Проломлення світла електричне явище. Закон заломлення світла: формулювання та практичне застосування
Одним із важливих законів поширення світлової хвилі у прозорих речовинах є закон заломлення, сформульований на початку XVII століття голландцем Снеллом. Параметрами, що фігурують у математичному формулюванні явища заломлення, є показники та кути заломлення. У цій статті розглянуто, як поводяться під час переходу через поверхню різних середовищ.
Що являє собою явище заломлення?
Головна властивість будь-якої електромагнітної хвилі – це її прямолінійний руху гомогенному (однорідному) просторі. При виникненні будь-якої неоднорідності хвиля відчуває більшою чи меншою мірою відхилення від прямолінійної траєкторії. Цією неоднорідністю може бути наявність сильного гравітаційного або електромагнітного поляу певній галузі простору. У цій статті ці випадки не будуть розглянуті, а буде приділено увагу саме неоднорідностям, пов'язаним із речовиною.
Ефект заломлення променя світла в його класичному формулюванні означає різку зміну одного прямолінійного напрямку руху цього променя на інше при переході через поверхню, що розмежовує два різні прозорі середовища.
Наступні приклади задовольняють зазначеному вище визначенню:
- перехід променя з повітря у воду;
- зі скла у воду;
- з води в алмаз і т.д.
Чому виникає це явище?
Єдиною причиною, що зумовлює описаний ефект, є відмінність швидкостей руху електромагнітних хвильу двох різних середовищах. Якщо такої відмінності не буде, або вона буде несуттєвою, то при переході через поверхню розділу промінь збереже свій початковий напрямок поширення.
Різні прозорі середовища мають різну фізичну щільність, хімічний склад, температура. Усі ці чинники позначаються швидкості світла. Наприклад, явище міражу - це прямий наслідок заломлення світла в нагрітих до різних температур шарах повітря поблизу земної поверхні.
Головні закони заломлення
Цих законів два, причому їх може перевірити кожен, якщо озброїться транспортиром, лазерною указкою та товстим шматком скла.
Перед тим, як сформулювати їх, варто ввести деякі позначення. Показник заломлення записують символом n i де i - ідентифікує відповідне середовище. Кут падіння позначають символом 1 (тета один), кут заломлення - 2 (тета два). Обидва кути відраховуються щодо площині розділу, а нормалі до неї.
Закон № 1. Нормаль і два промені (1 і 2) лежать в одній площині. Цей закон повністю аналогічний 1-го закону для відображення.
Закон № 2. Для явища заломлення завжди справедлива рівність:
У наведеній формі це співвідношення запам'ятати найпростіше. В інших формах воно виглядає менш зручним. Нижче наведено ще два варіанти запису закону №2:
sin (θ 1) / sin (θ 2) = n 2 / n 1;
sin(θ1)/sin(θ2) = v1/v2.
Де v i - швидкість хвилі в i тому середовищі. Друга формула легко виходить з першої прямої підстановкою виразу для n i:
Обидва наведені закони є результатом численних дослідів та узагальнень. Однак їх можна математично одержати, користуючись так званим принципом найменшого часу або принципом Ферма. У свою чергу принцип Ферма виводиться з принципу Гюйгенса - Френеля про вторинні джерела хвиль.
Особливості закону №2
n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2).
Видно, що чим більше показник n 1 (щільне оптичне середовище, в якому швидкість світла сильно зменшується), тим ближче буде 1 до нормалі (функція sin (θ) монотонно зростає на відрізку).
Показники заломлення та швидкості руху електромагнітних хвиль у середовищах – це табличні величини, виміряні експериментально. Наприклад, для повітря n становить 1,00029, для води – 1,33, для кварцу – 1,46, а для скла – близько 1,52. Сильно світло уповільнює свій рух в алмазі (майже в 2,5 рази), його показник заломлення дорівнює 2,42.
