Особенности явления преломления света с точки зрения физики. Преломление света

Явление преломления света - это физическое явление, которое происходит каждый раз, когда волна перемещается из одного материала в другой, в котором ее скорость распространения изменяется. Визуально оно проявляется в том, что изменяется направление распространения волны.

Физика: преломление света

Если падающий луч попадает на раздел между двумя средами под углом 90°, то ничего не происходит, он продолжает свое движение в том же направлении под прямым углом к границе раздела. Если угол падения луча отличается от 90°, происходит явление преломления света. Это, например, производит такие странные эффекты, как кажущийся излом объекта, частично погруженного в воду или миражи, наблюдаемые в горячей песчаной пустыне.

История открытия

В первом столетии н. э. древнегреческий географ и астроном Птолемей попытался математически объяснить величину рефракции, но предложенный им закон позже оказался ненадежным. В XVII в. голландский математик Виллеброрд Снелл разработал закон, который определял величину, связанную с отношением падающего и преломленного углов, которая впоследствии была названа показателем рефракции вещества. По сути, чем больше вещество способно преломлять свет, тем больше этот показатель. Карандаш в воде «сломан», потому что лучи, идущие от него, изменяют свой путь на границе раздела воздух-вода прежде, чем достигают глаз. К разочарованию Снелла, ему так и не удалось обнаружить причину этого эффекта.

В 1678 году еще один голландский ученый Христиан Гюйгенс разработал математическую зависимость, объясняющую наблюдения Снеллиуса и предположил, что явление преломления света - это результат разной скорости, с которой луч проходит через две среды. Гюйгенс определил, что отношение углов прохождения света через два материала с разными показателями рефракции должно быть равным отношению его скоростей в каждом материале. Таким образом, он постулировал, что через среды, имеющие больший коэффициент преломления, свет движется медленнее. Иначе говоря, скорость света через материал обратно пропорциональна его показателю преломления. Хотя впоследствии закон был экспериментально подтвержден, для многих исследователей того времени это не было очевидным, т. к. отсутствовали надежные средства света. Ученым казалось, что его скорость не зависит от материала. Лишь через 150 лет после смерти Гюйгенса скорость света была измерена с достаточной точностью, доказывающей его правоту.

Абсолютный показатель рефракции

Абсолютный показатель преломления n прозрачного вещества или материала определяется как относительная скорость, при которой свет проходит через него относительно скорости в вакууме: n=c/v, где с - скорость света в вакууме, а v - в материале.

Очевидно, что преломление света в вакууме, лишенном любого вещества, отсутствует, и в нем абсолютный показатель равен 1. Для других прозрачных материалов это значение больше 1. Для расчета показателей неизвестных материалов может использоваться преломление света в воздухе (1,0003).

Законы Снеллиуса

Введем некоторые определения:

• падающий луч - луч, который приближается к разделению сред;
• точка падения - точка разделения, в которую он попадает;
• преломленный луч покидает разделение сред;
• нормаль - линия, проведенная перпендикулярно к разделению в точке падения;
• угол падения - угол между нормалью и падающим лучом;
• определить света можно как угол между преломленным лучом и нормалью.

Согласно законам рефракции:

1. Падающий, преломленный луч и нормаль находятся в одной плоскости.
2. Отношение синусов углов падения и рефракции равно отношению коэффициентов рефракции второй и первой среды: sin i/sin r = n r /n i .

Закон преломления света (Снеллиуса) описывает взаимосвязь между углами двух волн и показателями рефракции двух сред. Когда волна переходит из менее рефракционной среды (например, воздуха) в более преломляющую (например, воду), ее скорость падает. Наоборот, когда свет переходит из воды в воздух, скорость увеличивается. в первой среде по отношению к нормали и угол рефракции во второй будут отличаться пропорционально разнице в показателях преломления между этими двумя веществами. Если волна переходит из среды с низким коэффициентом в среду с более высоким, то она изгибается в направлении к нормали. А если наоборот, то она удаляется.

Относительный показатель рефракции

Показывает, что отношение синусов падающего и преломленного углов равно константе, которая представляет собой отношение в обеих средах.

sin i/sin r = n r /n i =(c/v r)/(c/v i)=v i /v r

Отношение n r /n i называется относительным коэффициентом преломления для данных веществ.

