При какъв ъгъл на падане не се получава пречупване. Ъгли на пречупване в различни среди
В предишните параграфи проучихме явлението отражение на светлината. Нека сега да се запознаем с второто явление, при което лъчите променят посоката на разпространението си. Това явление - пречупване на светлината на границата между две среди.Разгледайте гредите и чертежите на аквариума в § 14-b. Лазерният лъч беше прав, но когато достигна стъклената стена на аквариума, лъчът промени посоката - пречупен.
Пречупване на светлинатасе нарича промяна в посоката на лъча на границата между две среди, при която светлината преминава във втората среда(сравнете с отражението). Например, на фигурата сме изобразили примери за пречупване на светлинен лъч на границите на въздух и вода, въздух и стъкло, вода и стъкло.
От сравнението на левите чертежи следва, че двойка среда "въздух-стъкло" пречупва светлината по-силно от двойка среда "въздух-вода". От сравнение на чертежите вдясно може да се види, че при преминаване от въздух към стъкло светлината се пречупва по-силно, отколкото при преминаване от вода към стъкло. Това е, парите на среда, прозрачни за оптично излъчване, имат различна пречупваща сила, характеризираща се с относителен показател на пречупване. Изчислява се по формулата на следващата страница, така че може да се измери експериментално. Ако вакуумът е избран като първа среда, тогава се получават следните стойности:
Тези стойности се измерват при 20 ° C за жълта светлина. При различна температура или различен цвят на светлината индикаторите ще бъдат различни (вижте § 14-h). При качествен преглед на таблицата отбелязваме: колкото повече коефициентът на пречупване се различава от единица, толкова по-голям е ъгълът, през който лъчът се отклонява, преминавайки от вакуум към среда.Тъй като показателят на пречупване на въздуха е почти неразличим от единица, влиянието на въздуха върху разпространението на светлината е почти незабележимо.
Законът за пречупване на светлината.За да разгледаме този закон, въвеждаме определения. Ъгълът между падащия лъч и перпендикуляра на интерфейса между двете среди в точката на огъване на лъча ще се нарича ъгъл на падане(а). По същия начин ъгълът между пречупения лъч и перпендикуляра на интерфейса между двете среди в точката на огъване на лъча ще се нарече ъгъл на пречупване(ж).
Когато светлината се пречупва, законите, които съставляват законът за пречупване на светлината: 1. Падащият лъч, пречупеният лъч и перпендикулярът на границата между средата в точката на огъване на лъча лежат в една и съща равнина. 2. Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е константа, независима от ъглите:
Прилага се и качествена интерпретация на закона за пречупване на светлината: когато светлината преминава в оптически по-плътна среда, лъчът се отклонява към перпендикуляра на интерфейса между средата.И обратно.
Принципът на обратимостта на светлинните лъчи.Когато светлината се отразява или пречупва, падащите и отразените лъчи винаги могат да бъдат обърнати. Означава, че пътят на лъчите няма да се промени, ако промените посоката им на противоположна.Многобройни експерименти потвърждават: в този случай "траекторията" на пътя на лъчите не се променя (виж чертежа).
На границата на две прозрачни среди, заедно с отражението на светлината, се наблюдава нейното пречупване, преминавайки в друга среда, променяйки посоката на нейното разпространение.
Пречупването на светлинен лъч се случва, когато пада косо върху интерфейса (не винаги четете повече за пълното вътрешно отражение). Ако лъчът падне перпендикулярно на повърхността, тогава няма да има пречупване във втората среда, лъчът ще запази посоката си и също ще върви перпендикулярно на повърхността.
4.3.1 Закон за пречупване (специален случай)
Ще започнем със специален случай, когато една от медиите е ефир. Това е ситуацията, която присъства в преобладаващата част от задачите. Ще обсъдим подходящите специален случайзакона за пречупването и едва тогава ще дадем най-общата му формулировка.
