среды:
где c — скорость света в вакууме, v — скорость света в данной среде.
Экспериментально доказано, что скорость света в вакууме является максимальной скоростью распространения в природе. Значение c равно 300 000 км/сек. Поэтому показатели преломления всех веществ больше единицы.
Таким образом относительный показатель преломления n21 в формуле закона Снеллиуса равен отношению показателей преломления сред n1 и n2:
Из двух сред та среда, которая имеет меньшее значение показателя преломления, называется оптически менее плотной средой. Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения .
Что мы узнали?
Итак, мы узнали что происходит со световой волной, падающей на границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Принцип Гюйгенса, закон Снеллиуса и знание величин показателей преломления позволяют определить углы отражения и преломления на границе раздела двух сред.
Законы геометрической оптики в физике
Оптика — это раздел физики, который изучает свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом.
Геометрическая оптика рассматривает свет как световые лучи, при этом игнорируются волновые и корпускулярные свойства света. При расчетах пренебрегают длиной световой волны, предполагая, что λ→0.
Закон прямолинейного распространения света
Определение 2
В оптически однородной среде свет распространяется вдоль прямой линии, то есть прямолинейно.
Доказательством служат тени с четкими границами от предметов, освещенных точечным источником света. Также, если на пути света от далекого источника расположить экран с небольшим отверстием, то образуется узкий световой пучок. Эти опыты дают представление о световом луче, как прямой линии. Закон прямолинейного распространения света нарушается, если свет проходит сквозь отверстия, сравнимые по размеру с длиной световой волны.
Как формулируется закон отражения и преломления света
На границе раздела двух прозрачных сред часть падающих световых лучей будет отражена, а часть проникнет в другую среду, изменив направление своего распространения. На рисунке ниже изображен падающий луч АО, отраженный луч ОВ и преломленный луч ОС. NO — перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча (нормаль), ∠α — угол падения, ∠β — угол отражения, ∠γ — угол преломления.
Закон отражения света
Определение 3
Луч, падающий на границу раздела двух сред, отраженный луч и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча (нормаль), лежат в одной плоскости (плоскости падения). Угол падения луча равен углу отражения.
∠α=∠β
Закон преломления света
Определение 4
Луч, падающий на границу раздела двух сред, преломленный луч и нормаль лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления — постоянная для двух данных сред величина.
где n — относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума (и воздуха) называют абсолютным показателем преломления. Среду с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более плотной.
Полное внутреннее отражение
При переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную можно наблюдать явление полного внутреннего отражения света, при этом преломленный луч исчезает. Полное отражение наблюдается при углах падения, превышающих предельный угол полного внутреннего отражения. Если угол падения равен предельному углу полного внутреннего отражения, то угол преломления равен 90°, и луч, переломившись, скользит вдоль границы раздела сред.
Законы независимого распространения лучей и обратимости светового луча
Определение 5
Световые лучи распространяются независимо и при пересечении не влияют друг на друга, иными словами, лучи света в среде не взаимодействуют.
Траектория и длина хода световых лучей не зависит от направления распространения. Луч, распространяющийся по определенному пути, при движении в обратном направлении повторит свою траекторию.
Практическое применение
Явление полного внутреннего отражения используют в волоконной оптике в телекоммуникации, медицине, освещении труднодоступных мест. Потери при этом минимальны: только в местах, где оптоволокно сильно изогнуто, часть лучей преломляется и выходит за пределы световода. Законы геометрической оптики применяют при создании оптических приборов от очков до мощных микроскопов и телескопов.
Явление преломления света в физике
Направление световой волны, достигающей границы раздела двух сред, изменяется. Одна часть света будет отражена, а вторая часть проникает в другую среду, меняя при этом направление распространения, — происходит преломление света. Определение 1
Преломление света — это изменение направления светового луча, проникающего из одной прозрачной среды в другую.
На рисунке показано преломление света на плоской границе, разделяющей две прозрачные среды. Красный луч — направление распространения падающей волны, синий луч — преломленной волны.
Относительный и абсолютный показатель преломления
- Из которой луч падает.