Ряд явлений, которые являются результатом рефракции, часто наблюдаются в повседневной жизни. Эффект «сломанного» карандаша - одно из самых распространенных. Глаза и мозг следуют за лучами обратно в воду, как будто они не преломляются, а приходят от объекта по прямой линии, создавая виртуальный образ, который появляется на меньшей глубине.

Дисперсия

Тщательные измерения показывают, что на преломление света длина волны излучения или его цвет оказывают большое влияние. Другими словами, вещество имеет много которые могут различаться при изменении цвета или длины волны.

Такое изменение имеет место во всех прозрачных средах и носит название дисперсии. Степень дисперсии конкретного материала зависит от того, насколько показатель рефракции изменяется с длиной волны. С ростом длины волны становится менее выраженным явление преломления света. Это подтверждается тем, что фиолетовый рефрагирует больше красного, так как его длина волны короче. Благодаря дисперсии в обычном стекле происходит известное расщепление света на его составляющие.

Разложение света

В конце XVII века сэр Исаак Ньютон провел серию экспериментов, которые привели к его открытию видимого спектра, и показал, что белый свет состоит из упорядоченного массива цветов, начиная от фиолетового через синий, зеленый, желтый, оранжевый и заканчивая красным. Работая в затемненной комнате, Ньютон помещал стеклянную призму в узкий луч, проникавший через отверстие в оконных ставнях. При прохождении через призму происходило преломление света - стекло проецировало его на экран в виде упорядоченного спектра.

Ньютон пришел к выводу о том, что белый свет состоит из смеси разных цветов, а также, что призма «разбрасывает» белый свет, преломляя каждый цвет под другим углом. Ньютон не смог разделить цвета, пропуская их через вторую призму. Но когда он поставил вторую призму очень близко к первой таким образом, что все диспергированные цвета вошли во вторую призму, ученый установил, что цвета рекомбинируют, снова образуя белый свет. Этот открытие убедительно доказало спектральный который может быть легко разделен и соединен.

Явление дисперсии играет ключевую роль в большом числе разнообразных явлений. Радуга возникает в результате преломления света в каплях дождя, производя впечатляющее зрелище спектрального разложения, подобное тому, которое происходит в призме.

Критический угол и полное внутреннее отражение

При прохождении через среду с более высоким показателем рефракции в среду с более низким путь движения волн определяется углом падения относительно разделения двух материалов. Если угол падения превышает определенное значение (зависящее от показателя рефракции двух материалов), он достигает точки, когда свет не преломляется в среду с более низким показателем.

Критический (или предельный) угол определяется как угол падения, результирующий в угол рефракции, равный 90°. Другими словами, пока угол падения меньше критического, рефракция происходит, а когда он равен ему, то преломленный луч проходит вдоль места разделения двух материалов. Если угол падения превышает критический, то свет отражается обратно. Явление это носит название полного внутреннего отражения. Примеры его использования - алмазы и Огранка алмаза способствует полному внутреннему отражению. Большинство лучей, входящих сквозь верхнюю часть бриллианта, будет отражаться, пока они не достигнут верхней поверхности. Именно это дает бриллиантам их яркий блеск. Оптическое волокно представляет собой стеклянные «волосы», настолько тонкие, что когда свет входит в один конец, он не может выйти наружу. И только когда луч достигнет другого конца, он сможет покинуть волокно.

Понимать и управлять

Оптические приборы, начиная от микроскопов и телескопов до фотокамер, видеопроекторов, и даже человеческий глаз полагаются на тот факт, что свет может быть сфокусирован, преломлен и отражен.

Рефракция производит широкий спектр явлений, в том числе миражи, радуги, оптические иллюзии. Из-за преломления толстостенная кружка пива кажется более полной, а солнце садится на несколько минут позже, чем на самом деле. Миллионы людей используют силу рефракции, чтобы исправить дефекты зрения с помощью очков и контактных линз. Благодаря пониманию этих свойств света и управлению ими, мы можем увидеть детали, невидимые невооруженным глазом, независимо от того, находятся ли они на предметном стекле микроскопа или в далекой галактике.

План Что такое преломление света? Что такое преломление света? Объяснение преломления света. Объяснение преломления света. Свет. Свет. Скорость света в различных средах. Скорость света в различных средах. Оптическая плотность. Оптическая плотность. Угол падения и угол преломления. Угол падения и угол преломления. Треугольная призма. Треугольная призма. Евклид и открытое им явление. Евклид и открытое им явление. Заключение. Заключение.

