Явище заломлення світла - це ... Закон заломлення світла

Явище заломлення світла - це фізичне явище, яке відбувається кожного разу, коли хвиля переміщається з одного матеріалу в інший, в якому її швидкість поширення змінюється. Візуально воно проявляється в тому, що змінюється напрям поширення хвилі.

Фізика: заломлення світла

Якщо падаючий промінь потрапляє на розділ між двома середовищами під кутом 90 °, то нічого не відбувається, він продовжує свій рух в тому ж напрямку під прямим кутом до кордону розділу. Якщо кут падіння променя відрізняється від 90 °, відбувається явище заломлення світла. Це, наприклад, виробляє такі дивні ефекти, як здається злам об`єкта, частково зануреного в воду або міражі, які спостерігаються в гарячій піщаної пустелі.

Історія відкриття

У першому столітті н. е. давньогрецький географ і астроном Птолемей спробував математично пояснити величину рефракції, але запропонований ним закон пізніше виявився ненадійним. У XVII ст. голландський математик Віллеброрд Снелл розробив закон, який визначав величину, пов`язану зі ставленням падаючого і зламаного кутів, яка згодом була названа показником рефракції речовини. По суті, чим більше речовина здатна заломлювати світло, тим більше цей показник. Олівець в воді «зламаний», тому що промені, що йдуть від нього, змінюють свій шлях на межі поділу повітря-вода перш, ніж досягають очей. На розчарування Снелла, йому так і не вдалося виявити причину цього ефекту.

1678 року ще один голландський вчений Християн Гюйгенс розробив математичну залежність, яка пояснює спостереження Снеллиуса і припустив, що явище заломлення світла - це результат різної швидкості, з якою промінь проходить через два середовища. Гюйгенс визначив, що відношення кутів проходження світла через два матеріали з різними показниками рефракції має бути рівним відношенню його швидкостей в кожному матеріалі. Таким чином, він постулював, що через середовища, що мають більший коефіцієнт заломлення, світло рухається повільніше. Інакше кажучи, швидкість світла через матеріал обернено пропорційна його показником заломлення. Хоча згодом закон був експериментально підтверджений, для багатьох дослідників того часу це не було очевидним, т. К. Були відсутні надійні засоби вимірювання швидкості світла. Вченим здавалося, що його швидкість не залежить від матеріалу. Лише через 150 років після смерті Гюйгенса швидкість світла була виміряна з достатньою точністю, що доводить його правоту.

Абсолютний показник рефракції

Абсолютний показник заломлення n прозорої речовини або матеріалу визначається як відносна швидкість, при якій світло проходить через нього щодо швидкості в вакуумі: n = c / v, де с - швидкість світла у вакуумі, а v - в матеріалі.

Відео: Фізика 3. Явище заломлення світла - Академія цікавих наук

Очевидно, що заломлення світла у вакуумі, позбавленому будь-якої речовини, відсутня, і в ньому абсолютний показник дорівнює 1. Для інших прозорих матеріалів це значення більше 1. Для розрахунку показників невідомих матеріалів може використовуватися заломлення світла в повітрі (1,0003).

закони Снеллиуса

Введемо деякі визначення:

• падаючий промінь - промінь, який наближається до поділу середовищ;
• точка падіння - точка поділу, в яку він потрапляє;
• переломлений промінь залишає поділ середовищ;
• нормаль - лінія, проведена перпендикулярно до поділу в точці падіння;
• кут падіння - кут між нормаллю і падаючим променем;
• визначити кут заломлення світла можна як кут між заломленим променем і нормаллю.

Відповідно до законів рефракції:

Відео: Light reflection - Physics in experiments

1. Падаючий, переломлений промінь і нормаль знаходяться в одній площині.
2. Ставлення синусів кутів падіння і рефракції дорівнює відношенню коефіцієнтів рефракції другій і першій середовища: sin i / sin r = n_r/ n_i.

Закон заломлення світла (Снеллиуса) описує взаємозв`язок між кутами двох хвиль і показниками рефракції двох середовищ. Коли хвиля переходить з менш рефракційної середовища (наприклад, повітря) в більш заломлення (наприклад, воду), її швидкість падає. Навпаки, коли світло переходить з води в повітря, швидкість збільшується. Кут падіння в першому середовищі по відношенню до нормалі і кут рефракції в другій будуть відрізнятися пропорційно різниці в показниках заломлення між цими двома речовинами. Якщо хвиля переходить із середовища з низьким коефіцієнтом в середу з більш високим, то вона згинається в напрямку до нормалі. А якщо навпаки, то вона видаляється.

Відносний показник рефракції

Закон заломлення світла показує, що ставлення синусів падаючого і зламаного кутів одно константі, яка представляє собою відношення швидкостей світла в обох середовищах.

sin i / sin r = n_r/ n_i = (C / v_r) / (C / v_i) = V_i/ v_r

ставлення n_r/ n_i називається відносним коефіцієнтом заломлення для даних речовин.