Да предположим, че лъч светлина, пътуващ във въздуха, пада косо върху повърхността на стъкло, вода или друга прозрачна среда. При преминаване в средата лъчът се пречупва и по-нататъшният му ход е показан на фиг. 4.11.
сряда О
Ориз. 4.11. Пречупване на лъч на границата въздух-среда
В точката на падане O се изтегля перпендикулярен (или, както се казва, нормален) CD към повърхността на средата. AO лъчът, както преди, се нарича падащ лъч, а ъгълът между падащия лъч и нормала е ъгълът на падане. OB лъчът е пречупен лъч; ъгълът между пречупения лъч и нормалата към повърхността се нарича ъгъл на пречупване.
Всяка прозрачна среда се характеризира със стойността n, която се нарича коефициент на пречупване на тази среда. Показателите на пречупване на различни среди могат да бъдат намерени в таблиците. Например за стъкло n = 1; 6 и за вода n = 1; 33. Като цяло, за всяка среда n> 1; коефициентът на пречупване е равен на единица само във вакуум. За въздух, n = 1; 0003, следователно, за въздух, може да се приеме с достатъчна точност в задачи n = 1 (в оптиката въздухът не се различава много от вакуума).
Законът за пречупването (преход „въздух – среда”).
1) Падащият лъч, пречупеният лъч и нормалата към повърхността, начертани в точката на падане, лежат в една и съща равнина.
2) Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на коефициента на пречупване.
заобикаляща среда:
Тъй като n> 1, от съотношение (4.1) следва, че sin> sin, тоест> ъгълът на пречупване е по-малък от ъгъла на падане. Запомнете: преминавайки от въздух към среда, лъчът след пречупване се доближава до нормалното.
Показателят на пречупване е пряко свързан със скоростта v на разпространение на светлината в дадена среда. Тази скорост винаги е по-малка от скоростта на светлината във вакуум: v< c. И вот оказывается,
Защо това се случва, ще разберем, когато изучаваме вълновата оптика. Дотогава скомби
Нека разгледаме формули (4.1) и (4.2): | |||||
Тъй като коефициентът на пречупване на въздуха е много близък до единицата, можем да приемем, че скоростта на светлината във въздуха е приблизително равна на скоростта на светлината във вакуум, c. Отчитайки това и разглеждайки формулата (4.3), заключаваме: съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на отношението на скоростта на светлината във въздуха към скоростта на светлината в средата.
4.3.2 Обратимост на светлинните лъчи
Сега помислете обратенлъч: пречупването му при преминаване от средата към въздуха. Следният полезен принцип ще ни помогне тук.
Принципът на обратимостта на светлинните лъчи. Пътят на лъча не зависи от това дали лъчът се движи напред или назад. Движейки се в обратна посока, лъчът ще следва точно същия път като в посока напред.
Съгласно принципа на обратимостта, при преминаване от среда към въздух, лъчът ще върви по същата траектория, както при съответния преход от въздух към среда (фиг. 4.12).Единствената разлика между фиг. 4.12 и фиг. 4.11 е, че посоката на лъча се е променила на противоположна.
сряда О
Ориз. 4.12. Пречупване на лъч на границата на "средния въздух".
Тъй като геометричната картина не се е променила, формула (4.1) ще остане същата: съотношението на синуса на ъгъла към синуса на ъгъла все още е равно на коефициента на пречупване на средата. Вярно е, че сега ъглите смениха ролята си: ъгълът се превърна в ъгъл на падане, а ъгълът се превърна в ъгъл на пречупване.
Във всеки случай, без значение как лъчът преминава от въздух към среда или от среда към въздух, следното просто правило работи. Вземете два ъгъла, ъгъла на падане и ъгъла на пречупване; съотношението на синуса на по-големия ъгъл към синуса на по-малкия ъгъл е равно на коефициента на пречупване на средата.
Вече сме напълно готови да обсъдим закона за пречупването в най-общия случай.
