На прошлых уроках мы говорили о том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Если пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду. Это явление называется отражением света.
Однако, свет, падая на границу раздела двух сред, не только отражается от неё, но и частично проходит во вторую среду и распространяется в ней. И сегодня мы с вами рассмотрим это явление более подробно.
Для начала проведём такой опыт. Возьмём стакан с водой, опустим в него карандаш так, чтобы он был расположен вертикально. Изменив угол наклона увидим, что на границе воды и воздуха карандаш кажется переломленным.
Это объясняется тем, что световой пучок при переходе из одной среды в другую изменяет направление распространения.
Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.
Преломление света вы можете наблюдать, когда опускаете ложку в стакан с чаем, входите в воду в реке или в море.
А каким законам подчиняется преломление света? Чтобы ответить на этот вопрос, проведём такой опыт. В центре оптического диска закрепим тонкую стеклянную пластинку и направим на неё узкий пучок света.
Часть света отразиться от пластинки, а часть света проникает через пластинку. Этот луч света называется преломлённым лучом.
Угол между перпендикуляром, восставленным к границе раздела двух сред в точке падения луча, и преломлённым лучом называется углом преломления.
Сравнив углы падения и преломления, мы видим, что угол преломления меньше угла падения.
Увеличим угол падения — угол преломления тоже увеличивается, но по-прежнему он меньше угла падения.
Если стекло заменить, например, водой и пустить световой луч под тем же углом, что и на стеклянную пластинку, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле, но всё равно меньше угла падения.
Различие углов падения и преломления обусловлено тем, что стекло, вода и воздух имеют разную оптическую плотность.
Не путайте оптическую плотность с плотностью вещества. Есть вещества, у которых плотность меньше, чем плотность воды, например, скипидар. В то же время скипидар оптически более плотный, чем вода. Дело в том, что оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность.
Следовательно, оптическая плотность стекла больше, чем оптическая плотность воздуха, так как скорость распространения света в нём меньше.
Рассмотрим ещё один пример. Стеклянный сосуд, на дне которого находится плоское зеркало, заполним водой, подкрашенной флюоресцирующей жидкостью.
На поверхность воды под некоторым углом к ней направим пучок света. Он изменяет своё направление, поскольку вода — среда оптически более плотная, чем воздух.
Из опыта видно, что при переходе света из воздуха в воду угол падения больше угла преломления, а при переходе из воды в воздух угол падения меньше угла преломления.
На основании проделанных опытов мы можем сделать следующие выводы. Во-первых, если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения. То есть преломлённый луч как бы прижимается к перпендикуляру
Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. То есть преломлённый луч прижимается к границе раздела двух сред. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отражённого лучей, но и для падающего и преломлённого лучей.
И вновь обратимся к опыту. В центре оптического диска закрепим сосуд с водой и направим на него узкий пучок света. Будем менять угол падения света и следить за изменением угла преломления.
При изменении угла падения, угол преломления тоже меняется и соотношение между углами не сохраняется. Однако, если составить отношение синусов углов падения и преломления, то мы увидим, что оно остаётся постоянным:
Таким образом, для любой пары веществ можно записать, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:
Эту величину называют относительным показателем преломления для двух сред. Чем он больше, тем сильнее преломляется свет на границе раздела двух сред.
Мы уже говорили, что преломляющая способность вещества зависит от его оптической плотности, которая, в свою очередь, зависит от скорости распространения света в веществе. Таким образом, относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой по ходу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде:
Если свет падает из вакуума в вещество, то вводится величина, называемая абсолютным показателем преломления. Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше чем в данной среде.
где с = 3 ∙ 108 м/с.
Теперь мы можем сформулировать закон преломления света: лучи, падающий и преломлённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к границе раздела двух сред. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:
Примечательно, что закон преломления света был открыт опытным путём голландским учёным В. Снеллиусом ещё в 1621 г. Однако результаты многочисленных экспериментов по оптике им опубликованы не были. Позже, после смерти учёного, они были обнаружены в архивах Р. Декартом, который использовал их при написании своих «Рассуждений о методе …» в приложении «Диоптрика» в1637 г.
Отметим и то, что когда луч падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, он не испытывает преломления, что можно подтвердить опытом:
Разумеется, что не будет преломления и на границе, разделяющей две среды с одинаковой оптической плотностью, т. е. на границе раздела сред, в которых скорость света одинакова.
Пример решения задач.
Задача. На дне водоёма глубиной 3 м находится источник света. На какой глубине увидит источник света наблюдатель, если он смотрит с лодки вертикально вниз, а показатель преломления воды равен 1,33?
Домашняя работа
стр. 202 — 204
Упр. 47