- В которую он проникает.
Абсолютным показателем преломления среды называют показатель преломления, полученный при падении светового луча в данную среду из вакуума. Он равен отношению синуса угла падения света в вакууме к синусу угла преломления в данной среде.
— угол падения светового луча в вакууме,
Относительный показатель или коэффициент преломления — постоянная величина для данной пары сред. Относительный коэффициент преломления равен отношению синуса угла падения светового луча к синусу угла преломления или отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой.
где — абсолютный показатель преломления второй среды,
n — относительный показатель преломления.
Угол падения вдоль направления I. Скорость волны равна .
Эта волна падает на границу раздела со средой, в которой абсолютный показатель преломления равен
На прохождение пути ВС падающей волне нужно время, равное .
За это же время фронт вторичной волны, возбуждаемой в точке А во второй среде, достигнет точек полусферы с радиусом Формула 2
Дано: на границу воздуха и воды падают световые лучи, угол их падения равен 30°. Показатель преломления воды равен 1,33.
Найти: угол преломления.
Решение: Пусть γ — угол падения, а α — угол преломления, тогда
Следовательно, γ=42°.
Ответ: угол преломления равен 42°.
Основные сведения о преломлении света в физике — суть явления
Отражение и преломление света на границе раздела двух сред
Световой луч, падающий на границу раздела двух прозрачных сред, меняет направление распространения. Частично свет будет отражен, а частично проникнет в другую среду, изменив при этом угол своего падения, — произойдет преломление света. На рисунке АО — падающий луч, ОВ — отраженный луч, ОС — преломленный луч, N — нормаль или перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, ∠α — угол падения, ∠β — угол отражения, ∠β=∠α, ∠γ — угол преломления. Угол падения ∠α, угол отражения ∠β и угол преломления ∠γ измеряют от нормали до соответствующего луча. Определение 1
Преломление света — это изменение направления светового луча, проникающего из одной прозрачной среды в другую, связанное с изменением скорости света при переходе из одной среды в другую.
От чего зависит угол преломления
- Угол преломления имеет прямую зависимость от угла падения.
- Если свет проникает из менее плотной среды в более плотную, то угол преломления всегда меньше угла падения, ∠γ
- Если свет приходит из оптически более плотной среды в менее плотную, то ∠α
- Световой луч, падающий перпендикулярно к границе двух сред, не преломляется, то есть ∠α=∠γ.
Как был открыт закон преломления
Преломление лучей света на резкой границе двух прозрачных сред наблюдали и изучали уже в Древней Греции, но впервые закон был сформулирован в начале 17 века Виллебрордом Снеллом ван Ройеном (1580–1626) или Снеллиусом.
Он заметил, что при изменении угла падения угол преломления изменяется так, что соотношение синусов этих углов остается постоянным. Примерно в это же время независимо от Снеллиуса закон преломления был открыт Рене Декартом (1596–1650) и напечатан в 1637 году в его трактате «Диоптрика».
Закон преломления света
Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, проведенный в точке падения луча, (нормаль) принадлежат одной плоскости.
Определение и формула коэффициента преломления
Определение 2
Показатель преломления (коэффициент преломления, коэффициент рефракции) — это отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ.
Коэффициент преломления зависит от оптических характеристик двух сред: той, из которой луч падает, и той, куда он проникает.
Относительный показатель рефракции
Определение 4
Относительный показатель рефракции или преломления — постоянная величина для двух данных сред. Относительный коэффициент преломления равен отношению синуса угла падения светового луча к синусу угла преломления или отношению абсолютного показателя рефракции второй среды к абсолютному показателю рефракции первой.
Карандаш выглядит изломанным, и часть под водой немного увеличена.
Монета в воде выглядит более крупной.
Причиной миражей является преломление световых лучей в неравномерно нагретых слоях воздуха. Корабль кажется парящим над поверхностью воды из-за температурной инверсии, когда слой холодного воздуха собирается прямо над морской поверхностью, а над ним проходит волна теплого воздуха. Холодный воздух более плотный, и разница в плотности слоев вызывает преломление света.