4.3.3 Закон за пречупването (общ случай)
Нека светлината преминава от среда 1 с показател на пречупване n1 към среда 2 с показател на пречупване n2. Среда с по-висок коефициент на пречупване се нарича оптически по-плътна; съответно среда с по-нисък коефициент на пречупване се нарича оптически по-малко плътна.
Преминавайки от оптически по-малко плътна среда към оптически по-плътна, светлинният лъч след пречупване се доближава до нормата (фиг. 4.13). В този случай ъгълът на падане е по-голям от ъгъла на пречупване:>.
Ориз. 4.13. n1< n2 ) >
Напротив, преминавайки от оптически по-плътна среда към оптически по-малко плътна, лъчът се отклонява още повече от нормата (фиг. 4.14). Тук ъгълът на падане е по-малък от ъгъла на пречупване:
Ориз. 4.14. n1> n2)<
Оказва се, че и двата случая са обхванати от една формула от общия закон за пречупване, който е валиден за всякакви две прозрачни медии.
Закон за пречупване.
1) Начертани са падащ лъч, пречупен лъч и нормален към интерфейса
v точка на падане, лежат в една и съща равнина.
2) Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на съотношението на индекса на пречупване на втората среда към индекса на пречупване на първата среда:
Лесно е да се види, че формулираният по-рано закон за пречупване за прехода „въздух – среда” е частен случай на този закон. Действително, задавайки n1 = 1 и n2 = n във формула (4.4), стигаме до формула (4.1).
Нека сега припомним, че показателят на пречупване е съотношението на скоростта на светлината във вакуум към скоростта на светлината в дадена среда: n1 = c = v1, n2 = c = v2. Замествайки това в (4.4), получаваме:
Формула (4.5) естественообобщава формулата (4.3). Съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е равно на съотношението на скоростта на светлината в първата среда към скоростта на светлината във втората среда.
4.3.4 Пълно вътрешно отражение
Когато светлинните лъчи преминават от оптически по-плътна среда към оптически по-малко плътна среда, се наблюдава интересен феномен на пълно вътрешно отражение. Да видим какво е то.
Да приемем за категоричност, че светлината преминава от вода към въздух. Да предположим, че в дълбините на резервоара има точков източник на светлина S, който излъчва лъчи във всички посоки. Ще разгледаме някои от тези лъчи (Фигура 4.15).
S B 1
Ориз. 4.15. Пълно вътрешно отражение
Лъчът SO1 удря водната повърхност под най-малък ъгъл. Този лъч се пречупва частично (лъч O1 A1) и частично се отразява обратно във водата (лъч O1 B1). Така част от енергията на падащия лъч се прехвърля към пречупения лъч, а останалата енергия към отразения лъч.
Ъгълът на падане на лъча SO2 е по-голям. Този лъч също се разделя на два лъча, пречупен и отразен. Но енергията на първоначалния лъч се разпределя между тях по различен начин: пречупеният лъч O2 A2 ще бъде по-тъмен от лъча O1 A1 (тоест ще получи по-малка част от енергията), а отразеният лъч O2 B2 е съответно по-ярък от лъча O1 B1 (ще получи по-голяма частична енергия).
С увеличаване на ъгъла на падане може да се проследи същата закономерност: все повече и повече енергия на падащия лъч отива към отразения лъч, а все по-малко към пречупения лъч. Пречупеният лъч става все по-тъмен и в един момент изчезва напълно!
Това изчезване се случва, когато ъгълът на падане достигне 0, което съответства на ъгъла на пречупване от 90. В тази ситуация пречупеният лъч OA би трябвало да върви успоредно на повърхността на водата, но нямало какво да отиде, цялата енергия на падащия SO лъч отивала изцяло към отразения лъч OB.
При по-нататъшно увеличаване на ъгъла на падане пречупеният лъч ще отсъства още повече.
Описаното явление е пълно вътрешно отражение. Водата не отделя лъчи с ъгли на падане, равни или по-големи от определена стойност от 0, всички такива лъчи се отразяват напълно обратно във водата. Ъгъл 0 се нарича пределен ъгъл на пълно отражение.
