На границе раздела двух прозрачных сред наряду с отражением света наблюдается его преломление свет, переходя в другую среду, меняет направление своего распространения.
Преломление светового луча происходит при его наклонном падении на поверхность раздела (правда, не всегда читайте дальше про полное внутреннее отражение). Если же луч падает перпендикулярно поверхности, то преломления не будет во второй среде луч сохранит своё направление и также пойдёт перпендикулярно поверхности.
4.3.1 Закон преломления (частный случай)
Мы начнём с частного случая, когда одна из сред является воздухом. Именно такая ситуация присутствует в подавляющем большинстве задач. Мы обсудим соответствующий частный случай закона преломления, а уж затем дадим самую общую его формулировку.
Предположим, что луч света, идущий в воздухе, наклонно падает на поверхность стекла, воды или какой-либо другой прозрачной среды. При переходе в среду луч преломляется, и его дальнейший ход показан на рис.4.11 .
Среда O
Рис. 4.11. Преломление луча на границе ¾воздух–среда¿
В точке падения O проведён перпендикуляр (или, как ещё говорят, нормаль) CD к поверхности среды. Луч AO, как и раньше, называется падающим лучом, а угол между падающим лучом и нормалью углом падения. Луч OB это преломлённый луч; угол между преломлённым лучом и нормалью к поверхности называется углом преломления.
Всякая прозрачная среда характеризуется величиной n, которая называется показателем преломления этой среды. Показатели преломления различных сред можно найти в таблицах. Например, для стекла n = 1;6, а для воды n = 1;33. Вообще, у любой среды n > 1; показатель преломления равен единице только в вакууме. У воздуха n = 1;0003, поэтому для воздуха с достаточной точностью можно полагать в задачах n = 1 (в оптике воздух не сильно отличается от вакуума).
Закон преломления (переход ¾воздух–среда¿).
1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно показателю преломле-
ния среды:
Поскольку n > 1, из соотношения (4.1 ) следует, что sin > sin , то есть > угол преломления меньше угла падения. Запоминаем: переходя из воздуха в среду, луч после преломления идёт ближе к нормали.
Показатель преломления непосредственно связан со скоростью v распространения света в данной среде. Эта скорость всегда меньше скорости света в вакууме: v < c. И вот оказывается,
Почему так получается, мы с вами поймём при изучении волновой оптики. А пока скомби-
нируем формулы (4.1 ) и (4.2 ): | |||||
Так как показатель преломления воздуха очень близок единице, мы можем считать, что скорость света в воздухе примерно равна скорости света в вакууме c. Приняв это во внимание и глядя на формулу (4.3 ), делаем вывод: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в воздухе к скорости света в среде.
4.3.2 Обратимость световых лучей
Теперь рассмотрим обратный ход луча: его преломление при переходе из среды в воздух. Здесь нам окажет помощь следующий полезный принцип.
Принцип обратимости световых лучей. Траектория луча не зависит от того, в прямом или обратном направлении распространяется луч. Двигаясь в обратном направлении, луч пойдёт в точности по тому же пути, что и в прямом направлении.
Согласно принципу обратимости, при переходе из среды в воздух луч пойдёт по той же самой траектории, что и при соответствующем переходе из воздуха в среду (рис. 4.12 ) Единственное отличие рис.4.12 от рис.4.11 состоит в том, что направление луча поменялось на противоположное.
Среда O
Рис. 4.12. Преломление луча на границе ¾среда–воздух¿
Раз геометрическая картинка не изменилась, той же самой останется и формула (4.1 ): отношение синуса угла к синусу угла по-прежнему равно показателю преломления среды. Правда, теперь углы поменялись ролями: угол стал углом падения, а угол углом преломления.
В любом случае, как бы ни шёл луч из воздуха в среду или из среды в воздух работает следующее простое правило. Берём два угла угол падения и угол преломления; отношение синуса большего угла к синусу меньшего угла равно показателю преломления среды.
Теперь мы целиком подготовлены для того, чтобы обсудить закон преломления в самом общем случае.
4.3.3 Закон преломления (общий случай)
Пусть свет переходит из среды 1 с показателем преломления n1 в среду 2 с показателем преломления n2 . Среда с б´ольшим показателем преломления называется оптически более плотной; соответственно, среда с меньшим показателем преломления называется оптически менее плотной.
Переходя из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, световой луч после преломления идёт ближе к нормали (рис. 4.13 ). В этом случае угол падения больше угла преломления: > .