Наведені цифри свідчать, що будь-який перехід променя із зазначених середовищ у повітря супроводжуватиметься збільшенням кута (θ 2 >θ 1). При зміні напрямку променя справедливий зворотний висновок.
Показник заломлення залежить від частоти хвилі. Вказані вище цифри для різних середовищ відповідають довжині хвилі 589 нм у вакуумі ( жовтий колір). Для синього світла ці показники будуть дещо більшими, а для червоного – меншими.
Варто зазначити, що кут падіння дорівнює променю тільки в одному випадку, коли показники n 1 і n 2 однакові.
Промінь переходить із повітря в скло чи воду
Варто розглянути два випадки для кожного середовища. Можна взяти для прикладу кути падіння 15 o 55 o на межу скла та води з повітрям. Кут заломлення у воді або склі можна розрахувати за формулою:
θ 2 = arcsin (n 1 / n 2 * sin (θ 1)).
Першим середовищем у даному випадкує повітря, тобто n1 = 1,00029.
Підставляючи у вираз вище відомі кути падіння, вийде:
- для води:
(n 2 = 1,33): θ 2 = 11,22 o (θ 1 = 15 o) та θ 2 = 38,03 o (θ 1 = 55 o);
- для скла:
(n 2 = 1,52): θ 2 = 9,81 o (θ 1 = 15 o) та θ 2 = 32,62 o (θ 1 = 55 o).
Отримані дані дозволяють зробити два важливі висновки:
- Оскільки кут заломлення з повітря в скло менше, ніж для води, то скло змінює напрямок руху променів дещо сильніше.
- Чим більший кут падіння, тим сильніше від початкового напрямку відхиляється промінь.
Світло рухається з води або скла у повітря
Цікаво розрахувати, чому дорівнює кут заломлення для такого зворотного випадку. Розрахункова формулазалишається тією самою, що й у попередньому пункті, тільки тепер показник n 2 = 1,00029, тобто відповідає повітрю. Вийде
- під час руху променя з води:
(n 1 = 1,33): θ 2 = 20,13 o (θ 1 = 15 o) та θ 2 = не існує (θ 1 = 55 o);
- при русі променя зі скла:
(n 1 = 1,52): θ 2 = 23,16 o (θ 1 = 15 o) та θ 2 = не існує (θ 1 = 55 o).
Для кута θ 1 = 55 o не вдається визначити відповідний θ 2 . Пов'язано це з тим, що він виявився більшим за 90 o . Ця ситуація називається повним відображенням усередині оптично щільного середовища.
Цей ефект характеризується критичними кутами падіння. Розрахувати їх можна, прирівнявши в законі № 2 sin (θ 2) одиниці:
θ 1c = arcsin (n 2 /n 1).
Підставляючи в цей вираз показники для скла та води, вийде:
- для води:
(n 1 = 1,33): θ 1c = 48,77 o;
- для скла:
(n 1 = 1,52): θ 1c = 41,15 o .
Будь-який кут падіння, який буде більшим за отримані значення для відповідних прозорих середовищ, призведе до ефекту повного відображення від поверхні розділу, тобто заломленого променя не існуватиме.
4.1. Основні поняття та закони геометричної оптики
Закони відбиття світла.Перший закон відображення:
промені, що падає і відбитий, лежать в одній площині з перпендикуляром до поверхні, що відбиває, відновленим в точці падіння променя.
Другий закон відображення:
кут падіння дорівнює кутувідображення (див. рис. 8).
α - Кут падіння, β - Кут відображення.
Закони заломлення світла. Показник заломлення.
Перший закон заломлення:
падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, відновлений у точці падіння до межі розділу, лежать в одній площині (рис. 9). 
Другий закон заломлення:
відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для двох даних середовищ і називається відносним показником заломлення другого середовища щодо першого. 
Відносний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість світла у першому середовищі відрізняється від швидкості світла у другому середовищі: 
Повне відбиття.