Стойността 0 е лесно да се намери от закона за пречупване. Ние имаме:
грях 0 | ||||||||||
Но грях 90 = 1, така че | ||||||||||
грях 0 | ||||||||||
0 = arcsin | ||||||||||
И така, за водата, граничният ъгъл на пълно отражение е:
0 = arcsin1; 1 33 48; 8:
Можете лесно да наблюдавате феномена на пълно вътрешно отражение у дома. Налейте вода в чаша, повдигнете я и погледнете повърхността на водата леко отдолу през стената на чашата. Ще видите сребрист блясък на повърхността поради пълно вътрешно отражение, той се държи като огледало.
Най-важните техническо приложениепълното вътрешно отражение е оптично влакно. Светлинни лъчи, изстреляни навътре оптичен кабел(влакна), почти успоредни на оста си, падат върху повърхността под големи ъгли и се отразяват напълно обратно в кабела без загуба на енергия. Многократно отразявани, лъчите отиват все по-далеч, пренасяйки енергия на значително разстояние. Оптичната комуникация се използва например в кабелни телевизионни мрежи и високоскоростен достъп до Интернет.
Целта на урока
Да запознае учениците със законите на разпространението на светлината на интерфейса между две среди, да обясни това явление от гледна точка на вълновата теория на светлината.
|
Домашна работа: § 61, задача No 1035, 1036.
Проверка на знанията
Тест. Отражение на светлината
Нов материал
Наблюдаване на пречупването на светлината.
На границата на две среди светлината променя посоката си на разпространение. Част от светлинната енергия се връща в първата среда, тоест светлината се отразява. Ако втората среда е прозрачна, тогава светлината може частично да премине през границата на средата, като също така променя, като правило, посоката на разпространение. Това явление се нарича пречупване на светлината.
Поради пречупването има видима промяна във формата на обектите, тяхното местоположение и размер. Можем да се убедим в това чрез прости наблюдения. Поставете монета или друг малък предмет на дъното на празна, непрозрачна чаша. Преместете стъклото така, че центърът на монетата, ръбът на стъклото и окото да са на една и съща права линия. Без да променяме позицията на главата, ще налеем вода в чашата. С покачването на нивото на водата дъното на чашата с монетата се издига сякаш. Монета, която преди е била само частично видима, сега ще бъде напълно видима. Поставете молива косо в съд с вода. Ако погледнете съда отстрани, ще забележите, че частта от молива във водата сякаш е изместена встрани.
Тези явления се обясняват с промяна в посоката на лъчите на границата на две среди - пречупването на светлината.
Законът за пречупване на светлината определя относителното положение на падащия лъч AB (виж фиг.), пречупения DB и перпендикуляра CE към интерфейса между средата, реконструирана в точката на падане. Ъгълът α се нарича ъгъл на падане, а ъгълът β е ъгъл на пречупване.
Падащите, отразени и пречупени лъчи могат лесно да бъдат наблюдавани, като се направи видим тесен лъч светлина. Ходът на такъв лъч във въздуха може да се проследи чрез пускане на малко дим във въздуха или чрез поставяне на екрана под лек ъгъл спрямо лъча. Пречупената кичура се вижда и в оцветената с флуоресцентна вода аквариум.
Нека плоска светлинна вълна падне върху плоска граница между две среди (например от въздух във вода) (виж фиг.). Вълновата повърхност AC е перпендикулярна на лъчите A 1 A и B 1 B. Повърхността MN се достига първо от лъч A 1 A. Лъчът B 1 B ще достигне повърхността след време Δt. Следователно, в момента, когато вторичната вълна в точка B просто започне да се възбужда, вълната от точка A вече изглежда като полукълбо с радиус
Вълновата повърхност на пречупена вълна може да бъде получена чрез начертаване на повърхностна допирателна към всички вторични вълни във втората среда, чиито центрове лежат на интерфейса между средата. В този случай това е BD равнината. Това е обвивката на вторичните вълни. Ъгълът на падане α на лъча е равен на CAB в триъгълник ABC (страните на единия от тези ъгли са перпендикулярни на страните на другия). следователно,
Ъгълът на пречупване β е равен на ъгъла ABD на триъгълника ABD. Ето защо
Разделяйки получените уравнения член по член, получаваме:
|
|
където n е константа, независима от ъгъла на падане.