Рис. 4.13. n1 < n2 ) >
Наоборот, переходя из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, луч отклоняется дальше от нормали (рис. 4.14 ). Здесь угол падения меньше угла преломления:
Рис. 4.14. n1 > n2 ) <
Оказывается, оба этих случая охватываются одной формулой общим законом преломления, справедливым для любых двух прозрачных сред.
Закон преломления.
1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности раздела сред, проведённая
в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды:
Нетрудно видеть, что сформулированный ранее закон преломления для перехода ¾воздух– среда¿ является частным случаем данного закона. В самом деле, полагая в формуле (4.4 ) n1 = 1 и n2 = n, мы придём к формуле (4.1 ).
Вспомним теперь, что показатель преломления это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: n1 = c=v1 , n2 = c=v2 . Подставляя это в (4.4 ), получим:
Формула (4.5 ) естественным образом обобщает формулу (4.3 ). Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.
4.3.4 Полное внутреннее отражение
При переходе световых лучей из оптически более плотной среды в оптически менее плотную наблюдается интересное явление полное внутреннее отражение. Давайте разберёмся, что это такое.
Будем считать для определённости, что свет идёт из воды в воздух. Предположим, что в глубине водоёма находится точечный источник света S, испускающий лучи во все стороны. Мы рассмотрим некоторые из этих лучей (рис. 4.15 ).
S B 1
Рис. 4.15. Полное внутреннее отражение
Луч SO1 падает на поверхность воды под наименьшим углом. Этот луч частично преломляется (луч O1 A1 ) и частично отражается назад в воду (луч O1 B1 ). Таким образом, часть энергии падающего луча передаётся преломлённому лучу, а оставшаяся часть энергии отражённому лучу.
Угол падения луча SO2 больше. Этот луч также разделяется на два луча преломлённый и отражённый. Но энергия исходного луча распределяется между ними по-другому: преломлённый луч O2 A2 будет тусклее, чем луч O1 A1 (то есть получит меньшую долю энергии), а отражённый луч O2 B2 соответственно ярче, чем луч O1 B1 (он получит б´ольшую долю энергии).
По мере увеличения угла падения прослеживается та же закономерность: всё б´ольшая доля энергии падающего луча достаётся отражённому лучу, и всё меньшая преломлённому лучу. Преломлённый луч становится всё тусклее и тусклее, и в какой-то момент исчезает совсем!
Это исчезновение происходит при достижении угла падения 0 , которому отвечает угол преломления 90 . В данной ситуации преломлённый луч OA должен был бы пойти параллельно поверхности воды, да идти уже нечему вся энергия падающего луча SO целиком досталась отражённому лучу OB.
При дальнейшем увеличении угла падения преломлённый луч и подавно будет отсутствовать.
Описанное явление и есть полное внутреннее отражение. Вода не выпускает наружу лучи с углами падения, равными или превышающими некоторое значение 0 все такие лучи целиком отражаются назад в воду. Угол0 называется предельным углом полного отражения.
Величину 0 легко найти из закона преломления. Имеем:
sin 0 | ||||||||||
Но sin 90 = 1, поэтому | ||||||||||
sin 0 | ||||||||||
0 = arcsin | ||||||||||
Так, для воды предельный угол полного отражения равен:
0 = arcsin1; 1 33 48;8:
Явление полного внутреннего отражения вы легко можете наблюдать дома. Налейте воду в стакан, поднимите его и смотрите на поверхность воды чуть снизу сквозь стенку стакана. Вы увидите серебристый блеск поверхности вследствие полного внутреннего отражения она ведёт себя подобно зеркалу.
Важнейшим техническим применением полного внутреннего отражения является волоконная оптика. Световые лучи, запущенные внутрь оптоволоконного кабеля (световода) почти параллельно его оси, падают на поверхность под большими углами и целиком, без потери энергии отражаются назад внутрь кабеля. Многократно отражаясь, лучи идут всё дальше и дальше, перенося энергию на значительное расстояние. Волоконно-оптическая связь применяется, например, в сетях кабельного телевидения и высокоскоростного доступа в Интернет.
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.
Обращали ли вы внимание, что торчащие из воды предметы кажутся как будто немного переломанными на границе между водой и воздухом? Подводная травинка, растущая со дна водоема, вроде как немного отклоняется, попадая на открытый воздух.
