Явление преломления света

План ответа

1. Некоторые природные явления, объясняемые преломлением света. 2. Объяснение явления с волновой точки зрения. 3. Закон преломления света. 4. Показатель преломления. 5. Явление полного отражения.

Многие явления в природе объясняются тем, что свет при переходе из одной среды в другую изменяет направление распространения. Например, если опустить карандаш в стакан, то мы наблюдаем «излом карандаша».

Преломлением объясняется кажущееся уменьшение глубины реки.

Свет преломляется и при распространении в неоднородной среде. Например, такой неоднородной средой является воздух, разные слои которого нагреты по-разному. Свет в таком воздухе преломляется. И именно этим объясняются миражи.

Почему же происходит преломление света? Дело здесь в том, что при переходе из одной среды в другую скорость света как электромагнитных волн изменяется. Например, в воздухе она равна v₁ = 3 • 10⁸ м/с, а в стекле v₂ = 2 • 10⁸ м/с. Частота v колебаний при этом не изменяется. Следовательно, при переходе из одной среды в другую изменяется длина волны. Например, при переходе из воздуха в стекло длина волны уменьшается в — =1,5 раза.

Теперь представим себе, что свет не преломляется. Тогда на границе воздух — стекло происходит разрыв волновых поверхностей (рис. 46, а). Чтобы такого разрыва не было, свет должен испытать преломление (рис. 46, б).

Из этого объяснения следует, что при угле падения а = 0° преломление не происходит (рис. 46, в).

Пронаблюдаем явление преломления. Перед экраном со щелью поставим лампочку и на пути пучка света положим плоскопараллельную пластину со скошенными гранями.

Зафиксируем ход пучка иголками. Затем уберем иголку, лампочку и экран, обведем контуры пластины и начертим падающий и преломленный лучи (рис. 47).

Подобные опыты позволили открыть закон преломления света. Он устанавливает связь между углами падения и преломления и формулируется следующим образом: падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная длядвух данных сред:

Углы падения и преломления отсчитываются от перпендикуляра к границе раздела двух сред до прямых, показывающих направление световых волн в первой и второй средах (рис. 48).

Величина n₂₁ называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Можно доказать, что . Например, показатель преломления стекла равен

Явление полного отражения состоит в том, что свет не испытывает при некоторых условиях преломления даже при угле падения a не равен 0°. Это происходит, если свет переходит из вещества, где он распространяется с меньшей скоростью, в вещество, где скорость света больше. Например, полное отражение можно наблюдать при переходе света из стекла в воздух.

Пронаблюдаем это явление. Воспользуемся пластиной и через боковую грань «запустим свет внутрь стекла».

И мы увидим полное отражение (рис. 49). Можно найти угол a₀, при котором начинается полное отражение, воспользовавшись законом преломления света.

Пусть п = 1,5 — показатель преломления стекла. Тогда при переходе света из стекла в воздух можно записать . Максимальное значение (3 = 90°. Тогда , угол . В нашем опыте угол а > a₀, если свет входит в пластину через грань АВ, и a < a₀, если через грань CD (рис. 50).