Якщо світло переходить з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне, то при виконанні умови α > α 0 де α 0 - граничний кут повного відображення, світло взагалі не вийде в друге середовище. Він повністю відіб'ється від межі розділу і залишиться у першому середовищі. При цьому закон відображення світла дає таке співвідношення: 
4.2. Основні поняття та закони хвильової оптики
Інтерференцієюназивається процес накладання хвиль від двох або кількох джерел один на одного, в результаті якого відбувається перерозподіл енергії хвиль у просторі. Для перерозподілу енергії хвиль у просторі необхідно, щоб джерела хвиль були когерентними. Це означає, що вони повинні випромінювати хвилі однакової частоти і зсув фази між коливаннями цих джерел з часом не повинен змінюватися.Залежно від різниці ходу (∆) у точці накладення променів спостерігається максимум чи мінімум інтерференції.Якщо різниця ходу променів від синфазних джерел ∆ дорівнює довжині хвиль mλ (m - ціле число), то це максимум інтерференції:
якщо непарному числу напівхвиль - мінімум інтерференції:
Дифракцієюназивають відхилення у поширенні хвилі від прямолінійного напряму чи проникнення енергії хвиль у область геометричної тіні. Дифракція добре спостерігається в тих випадках, коли розміри перешкод та отворів, через які проходить хвиля, можна порівняти з довжиною хвилі.
Один із оптичних приладів, на якому добре спостерігати дифракцію світла – це дифракційні грати.Вона являє собою скляну пластинку, на яку на рівному відстаніодин від одного алмазом нанесені штрихи. Відстань між штрихами - постійна ґрати d.Промені, що пройшли через ґрати, дифрагують під всілякими кутами. Лінза збирає промені, що йдуть під однаковим кутом дифракції, в одній із точок фокальної площини. Ті, що йдуть під іншим кутом - в інших точках. Накладаючись один на одного, ці промені дають максимум або мінімум дифракційної картини. Умови спостереження максимумів у дифракційній решітці мають вигляд:
де m- ціле число, λ - Довжина хвилі (див. рис. 10).
Розглянемо, як змінюється напрямок променя під час переходу його з повітря у воду. У воді швидкість світла менша, ніж у повітрі. Середовище, в якому швидкість поширення світла менша, є оптично більш щільним середовищем.
Таким чином, оптична щільність середовища характеризується різною швидкістю розповсюдження світла.
Це означає, що швидкість поширення світла більша в оптично менш щільному середовищі. Наприклад, у вакуумі швидкість світла дорівнює 300 000 км/с, а склі - 200 000 км/с. Коли світловий пучок падає на поверхню, що розділяє два прозорі середовища з різною оптичною щільністю, наприклад повітря і воду, частина світла відбивається від цієї поверхні, а інша частина проникає в другу середу. При переході з одного середовища до іншого промінь світла змінює напрямок на межі середовищ (рис. 144). Це явище називається заломленням світла.
Мал. 144. Заломлення світла під час переходу променя з повітря на воду
Розглянемо заломлення світла докладніше. На малюнку 145 показано: падаючий проміньАТ, заломлений проміньОВ та перпендикуляр до поверхні розділу двох середовищ, проведений у точку падіння О. Кут АОС - кут падіння (α), кут DOB - кут заломлення (γ).
Мал. 145. Схема заломлення променя світла під час переходу з повітря на воду
Промінь світла під час переходу з повітря у воду змінює свій напрямок, наближаючись до перпендикуляра CD.
Вода - середовище оптично щільніше, ніж повітря. Якщо воду замінити будь-яким іншим прозорим середовищем, оптично більш щільним, ніж повітря, то заломлений промінь також буде наближатися до перпендикуляра. Тому можна сказати, що якщо світло йде з середовища оптично менш щільного в щільніше середовище, то кут заломлення завжди менше кута падіння (див. рис. 145):
Промінь світла, спрямований перпендикулярно до межі поділу двох середовищ, проходить з одного середовища до іншого без заломлення.