Примерно то же происходит и с ложкой в стакане воды. На самом деле предметы остаются такими же ровными, как и были, просто происходит преломление при распространении света, отчего и возникают эти зрительные эффекты.
Преломление света - это явление изменения направления движения светового луча при переходе из одной среды в другую. Различные среды, пропускающие свет, имеют различную оптическую плотность. Скорость света в них различна. Чем больше оптическая плотность среды, тем меньше в ней скорость света, и тем сильнее она будет преломлять свет, попадающий извне. Как же конкретно происходит преломление света?
Как происходит преломление света?
Предположим, что из воздуха на поверхность воды падает пучок света. Если провести перпендикуляр к поверхности воды и измерить угол падения, то выяснится, что угол луча после попадания в воду изменился, он стал меньше. То же самое произойдет в случае попадания луча из воздуха в стекло.
Угол, который образует падающий луч к проведенному к границе двух сред перпендикуляру после попадания во вторую среду, называется углом преломления. Опытным путем установлено, что если свет падает из среды оптически менее плотной в более плотную, то угол падения будет больше угла преломления.
Если же наоборот - оптическая плотность первой среды больше оптической плотности вещества второй среды, то угол падения будет меньше угла преломления. При изменении угла падения угол преломления будет также меняться. Однако отношение этих углов не остается постоянным. А вот отношение синусов этих углов - это постоянная величина. Таким образом, можно записать:
sinα / sinγ = n,
где α - угол падения, γ - угол преломления, n - постоянная величина для двух конкретных сред, не зависящая от угла падения.
Закон преломления света
Закон преломления света звучит следующим образом: падающий и преломленный луч лежат в одной плоскости, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления - величина постоянная для двух сред.
Вследствие преломления света объекты на дне водоема кажутся ближе, чем они есть на самом деле, звезды на небосводе кажутся выше, чем они есть на самом деле.
Законы отражения и преломления света обусловливают многие явления в нашей жизни. Именно благодаря им мы видим мир таким, каков он есть. Вы можете ознакомиться с материалами по теме «отражение света» и законом отражения света в предыдущей теме.
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). ...
На границе сред происходит много интересных оптических явлений. Одно из них – отражение света, когда падающий на границу луч отражается от границы под тем же углом в той же плоскости. Другое важнейшее явление – явление преломления света. От отражения оно отличается тем, что падающий луч проникает за границу, но движется уже в ином направлении. Классический опыт, демонстрирующий преломление, каждый может проделать сам. Достаточно налить воды в стакан с прозрачными стенками и опустить в него любой стержень, например, карандаш. Тогда карандаш будет казаться изогнутым. Миражи в пустынях и на дорогах объясняются тем же самым. Посмотрите на рисунок, иллюстрирующий природу миража:
В слое воздуха возле земной поверхности имеется градиент температуры. В результате этого плотность воздуха также непрерывно изменяется. Подающий на этот слой луч света испытывает множественные преломления, в результате чего начинает напоминать кривую линию, а глаз видит не только сам предмет, но также его отражение от земной поверхности в другом месте. В жаркую погоду водители нередко наблюдают «зеркала» на дорогах.
Закон преломления света
Помимо качественного описания преломления были определены и количественные закономерности данного явления:
- Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости.
- Отношение синусов углов падения и отражения есть величина постоянная и зависящая только от характеристик сред. Данное отношение называется — «показатель преломления».
Эти идеи проиллюстрированы рисунком:
Если взять плоскопараллельную пластинку, то преломленный через нее луч будет выглядеть так:
Любопытно, что преломляясь, свет движется таким образом, чтобы минимизировать время прохождения через пластинку. Данный факт (принцип Ферма) не случаен, а является частным случаем фундаментального закона природы – принципа наименьшего действия, который, насколько мы знаем, не имеет исключений ни в одной области физики. Это значит, что скорость распространения света в разных средах не одинакова. Из принципа Ферма следует, что показатель преломления можно записать и так:
Полное отражение света
С рассматриваемой темой связано одно интересное явление – так называемое «полное отражение». Что это такое? Если луч попадает из среды, где скорость света меньше, в среду, где скорость света больше, то для определенного диапазона углов падения угол преломления оказывается таким, что свет снова возвращается в ту же среду:
Попадающий в стеклянную пластинку свет словно «блуждает» в ней – это и есть явление полного отражения – и отраженный и преломленный лучи отказываются переходить через границу.