Преломление света электрическое явление. Закон преломления света: формулировка и практическое применение
Одним из важных законов распространения световой волны в прозрачных веществах является закон преломления, сформулированный в начале XVII века голландцем Снеллом. Параметрами, фигурирующими в математической формулировке явления преломления, являются показатели и углы преломления. В данной статье рассмотрено, как ведут себя при переходе через поверхность разных сред.
Что собой представляет явление преломления?
Главное свойство любой электромагнитной волны - это ее прямолинейное движение в гомогенном (однородном) пространстве. При возникновении любой неоднородности волна испытывает в большей или меньшей мере отклонение от прямолинейной траектории. Этой неоднородностью может быть наличие сильного гравитационного или электромагнитного поля в определенной области пространства. В данной статье эти случаи не будут рассмотрены, а будет уделено внимание именно неоднородностям, связанным с веществом.
Эффект преломления луча света в его классической формулировке означает резкое изменение одного прямолинейного направления движения этого луча на другое при переходе через поверхность, разграничивающую две разные прозрачные среды.
Следующие примеры удовлетворяют данному выше определению:
- переход луча из воздуха в воду;
- из стекла в воду;
- из воды в алмаз и т. д.
Почему возникает это явление?
Единственной причиной, обуславливающей описанный эффект, является различие скоростей движения электромагнитных волн в двух разных средах. Если такого различия не будет, или оно будет несущественным, то при переходе через поверхность раздела луч сохранит свое первоначальное направление распространения.
Разные прозрачные среды имеют различную физическую плотность, химический состав, температуру. Все эти факторы сказываются на скорости света. Например, явление миража - это прямое следствие преломления света в нагретых до разных температур слоях воздуха вблизи земной поверхности.
Главные законы преломления
Этих законов два, причем их может проверить каждый, если вооружится транспортиром, лазерной указкой и толстым куском стекла.
Перед тем как сформулировать их, стоит ввести некоторые обозначения. Показатель преломления записывают символом n i , где i - идентифицирует соответствующую среду. Угол падения обозначают символом θ 1 (тета один), угол преломления- θ 2 (тета два). Оба угла отсчитываются относительно не плоскости раздела, а нормали к ней.
Закон № 1. Нормаль и два луча (θ 1 и θ 2) лежат в одной плоскости. Этот закон полностью аналогичен 1-му закону для отражения.
Закон № 2. Для явления преломления всегда справедливо равенство:
В приведенной форме это соотношение запомнить проще всего. В других формах оно выглядит менее удобно. Ниже приводятся еще два варианта записи закона №2:
sin (θ 1) / sin (θ 2) = n 2 / n 1 ;
sin (θ 1) / sin (θ 2) = v 1 / v 2 .
Где v i - скорость волны в i-той среде. Вторая формула легко получается из первой прямой подстановкой выражения для n i:
Оба приведенных закона являются результатом многочисленных опытов и обобщений. Однако их можно математически получить, пользуясь так называемым принципом наименьшего времени или принципом Ферма. В свою очередь, принцип Ферма выводится из принципа Гюйгенса - Френеля о вторичных источниках волн.
Особенности закона № 2
n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2).
Видно, что чем больше показатель n 1 (плотная оптическая среда, в которой скорость света сильно уменьшается), тем ближе будет θ 1 к нормали (функция sin (θ) монотонно возрастает на отрезке ).
Показатели преломления и скорости движения электромагнитных волн в средах - это табличные величины, измеренные экспериментально. Например, для воздуха n составляет 1,00029, для воды - 1,33, для кварца - 1,46, а для стекла - около 1,52. Сильно свет замедляет свое движение в алмазе (почти в 2,5 раза), его показатель преломления равен 2,42.
Приведенные цифры говорят, что любой переход луча из отмеченных сред в воздух будет сопровождаться увеличением угла (θ 2 >θ 1). При изменении направления луча справедлив обратный вывод.
Показатель преломления зависит от частоты волны. Указанные выше цифры для разных сред соответствуют длине волны 589 нм в вакууме (желтый цвет). Для синего света эти показатели будут несколько больше, а для красного - меньше.
Стоит отметить, что угол падения равен луча только в одном единственном случае, когда показатели n 1 и n 2 одинаковые.
Луч переходит из воздуха в стекло или воду
Стоит рассмотреть два случая для каждой среды. Можно взять для примера углы падения 15 o и 55 o на границу стекла и воды с воздухом. Угол преломления в воде или в стекле можно рассчитать по формуле:
θ 2 = arcsin (n 1 / n 2 * sin (θ 1)).
Первой средой в данном случае является воздух, то есть n 1 = 1,00029.