При зміні кута падіння змінюється кут заломлення. Чим більший кут падіння, тим більший кут заломлення (рис. 146). При цьому відношення між кутами не зберігається. Якщо скласти відношення синусів кутів падіння та заломлення, воно залишається постійним.
Мал. 146. Залежність кута заломлення від кута падіння
Для будь-якої пари речовин з різною оптичною щільністю можна написати:
де n - постійна величина, яка залежить від кута падіння. Вона називається показником заломленнядля двох середовищ. Чим більший показник заломлення, тим більше проломлюється промінь при переході з одного середовища в інше.
Таким чином, заломлення світла відбувається за таким законом: промені падаючий, заломлений і перпендикуляр, проведений до межі розділу двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині.
Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для двох середовищ:
В атмосфері Землі відбувається заломлення світла, тому ми бачимо зірки і Сонце вище за їхнє істинне розташування на небі.
Запитання
- Як змінюється напрямок променя світла (див. рис. 144) після того, як у посудину наливають воду?
- Які висновки отримані з дослідів із заломлення світла (див. рис. 144, 145)?
- Які положення виконуються під час заломлення світла?
Вправа 47
Процеси, пов'язані зі світлом, є важливою складовою фізики і оточують нас у нашому повсякденному житті повсюдно. Найважливіші в цій ситуації є закони відображення та заломлення світла, на яких ґрунтується сучасна оптика. Заломлення світла є важливим складником сучасної науки.
Ефект спотворення
Ця стаття розповість вам, що є явищем заломлення світла, а також як виглядає закон заломлення і що з нього випливає.
Основи фізичного явища
При падінні променя на поверхню, яка поділяється двома прозорими речовинами, що мають різну оптичну щільність (наприклад, різні стеклаабо у воді), частина променів буде відображена, а частина – проникне у другу структуру (наприклад, піде поширюватися у воді чи склі). При переході з одного середовища до іншого для променя характерна зміна свого напрямку. Це і є явище заломлення світла.
Особливо добре відображення та заломлення світла видно у воді.
Ефект спотворення у воді
Дивлячись на речі, що у воді, вони здаються спотвореними. Особливо це дуже помітно на межі між повітрям та водою. Візуально здається, що підводні предмети трохи відхилені. У фізичному явищі, що описується, якраз і криється причина того, що у воді всі об'єкти здаються спотвореними. При попаданні променів на скло цей ефект менш помітний.
Заломлення світла є фізичне явище, яке характеризується зміною напрямку руху сонячного променя в момент переміщення з одного середовища (структури) в інше.
Для покращення розуміння даного процесуРозглянемо приклад попадання променя з повітря у воду (аналогічно для скла). Під час проведення перпендикуляра вздовж межі розділу можна виміряти кут заломлення та повернення світлового променя. Цей показник (кут заломлення) змінюватиметься при проникненні потоку у воду (всередину скла).
Зверніть увагу! Під даним параметром розуміється кут, який утворює перпендикуляр, проведений до поділу двох речовин при проникненні променя першої структури в другу.
Проходження променя
Цей показник характерний й інших середовищ. Встановлено, що даний показникзалежить від густини речовини. Якщо падіння променя походить з менш щільної в щільнішу структуру, то кут створюваного спотворення буде більшим. А якщо навпаки – то менше.
При цьому зміна нахилу падіння також позначиться на даному показнику. Але відношення між ними не залишається незмінним. У той же час, відношення їхніх синусів залишиться постійною величиною, яку відображає наступна формула: sinα / sinγ = n, де:
- n – стала величина, яка описана для кожної конкретної речовини (повітря, скла, води тощо). Тому, якою буде дана величина можна визначити за спеціальними таблицями;
- α – кут падіння;
- γ – кут заломлення.
Для визначення цього фізичного явищаі було створено закон заломлення.