Что такое преломление света? Изменение направления распространения света при его прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света. Изменение направления распространения света при его прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Объяснение преломления света. Преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его переходе из одной среды в другую. Преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его переходе из одной среды в другую. Впервые такое объяснение этому явлению дал в середине XVII в. патер Меньян. Впервые такое объяснение этому явлению дал в середине XVII в. патер Меньян.

Свет Свет –это электромагнитные волны. Свет –это электромагнитные волны. Скорость света в вакууме максимальна равна: C= км/с ~ км/с. Скорость света в вакууме максимальна равна: C= км/с ~ км/с. Скорость света в веществе U

Скорость света в различных средах. Среда V,км/с Среда Воздух Кедровое масло Лед Кварц Вода Рубин Стекло Алмаз

Оптическая плотность. Из двух сред та, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, оптически менее плотной. Например, вода является оптически более плотной средой, чем воздух, а стекло оптически более плотной средой, чем вода. Из двух сред та, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, оптически менее плотной. Например, вода является оптически более плотной средой, чем воздух, а стекло оптически более плотной средой, чем вода. Опыт показывает, что, попадая в среду, оптически более плот­ную, луч света отклоняется от своего первоначального на­правления в сторону к перпендикуляру к границе раздела двух сред, а попадая в среду, оптически менее плотную, луч света отклоняется в обратную сторону. Опыт показывает, что, попадая в среду, оптически более плот­ную, луч света отклоняется от своего первоначального на­правления в сторону к перпендикуляру к границе раздела двух сред, а попадая в среду, оптически менее плотную, луч света отклоняется в обратную сторону.

Угол падения и угол преломления. Угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения луча называется углом преломления. Угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения луча называется углом преломления. a угол падения, (a-1 угол преломления) a угол падения, (a-1 угол преломления)

Способность преломлять лучи у разных сред различна. Чем значительнее отличаются скорости света в двух средах, тем сильнее преломляются лучи на границе между ними. Способность преломлять лучи у разных сред различна. Чем значительнее отличаются скорости света в двух средах, тем сильнее преломляются лучи на границе между ними. Одной из основных деталей многих оптических приборов является стеклянная треугольная призма. Показан ход луча в такой призме: в результате двукратного преломления треугольная призма отклоняет падающий на нее луч в сторону к своему основанию. Одной из основных деталей многих оптических приборов является стеклянная треугольная призма. Показан ход луча в такой призме: в результате двукратного преломления треугольная призма отклоняет падающий на нее луч в сторону к своему основанию.

Евклид и открытое им явление. Преломление света является причиной того, что глубина водоема (реки, пруда, ванны с водой) кажется нам меньше, чем на самом деле. Ведь, чтобы увидеть какую- либо точку 5 на дне водоема, надо, чтобы лучи света, вышедшие из нее, попали в глаз наблюдателя. Преломление света является причиной того, что глубина водоема (реки, пруда, ванны с водой) кажется нам меньше, чем на самом деле. Ведь, чтобы увидеть какую- либо точку 5 на дне водоема, надо, чтобы лучи света, вышедшие из нее, попали в глаз наблюдателя.

Но после преломления на границе воды с воздухом пучок света будет восприниматься глазом как свет, идущий из мнимого изображения S, находящегося выше, чем соответствующая точка S на дне водоема. Можно доказать, что кажущаяся глубина водоема h составляет примерно 3/4 его истинной глубины Н. Но после преломления на границе воды с воздухом пучок света будет восприниматься глазом как свет, идущий из мнимого изображения S, находящегося выше, чем соответствующая точка S на дне водоема. Можно доказать, что кажущаяся глубина водоема h составляет примерно 3/4 его истинной глубины Н.

Впервые это явление было описано Евклидом. В одной из его книг рассказывается об опыте с кольцом: наблюдатель смотрит на кубок с лежащим на его дне кольцом так, что края кубка не позво­ляют его увидеть; затем, не меняя положение глаз, в кубок начи­нают наливать воду, и через некоторое время кольцо становится видимым. Впервые это явление было описано Евклидом. В одной из его книг рассказывается об опыте с кольцом: наблюдатель смотрит на кубок с лежащим на его дне кольцом так, что края кубка не позво­ляют его увидеть; затем, не меняя положение глаз, в кубок начи­нают наливать воду, и через некоторое время кольцо становится видимым.