От конструкцията (виж фиг.) се вижда, че падащият лъч, пречупеният лъч и перпендикулярът, реконструирани в точката на падане, лежат в една и съща равнина.Това твърдение заедно с уравнението, според което съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е постоянна стойност за две среди, представлява закон за пречупване на светлината.
Възможно е да се провери валидността на закона за пречупването експериментално чрез измерване на ъглите на падане и пречупване и изчисляване на съотношението на техните синуси при различни ъгли на падане. Това отношение остава непроменено.
Индекс на пречупване.
Постоянната стойност, включена в закона за пречупване на светлината, се нарича относителен показател на пречупванеили коефициентът на пречупване на втората среда спрямо първата.
Законът за пречупването не само следва от принципа на Хюйгенс. С помощта на този принцип се разкрива физическото значение на индекса на пречупване. Тя е равна на съотношението на скоростите на светлината в средата, на границата между която се получава пречупване:
|
|
Ако ъгълът на пречупване β е по-малък от ъгъла на падане α, тогава, според (*), скоростта на светлината във втората среда е по-малка от тази в първата.
Показателят на пречупване на средата спрямо вакуума се нарича абсолютният коефициент на пречупване на тази среда... То е равно на съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване при преминаване на светлинен лъч от вакуум към дадена среда.
Използвайки формулата (**), можете да изразите относителния коефициент на пречупване чрез абсолютните показатели на пречупване n 1 и n 2 на първата и втората среда.
Наистина, тъй като
| и |
където c е скоростта на светлината във вакуум, тогава
Обикновено се нарича среда с по-нисък абсолютен коефициент на пречупване оптически по-малко плътна среда.
Абсолютният показател на пречупване се определя от скоростта на разпространение на светлината в дадена среда, която зависи от физическото състояние на средата, тоест от температурата на веществото, неговата плътност и наличието на еластични напрежения в него. Коефициентът на пречупване зависи и от характеристиките на самата светлина. По правило за червена светлина е по-малко, отколкото за зелено, а за зелено е по-малко, отколкото за виолетово.
Следователно в таблиците на показателите на пречупване за различни веществаобикновено се посочва за коя светлина е дадена дадената стойност на n и в какво състояние е средата. Ако няма такива индикации, това означава, че зависимостта от тези фактори може да бъде пренебрегната.
В повечето случаи трябва да се вземе предвид преминаването на светлината през интерфейса въздух-твърд или въздух-течност, а не през интерфейса вакуум-среда. но абсолютен индикаторпоказателят на пречупване n 2 на твърдо или течно вещество се различава леко от индекса на пречупване на същото вещество спрямо въздуха. Така абсолютният показател на пречупване на въздуха при нормални условия за жълта светлина е приблизително 1,000292. следователно,
Работен лист за урок
Примерни отговори
"Пречупване на светлината"
4.1. Основни понятия и закони на геометричната оптика
Закони за отражение на светлината.Първият закон на отражението:
лъчи, падащи и отразени, лежат в една и съща равнина с перпендикуляра на отразяващата повърхност, реконструирана в точката на падане на лъча.
Вторият закон на отражението:
ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение (виж фиг. 8).
α - ъгъл на падане, β е ъгълът на отражение.
Закони за пречупване на светлината. Индекс на пречупване.
Първият закон на пречупването:
падащият лъч, пречупеният лъч и перпендикулярът, реконструирани в точката на падане на интерфейса, лежат в една и съща равнина (виж фиг. 9). 
Вторият закон на пречупването:
съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е постоянна стойност за две дадени среди и се нарича относителен показател на пречупване на втората среда спрямо първата. 
