SA Преломление света

Повторение

• 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).

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 n₁ и n₂ под некоторым углом α (рис. 2).

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. n₂ > n₁, то α > γ \(\left( \frac{n_2}{n_1} > 1, \;\;\; \frac{sin \alpha }{sin \gamma } > 1 \right)\) (рис. 3, а);
• если n₂ < n₁, то α < γ (рис. 3, б).

• 

  а
• 

  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 (n₁ > n₂), угол преломления γ становится больше угла падения α (см. рис. 3, б).

По мере увеличения угла падения α (рис. 4), при некотором его значении α₃, угол преломления станет γ = 90°, т. е. свет не будет попадать во вторую среду. При углах больших α₃ 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 α₃ (в дальнейшем будет обозначать его α₀), вся световая энергия отражается от границы раздела этих сред.

Рис. 4

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

• Угол α₀, при котором начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения.

Значение угла α₀ 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.