Заключение. Преломлением света объясняются и многие другие явления, например кажущийся излом ложки, опущенной в стакан с водой; более высокое, чем на самом деле, положение звезд и Солнца над горизонтом и др. Преломлением света объясняются и многие другие явления, например кажущийся излом ложки, опущенной в стакан с водой; более высокое, чем на самом деле, положение звезд и Солнца над горизонтом и др.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА , изменение направления светового луча при переходе из одной среды в другую. Отношение синуса угла падения (р к синусу угла преломления ip или, что то же, отношение скоростей распространения световой волны в одной и в другой среде называется коеф. преломления и обозначается буквой п. Если первой средой является пустота, то в этом случае коеф. П. называется абсолютным. Обычно за п принимают показатель П. при переходе светового луча из воздуха в данную среду, т. к. абсолютный показатель П. воздуха для видимых лучей весьма близок к 1 (а именно 1,0003). При переходе светового луча из среды с малым показателем П. в среду с большим П. луч приближается к нормали и наоборот. Если луч падает под углом большим т. н. предельного угла (для стекла и воздуха он равен 45°), то П. не происходит, а луч целиком отражается от грани, разделяющей обе среды (т. н. полное внутреннее отражение). Этим обстоятельством широко пользуются в ряде оптических приборов, где призмы с полным внутренним отражением с успехом заменяют зеркала. При падении луча на поверхность призмы под углом, меньшим предельного, луч преломляется на обеих ее гранях и отклоняется от первоначального направления на нек-рый угол, зависящий как от угла наклона одной грани к другой, так и от длины волны. Монохроматические лучи выходят из призмы параллельным пучком, сложные рассеиваются веером, причем лучи с меньшей длиной волн (фиолетовая часть спектра) преломляются сильнее (спектр). Это явление имеет место в спектроскопе, с помощью к-рого в медицине изучают напр. спектр поглощения крови и других цветных жидкостей. В более общем случае, когда границей раздела между двумя средами служит сферическая, а не плоская поверхность, параллельный пучок лучей либо сходится в одной точке-фокусе (собирающие стекла) либо расходится (рассеивающие стекла). Различное П. для лучей разной длины является причиной т. н. хроматической аберрации, выражающейся в появлении цветных контуров у фигур, находящихся в поле зрения прибора. Хроматическая аберрация может быть устранена специальным подбором стекол. Почти все оптические приборы, применяемые в медицине и биологии, основаны на П. с. Коеф. П. с. обычно определяется рефрактометрическими методами Аббе, Пульфриха и др., основанными на явлении полного внутреннего отражения. Величины п для газов таковы: воз-дух=1; водород = 0,473; кислород = 0,924; азот = 1,016. На величину п для газа оказывают влияние t° и плотность последнего. В нек-рых веществах световой луч после П. идет не одним пучком, а двумя, причем направления их находятся под некоторым углом один к другому. К числу таких двоякопреломляющих веществ принадлежит и анизотропное вещество поперечнополосатых МЫШЦ.К. Кекчеев.

Смотрите также:

• ПРЕПАРАТЫ АНАТОМИЧЕСКИЕ (от лат. ргаераго-приготовляю), все виды наглядных пособий, материалом для изготовления к-рых служат настоящие ткани, органы и части организма человека и животных. П. а. бывают микро- и макроскопические. Микроскопические препарат ы-см. ...
• ПРЕПАРАТЫ ОБЛУЧЕННЫЕ , такие препа- раты, в к-рых эргостерин (или содержащие его продукты) активирован действием ультрафиолетовых лучей и превращен в антирахитический фактор (витамин D). Сюда относятся прежде всего препараты облученного эргосте-рина (см. ниже). ...
• ПРЕСБИОПИЯ , или старческая дальнозоркость, представляет собой ослабление аккомодации, физиологически наступающее в пожилом возрасте. Объем аккомодации вообще на-: ходится в тесной зависимости от возраста. Хлаз может работать на близком расстоянии, не...
• ПРЕСБИОФРЕНИЯ , разновидность старческого слабоумия, характеризующаяся резким расстройством способности запоминания и памяти при некоторой сохранности эмоциональной подвижности и отчасти даже способности формального мышления и при сравнительно правильном поведении. Заболевание начинается в...
• ПРЕСИСТОЛИЧЕСКИЙ ШУМ , шум, выслушиваемый на сердце в конце диастолы-в преси-столе. Наблюдается этот шум преимущественно при сужении атрио-вентрикулярных отверстий, Главным образом при значительно более: часто встречающемся сужении левого атрио-вен-трикулярного отверстия (stenosis mitralis). ...