Относителният индекс на пречупване показва колко пъти скоростта на светлината в първата среда се различава от скоростта на светлината във втората среда: 
Пълно отражение.
Ако светлината преминава от оптически по-плътна среда към оптически по-малко плътна, тогава когато е изпълнено условието α> α 0, където α 0 е граничният ъгъл на пълно отражение, светлината изобщо няма да избяга във втората среда. Той ще бъде напълно отхвърлен от интерфейса и ще остане в първата среда. В този случай законът за отражение на светлината дава следната зависимост: 
4.2. Основни понятия и закони на вълновата оптика
Интерференциянарича се процесът на наслагване на вълни от два или повече източника един върху друг, в резултат на което има преразпределение на вълновата енергия в пространството. За преразпределението на вълновата енергия в пространството е необходимо източниците на вълни да са кохерентни. Това означава, че те трябва да излъчват вълни със същата честота и фазовото изместване между трептенията на тези източници не трябва да се променя с течение на времето.В зависимост от разликата в пътя (∆), в точката на припокриване на гредите, максимална или минимална смущения.Ако разликата в пътя между лъчите от синфазните източници ∆ е равна на цял брой дължини на вълната mλ (ме цяло число), то това е максималната интерференция:
ако нечетен брой полувълни е минималната интерференция:
Дифракциясе нарича отклонение в разпространението на вълната от праволинейната посока или проникването на вълновата енергия в областта на геометричната сянка. Дифракцията се наблюдава добре, когато размерите на препятствията и дупките, през които преминава вълната, са съизмерими с дължината на вълната.
Едно от оптичните устройства, на които е добре да се наблюдава дифракцията на светлината е дифракционна решетка.Представлява стъклена плоча с диамантени щрихи на еднакво разстояние един от друг. Разстояние между ударите - константа на решетката d.Лъчите, преминаващи през решетката, се дифрагират под всички възможни ъгли. Лещата събира лъчи, идващи под същия ъгъл на дифракция в една от точките на фокалната равнина. Ходене под различен ъгъл – в различни точки. Наложени един върху друг, тези лъчи дават максимума или минимума на дифракционната картина. Условията за наблюдение на максимумите в дифракционна решеткаизглежда като:
където м- цяло число, λ - дължина на вълната (виж фиг. 10).
Пречупване на светлината.
Ако светлинен лъч падне върху повърхност, разделяща две прозрачни среди с различна оптична плътност, например въздух и вода, тогава част от светлината се отразява от тази повърхност, а другата част прониква във втората среда. При преминаване от една среда в друга светлинният лъч променя посоката на границата на тези среди. Това явление се нарича пречупване на светлината.
Нека разгледаме по-отблизо пречупването на светлината. На фигура n са представени: инцидентен лъч АД,пречупен лъч ОВи перпендикулярна компактдиск,възстановен от мястото на удара Окъм повърхност, разделяща две различни среди. инжекция AOC- ъгъл на падане, ъгъл роде ъгълът на пречупване. Ъгъл на пречупване родпо-малък ъгъл на падане AOC.
Лъч светлина впреходът от въздух към вода променя посоката си, приближавайки се до перпендикуляра CD.Водата е оптически по-плътна от въздуха. Ако водата се замени с друга прозрачна среда, оптически по-плътна от въздуха, тогава пречупеният лъч също ще се приближи до перпендикуляра. Следователно можем да кажем: ако светлината е включенаот оптически по-малко плътна среда към по-плътна среда, ъгълът на пречупване винаги е по-малък от ъгъла на падане.
Експериментите показват, че при същия ъгъл на падане ъгълът на пречупване е толкова по-малък, колкото е по-оптически плътна средата, в която прониква лъчът.
Ако огледало се постави перпендикулярно на лъча по пътя на пречупения лъч, тогава светлината ще се отрази от огледалото и ще излезе от водата във въздуха по посока на падащия лъч. Следователно падащите и пречупените лъчи са обратими по същия начин, както падащите и отразените лъчи са обратими.