Подставляя в выражение выше известные углы падения, получится:
- для воды:
(n 2 = 1,33): θ 2 = 11,22 o (θ 1 = 15 o) и θ 2 = 38,03 o (θ 1 = 55 o);
- для стекла:
(n 2 = 1,52): θ 2 = 9,81 o (θ 1 = 15 o) и θ 2 = 32,62 o (θ 1 = 55 o).
Полученные данные позволяют сделать два важных вывода:
- Поскольку угол преломления из воздуха в стекло меньше, чем для воды, то стекло изменяет направление движения лучей несколько сильнее.
- Чем больше угол падения, тем сильнее от первоначального направления отклоняется луч.
Свет движется из воды или стекла в воздух
Любопытно рассчитать, чему равен угол преломления для такого обратного случая. Расчетная формула остается той же самой, что и в предыдущем пункте, только теперь показатель n 2 = 1,00029, то есть, соответствует воздуху. Получится
- при движении луча из воды:
(n 1 = 1,33): θ 2 = 20,13 o (θ 1 = 15 o) и θ 2 = не существует (θ 1 = 55 o);
- при движении луча из стекла:
(n 1 = 1,52): θ 2 = 23,16 o (θ 1 = 15 o) и θ 2 = не существует (θ 1 = 55 o).
Для угла θ 1 = 55 o не получается определить соответствующий θ 2 . Связано это с тем, что он оказался больше 90 o . Эта ситуация называется полным отражением внутри оптически плотной среды.
Этот эффект характеризуется критическими углами падения. Рассчитать их можно, приравняв в законе № 2 sin (θ 2) единице:
θ 1c = arcsin (n 2 / n 1).
Подставляя в это выражение показатели для стекла и воды, получится:
- для воды:
(n 1 = 1,33): θ 1c = 48,77 o ;
- для стекла:
(n 1 = 1,52): θ 1c = 41,15 o .
Любой угол падения, который будет больше полученных значений для соответствующих прозрачных сред, приведет к эффекту полного отражения от поверхности раздела, то есть преломленного луча не будет существовать.
4.1. Основные понятия и законы геометрической оптики
Законы отражения света.Первый закон отражения:
лучи, падающий и отражённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности, восстановленным в точке падения луча.
Второй закон отражения:
угол падения равен углу отражения (см. рис. 8).
α - угол падения, β - угол отражения.
Законы преломления света. Показатель преломления.
Первый закон преломления:
падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения к границе раздела, лежат в одной плоскости (см. рис. 9).
Второй закон преломления:
отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.
Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой среде отличается от скорости света во второй среде:
Полное отражение.
Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при выполнении условия α > α 0 , где α 0 - предельный угол полного отражения, свет вообще не выйдет во вторую среду. Он полностью отразится от границы раздела и останется в первой среде. При этом закон отражения света даёт следующее соотношение:
4.2. Основные понятия и законы волновой оптики
Интерференцией называется процесс наложения волн от двух или нескольких источников друг на друга, в результате которого происходит перераспределение энергии волн в пространстве. Для перераспределения энергии волн в пространстве необходимо, чтобы источники волн были когерентны. Это означает, что они должны испускать волны одинаковой частоты и сдвиг по фазе между колебаниями этих источников с течением времени не должен изменяться.В зависимости от разности хода (∆) в точке наложения лучей наблюдается максимум или минимум интерференции. Если разность хода лучей от синфазных источников ∆ равна целому числу длин волн mλ (m - целое число), то это максимум интерференции:
если нечётному числу полуволн - минимум интерференции:
Дифракцией называют отклонение в распространении волны от прямолинейного направления или проникновение энергии волн в область геометрической тени. Дифракция хорошо наблюдается в тех случаях, когда размеры препятствий и отверстий, через которые проходит волна, соизмеримы с длиной волны.
Один из оптических приборов, на котором хорошо наблюдать дифракцию света - это дифракционная решётка. Она представляет собой стеклянную пластинку, на которую на равном расстоянии друг от друга алмазом нанесены штрихи. Расстояние между штрихами - постоянная решётки d. Лучи, прошедшие через решётку, дифрагируют под всевозможными углами. Линза собирает лучи, идущие под одинаковым углом дифракции, в одной из точек фокальной плоскости. Идущие под другом углом - в других точках. Накладываясь друг на друга, эти лучи дают максимум или минимум дифракционной картины. Условия наблюдения максимумов в дифракционной решётке имеют вид:
где m - целое число, λ - длина волны (см. рис. 10).
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.
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:
В атмосфере Земли происходит преломление света, поэтому мы видим звёзды и Солнце выше их истинного расположения на небе.
Вопросы
- Как меняется направление луча света (см. рис. 144) после того, как в сосуд наливают воду?
- Какие выводы получены из опытов по преломлению света (см. рис. 144, 145)?
- Какие положения выполняются при преломлении света?
Упражнение 47
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