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.

• Углом падения α называется угол между падающим лучом света и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения (рис. 1).

• Углом отражения β называется угол между отраженным лучом света и перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным в точке падения (см. рис. 1).

• Углом преломления γ называется угол между преломленным лучом света и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восстановленным в точке падения (см. рис. 1).

• Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны. Условимся изображать оптические лучи графически с помощью геометрических лучей со стрелками. В геометрической оптике волновая природа света не учитывается (см. рис. 1).

• Лучи, выходящие из одной точки, называют расходящимися , а собирающиеся в одной точке - сходящимися . Примером расходящихся лучей может служить наблюдаемый свет далеких звезд, а примером сходящихся - совокупность лучей, попадающих в зрачок нашего глаза от различных предметов.

При изучении свойств световых лучей были экспериментально установлены четыре основных закона геометрической оптики:

• закон прямолинейного распространения света;
• закон независимости световых лучей;
• закон отражения световых лучей;
• закон преломления световых лучей.

Преломление света

Измерения показали, что скорость света в веществе υ всегда меньше скорости света в вакууме c .

• Отношение скорости света в вакууме c к ее скорости в данной среде υ называется абсолютным показателем преломления :

\(n=\frac{c}{\upsilon }.\)

Словосочетание «абсолютный показатель преломления среды » часто заменяют «показатель преломления среды ».

Рассмотрим луч, падающий на плоскую границу раздела двух прозрачных сред с показателями преломления n 1 и n 2 под некоторым углом α (рис. 2).

• Изменение направления распространения луча света при прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света .

Законы преломления:

• отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина постоянная для двух данных сред

\(\frac{sin \alpha }{sin \gamma }=\frac{n_2}{n_1}.\)

• лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред.

Для преломления выполняется принцип обратимости световых лучей :

• луч света, распространяющийся по пути преломленного луча, преломившись в точке O на границе раздела сред, распространяется дальше по пути падающего луча.

Из закона преломления следует, что если вторая среда оптически более плотная через первая среда,

• т.е. n 2 > n 1 , то α > γ \(\left(\frac{n_2}{n_1} > 1, \;\;\; \frac{sin \alpha }{sin \gamma } > 1 \right)\) (рис. 3, а);
• если n 2 < n 1 , то α < γ (рис. 3, б).

Рис. 3

Первые упоминания о преломлении света в воде и стекле встречаются в труде Клавдия Птолемея «Оптика», вышедшего в свет во II веке нашей эры. Закон преломления света был экспериментально установлен в 1620 г. голландским ученым Виллебродом Снеллиусом. Заметим, что независимо от Снеллиуса закон преломления был также открыт Рене Декартом.

Закон преломления света позволяет рассчитывать ход лучей в различных оптических системах.

На границе раздела двух прозрачных сред обычно одновременно с преломлением наблюдается отражение волн. Согласно закону сохранения энергии сумма энергий отраженной W o и преломленной W np волн равна энергии падающей волны W n:

W n = W np + W o .

Полное отражение

Как уже говорилось выше, при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду (n 1 > n 2), угол преломления γ становится больше угла падения α (см. рис. 3, б).

По мере увеличения угла падения α (рис. 4), при некотором его значении α 3 , угол преломления станет γ = 90°, т. е. свет не будет попадать во вторую среду. При углах больших α 3 свет будет только отражаться. Энергия преломленной волны W np при этом станет равной нулю, а энергия отраженной волны будет равна энергии падающей: W n = W o . Следовательно, начиная с этого угла падения α 3 (в дальнейшем будет обозначать его α 0), вся световая энергия отражается от границы раздела этих сред.

Это явление получило название полное отражение (см. рис. 4).

• Угол α 0 , при котором начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения .

Значение угла α 0 определяется из закона преломления при условии, что угол преломления γ = 90°:

\(\sin \alpha_{0} = \frac{n_{2}}{n_{1}} \;\;\; \left(n_{2} < n_{1} \right).\)

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. Пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В.Жилко, Л.Г.Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 91-96.