Ако светлината идва от по-оптически плътна среда към по-малко плътна среда, тогава ъгълът на пречупване на лъча е по-голям от ъгъла на падане.Нека направим малък експеримент у дома. m у дома малък експеримент. съм трябва да поставите молив в чаша с вода и той ще изглежда счупен. NSтова може да се обясни само с факта, че светлинните лъчи, идващи от молив, имат различна посока във водата, отколкото във въздуха, тоест светлината се пречупва на границата на въздуха с водата. Когато светлината преминава от една среда в друга, част от падащата върху нея светлина се отразява на интерфейса. Останалата част от светлината навлиза в новата среда. Ако светлината пада под ъгъл, различен от прав ъгъл към интерфейса, светлинният лъч променя посоката от интерфейса.
Това се нарича феномен на пречупване на светлината. Феноменът на пречупване на светлината се наблюдава на границата на две прозрачни среди и се обяснява различна скоростразпространението на светлината в различни среди. Във вакуум скоростта на светлината е приблизително 300 000 км/сек,във всички останали
с е по-малко в червено.
Фигурата по-долу показва лъч, преминаващ от въздух към вода. Ъгълът се нарича ъгълът на падане на лъча,а - ъгъл на пречупване.Забележете как лъчът се доближава до нормалното във вода. Това се случва всеки път, когато лъчът удари среда, където скоростта на светлината е по-ниска. Ако светлината се разпространява от една среда в друга, където скоростта на светлината е по-голяма, тогава тя се отклонява от нормата.
Пречупването се причинява от редица добре познати оптични илюзии. Например на наблюдател на брега изглежда, че човек, който е влязъл във водата до кръста, има по-къси крака.
Закони за пречупване на светлината.
От всичко казано, заключаваме:
1 . На интерфейса между две среди с различна оптична плътност светлинният лъч променя посоката си при преминаване от една среда в друга.
2. Когато светлинният лъч премине в среда с по-голямаъгъл на пречупване на оптична плътностпо-малък ъгъл на падане; при преминаване на лъч светлинаот оптически по-плътна среда към среда по-малкоплътният ъгъл на пречупване е по-голям от ъгъла на подложкатания
Пречупването на светлината е придружено от отражение и с увеличаване на ъгъла на падане, яркостта на отразения лъч се увеличава, а тази на пречупения лъч отслабва. Това може да се види чрез опита. показано на фигурата. ССледователно, колкото по-голям е ъгълът на падане, толкова повече светлинна енергия отразеният лъч отнася със себе си.Нека бъде MN- границата между две прозрачни среди, например въздух и вода, АД- падащ лъч, ОВ- пречупеният лъч, - ъгълът на падане, - ъгълът на пречупване, - скоростта на разпространение на светлината в първата среда, - скоростта на разпространение на светлината във втората среда.
Първият закон на пречупването звучи така: съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е постоянна стойност за тези две среди:
, където е относителният коефициент на пречупване (показателят на пречупване на втората среда спрямо първата).
Вторият закон на пречупването на светлината е много подобен на втория закон на отражението на светлината:
падащият лъч, пречупеният лъч и перпендикулярът, изтеглени към точката на падане на лъча, лежат в една и съща равнина.
Абсолютен показател на пречупване.
Скоростта на разпространение на светлината във въздуха е почти същата като скоростта на светлината във вакуум: СМС.
Ако светлината влезе от вакуум в някаква среда, тогава
където n е абсолютният показател на пречупванетази среда. Относителният коефициент на пречупване на двете среди е свързан с абсолютните показатели на пречупване на тези среди, където и са абсолютните показатели на пречупване на първата и втората среда, съответно.
Абсолютни показатели на пречупване на светлината:
Вещество
Диамант 2,42. Кварц 1,54. Въздух (при нормални условия) 1,00029. Етилов алкохол 1,36. Вода 1,33. Лед 1.31. Терпентин 1,47. Топен кварц 1.46. 1,52 CZK. Светъл кремък 1,58. Натриев хлорид (сол) 1,53.