Фізичний закон
Закон заломлення світлових потоків дає змогу визначити характеристики прозорих речовин. Сам закон складається з двох положень:
- перша частина. Промінь (падаючий, змінений) та перпендикуляр, який був відновлений у точці падіння на кордоні, наприклад, повітря та води (скла тощо), будуть розташовуватися в одній площині;
- друга частина. Показник співвідношення синуса кута падіння до синуса цього ж кута, що утворився під час переходу кордону, буде величиною постійної.
Опис закону
При цьому в момент виходу променя з другої структури до першої (наприклад, при проходженні світлового потокуз повітря, через скло і назад у повітря), також виникатиме ефект спотворення.
Важливий параметр для різних об'єктів
Основний показник у цій ситуації — це співвідношення синуса кута падіння до аналогічного параметра, але спотворення. Як випливає із закону, описаного вище, цей показник являє собою постійну величину.
При цьому при зміні значення нахилу падіння така ж ситуація буде характерна і для аналогічного показника. Цей параметр має велике значенняоскільки є невід'ємною характеристикою прозорих речовин.
Показники для різних об'єктів
Завдяки цьому параметру можна досить ефективно розрізняти види скла, а також різноманітні дорогоцінне каміння. Також він важливий визначення швидкості переміщення світла у різних середовищах.
Зверніть увагу! Найвища швидкістьсвітлового потоку – у вакуумі.
При переході з однієї речовини в інші його швидкість буде зменшуватися. Наприклад, у алмазу, який має найбільший показник заломлюваності, швидкість поширення фотонів буде в 2,42 рази вищою, ніж у повітря. У воді вони поширюватимуться повільніше в 1,33 рази. Для різних видівскла цей параметр коливається в діапазоні від 1,4 до 2,2.
Зверніть увагу! Деякі скла мають показник заломлення 2,2, що дуже близько до алмазу (2,4). Тому не завжди вдасться відрізнити скло від реального алмазу.
Оптична густина речовин
Світло може проникати через різні речовини, які характеризуються різними показникамиоптичної густини. Як ми вже говорили раніше, використовуючи цей закон можна визначити характеристику густини середовища (структури). Чим щільнішою вона буде, тим із меншою швидкістю в ній поширюватиметься світло. Наприклад, скло або вода будуть більш оптично щільними, ніж повітря.
Крім того, що цей параметр є постійною величиною, він ще й відображає відношення швидкості світла у двох речовинах. Фізичний змістможна відобразити у вигляді наступної формули:
Цей показник каже, як змінюється швидкість поширення фотонів під час переходу з однієї речовини до іншого.
Ще один важливий показник
При переміщенні світлового потоку через прозорі об'єкти можлива його поляризація. Вона спостерігається під час проходження світлового потоку від діелектричних ізотропних середовищ. Поляризація виникає під час проходження фотонів через скло.
Ефект поляризації
Часткова поляризація спостерігається, коли кут падіння світлового потоку на межі двох діелектриків відрізнятиметься від нуля.
Ступінь поляризації залежить від того, якими були кути падіння (закон Брюстера).
Повноцінне внутрішнє відображення
Завершуючи наш невеликий екскурс, ще необхідно розглянути такий ефект як повноцінне внутрішнє відображення.
Для появи даного ефекту необхідно збільшення кута падіння світлового потоку в момент його переходу з більш щільного менш щільне середовище в межі розділу між речовинами. У ситуації, коли цей параметр перевищуватиме певне граничне значення, тоді фотони, що падають на межу цього розділу, будуть повністю відображатися. Власне, це і буде наше шукане явище. Без нього було неможливо зробити волоконну оптику.
Висновок
Практичне застосування особливостей поведінки світлового потоку дали дуже багато, створивши різноманітні технічні пристрої для покращення нашого життя. При цьому світло відкрило перед людством далеко не всі свої можливості та його практичний потенціал ще повністю не реалізовано.
Як зробити паперовий світильник своїми руками
Як перевірити працездатність світлодіодної стрічки