Ряд явищ, які є результатом рефракції, часто спостерігаються в повсякденному житті. Ефект «зламаного» олівця - одне з найпоширеніших. Очі і мозок ідуть за променями назад в воду, наче вони не заломлюються, а приходять від об`єкта по прямій лінії, створюючи віртуальний образ, який з`являється на меншій глибині.

дисперсія

Ретельні вимірювання показують, що на переломлення світла довжина хвилі випромінювання або його колір дуже впливають. Іншими словами, речовина має багато показників заломлення, які можуть відрізнятися при зміні кольору або довжини хвилі.

Така зміна має місце в усіх прозорих середовищах і носить назву дисперсії. Ступінь дисперсії конкретного матеріалу залежить від того, наскільки показник рефракції змінюється з довжиною хвилі. З ростом довжини хвилі стає менш вираженим явище заломлення світла. Це підтверджується тим, що фіолетовий рефрагірует більше червоного, так як його довжина хвилі коротше. Завдяки дисперсії в звичайному склі відбувається відоме розщеплення світла на його складові.

Відео: Закон відбиття світла

розкладання світла

В кінці XVII століття сер Ісаак Ньютон провів серію експериментів, які привели до його відкриття видимого спектру, і показав, що біле світло складається з упорядкованого масиву квітів, починаючи від фіолетового через синій, зелений, жовтий, оранжевий і закінчуючи червоним. Працюючи в затемненій кімнаті, Ньютон поміщав скляну призму в вузький промінь, який проникав через отвір в віконних віконницях. При проходженні через призму відбувалося заломлення світла - скло проектувати його на екран у вигляді упорядкованого спектра.

Ньютон прийшов до висновку про те, що біле світло складається з суміші різних кольорів, а також, що призма «розкидає» біле світло, ломлячи кожен колір під іншим кутом. Ньютон не зміг розділити кольору, пропускаючи їх через другу призму. Але коли він поставив другу призму дуже близько до першої таким чином, що всі дисперговані кольору увійшли в другу призму, вчений встановив, що кольору рекомбинируют, знову утворюючи білий світ. Цей відкриття переконливо довело спектральний склад світла, який може бути легко розділений і з`єднаний.

Явище дисперсії грає ключову роль у великому числі різноманітних явищ. Радуга виникає в результаті заломлення світла в краплях дощу, виробляючи вражаюче видовище спектрального розкладання, подібне до того, яке відбувається в призмі.

Критичний кут і повне внутрішнє віддзеркалення

При проходженні через середовище з більш високим показником рефракції в середу з більш низьким шлях руху хвиль визначається кутом падіння щодо поділу двох матеріалів. Якщо кут падіння перевищує певне значення (залежне від показника рефракції двох матеріалів), він досягає точки, коли світло не заломлюється в середу з більш низьким показником.

Критичний (або граничний) кут визначається як кут падіння, результуючий в кут рефракції, рівний 90 °. Іншими словами, поки кут падіння менше критичного, рефракція відбувається, а коли він дорівнює йому, то переломлений промінь проходить уздовж місця поділу двох матеріалів. Якщо кут падіння перевищує критичний, то світло відбивається назад. Явище це носить назву повного внутрішнього відображення. Приклади його використання - алмази і оптичні волокна. Огранювання алмаза сприяє повному внутрішньому віддзеркаленню. Більшість променів, що входять крізь верхню частину діаманта, буде відображатися, поки вони не досягнуть верхньої поверхні. Саме це дає діамантів їх яскравий блиск. Оптичне волокно являє собою скляні «волосся», настільки тонкі, що коли світло входить в один кінець, він не може вийти назовні. І тільки коли промінь досягне іншого кінця, він зможе покинути волокно.

Розуміти і управляти

Оптичні прилади, починаючи від мікроскопів і телескопів до фотокамер, відеопроекторів, і навіть людське око покладаються на той факт, що світло може бути сфокусований, переломлений і відображений.

Відео: Фізика: підготовка до ОГЕ і ЄДІ. Геометрична оптика. Закони відбивання і заломлення світла

Рефракція виробляє широкий спектр явищ, в тому числі міражі, веселки, оптичні ілюзії. Через заломлення толстостенная кухоль пива здається більш повної, а сонце сідає на кілька хвилин пізніше, ніж насправді. Мільйони людей використовують силу рефракції, щоб виправити дефекти зору за допомогою окулярів і контактних лінз. Завдяки розумінню цих властивостей світла і управління ними, ми можемо побачити деталі, невидимі неозброєним оком, незалежно від того, чи знаходяться вони на предметному склі мікроскопа або в далекій галактиці.