(Както ще видим по-късно, индексът на пречупване н варира до известна степен в зависимост от дължината на вълната на светлината - тя запазва постоянна стойност само във вакуум. Следователно данните в таблицата са за жълта светлина с дължина на вълната.)
Например, тъй като за диамант светлината се разпространява в диамант със скорост
Оптическа плътност на средата.
Ако абсолютният коефициент на пречупване на първата среда е по-малък от абсолютния коефициент на пречупване на втората среда, тогава първата среда има по-ниска оптична плътност от втората и>. Оптичната плътност на средата не трябва да се бърка с плътността на веществото.
Пропускане на светлина през плоскопаралелна плоча и призма.
Голям практическо значениеима пропускане на светлина през прозрачни тела с различни форми... Нека разгледаме най-простите случаи.
Нека насочим лъч светлина през дебела плоско-успоредна плоча (плоча, ограничена от успоредни ръбове). Преминавайки през плочата, светлинният лъч се пречупва два пъти: веднъж, когато влезе в плочата, втори път, когато излезе от плочата във въздуха.Светлинният лъч, преминаващ през плочата, остава успореден на първоначалната си посока и е само леко изместен. Това изместване е толкова по-голямо, колкото по-дебела е плочата и толкова по-голям е ъгълът на падане. Размерът на изместването също зависи от това от какво вещество е направена плочата.
Пример за плоскоуспоредна плоча е стъклото на прозореца. Но когато гледаме предмети през стъкло, ние не забелязваме промени в тяхната позиция и форма, защото стъклото е тънко; преминаващи светлинни лъчистъклопакет, леко изместен.
Ако погледнем обект през призма, тогава обектът изглежда е изместен. Светлинен лъч, излъчван от обект, пада върху призма в точка А,пречупва и отива вътре в призмата в посоката AB Достигане на втория фасет на призмата. светлинният лъч се пречупва още веднъж, отклонявайки се към основата на призмата. Следователно изглежда, че лъчът идва от точка. позициониранвърху продължението на лъча BC, тоест обектът изглежда изместен до върха на ъгъла, образуван от пречупващите страни на призмата.
Пълно отражение на светлината.
Красива гледка е фонтанът, в който изхвърлените струи са осветени отвътре. (Това може да бъде изобразено при нормални условия, като направите следния експеримент № 1). Ще обясним това явление по-долу.
Когато светлината преминава от оптически по-плътна среда към оптически по-малко плътна среда, се наблюдава феноменът на пълно отражение на светлината. Ъгълът на пречупване в този случай е по-голям от ъгъла на падане (фиг. 141). С увеличаване на ъгъла на падане на светлинните лъчи от източника Скъм интерфейса между две медии МNще дойде момент, когато пречупеният лъч
ще върви по интерфейса между двете медии, тоест = 90°.
Ъгълът на падане, който съответства на ъгъла на пречупване = 90 °, се нарича граничен ъгъл на пълно отражение.
Ако този ъгъл бъде превишен, тогава лъчите изобщо няма да напуснат първата среда, а ще се наблюдава само явлението на отражение на светлината от интерфейса между двете среди.
От първия закон на пречупването:
От тогава.
Ако втората среда е въздух (вакуум), тогава къде н е абсолютният коефициент на пречупване на средата, от която идват лъчите.
Обяснението на явлението, което наблюдавате във вашия опит, е доста просто. Светлинен лъч преминава по протежение на водния поток и удря извитата повърхност под ъгъл, по-голям от граничния, изпитва пълно вътрешно отражение и след това отново удря противоположната страна на потока под ъгъл отново по-голям от ограничаващия. Така лъчът минава по течението, като се огъва с него.
Но ако светлината беше напълно отразена вътре в струята, тогава тя нямаше да се вижда отвън. Част от светлината се разсейва от вода, въздушни мехурчета и различни примеси, присъстващи в нея, както и поради неравности на повърхността на струята, поради което се вижда отвън.
