Преломление света — Гипермаркет знаний. Отражение и преломление света
Проведение опыта
Каждый из вас, наверное, обращал внимание на то, что в стакане с водой торчащая ложка на границе между водой и воздухом, кажется, что имеет какой-то переломанный вид. Точно такую же картину мы наблюдаем на берегу озера или реки, из водоема которой видна растущая трава. Когда мы на нее смотрим, то у нас создается впечатление, что на границе воды и воздуха эта травинка, как бы отклоняется в сторону. Конечно же, мы прекрасно понимаем, что эти предметы остаются такими же, как и были до того как попали в воду. А вот то, что мы наблюдаем и от чего возникает такой зрительный эффект, то это является преломлением света при его распространении.
Из пройденного материала, который вы уже изучали на предыдущих уроках, вы должны помнить то, что чтобы определить, в какую сторону будет отклоняться луч света при его переходе через границу, которая разделяет две среды, нам необходимо знать, в какой из них скорость света меньше, а в какой больше.
Для большей наглядности мы с вами проведем небольшой опыт. Давайте, например, возьмем оптический диск и в его центр поместим стеклянную пластину. А теперь попробуем направить на эту пластину луч света. И что мы с вами видим? А увидели мы то, что в том месте, где проходит граница воздуха со стеклом свет отражается. Но, кроме того, что свет отразился, мы еще видим, как он проник вовнутрь стекла и при этом еще и изменил направление своего распространения.
А теперь посмотрите, как это показано на рисунке:
А теперь давайте попробуем дать определение этому явлению.
Преломлением света называют такое явление, которое изменяет направления движения светового луча в момент перехода из одной среды в другую.
Давайте опять вернемся к нашему рисунку. На нем мы видим, что АО, обозначает падающий луч, ОВ является отраженным лучом, а ОЕ – это преломленный луч. А что бы произошло, если бы мы взяли и направили луч по направлению ЕО? А произошло вот то, что по закону «обратимости световых лучей», этот луч вышел бы из стекла по направлению ОА.
Из этого следует, что те среды, которые способны пропускать свет, как правило, имеют различную оптическую плотность и разную скорость света. И чтобы вы понимали, что от величины плотности зависит скорость света. То есть, чем большую оптическую плотность имеет среда, тем в ней будет меньшая скорость света и при этом она будет сильнее преломлять свет, который попадает извне.
Как же происходит преломление света?
Впервые такому явлению, как преломление света, в XVII в. дал объяснение патер Меньян. Согласно его утверждениям, следует, что при переходе света из одной среды в другую, его луч изменяет свое направление, которое можно сравнить с движением «солдатского фронта», который во время строевой ходьбы изменяет свое направление. Давайте представим луг, по которому идет колонна солдат, а дальше этот луг преграждается пашней, у которой граница проходит в отношении фронта под углом.
Солдаты, которые дошли до пашни, начинают замедлять свое движение, а те солдаты, которые до этой границы пока не дошли, продолжают свой путь с той же скоростью. А дальше происходит то, что у солдат, которые перешли рубеж и идут по пашне, начинают отставать от побратимов, которые все еще идут по лугу и так постепенно колонна войск начинает разворачивается. Для наглядности этого процесса можно посмотреть на рисунок ниже.
Точно такой же процесс мы наблюдаем и с лучом света. Для того чтобы узнать, в какую сторону будет отклоняться луч света, в момент его перехода границ двух сред, необходимо иметь представление, в какой из них скорость света будет больше, а в какой наоборот меньше.
А так как мы уже имеем представление о том, что свет является электромагнитными волнами, то все то, что мы знаем о скорости распространения электромагнитных волн, также относится и к скорости света.
Следует отметить, что в вакууме скорость света максимальна:
В веществе скорость света, в отличие от вакуума, всегда меньше: v Оптическая плотность среды определяется по тому, как распространяется световой луч в среде. Оптически более плотной будет та среда, которая имеет меньшую скорость света. Среда, у которой скорость света меньше, называется «оптически более плотной»; Если для сравнения оптической плотности взять воздух, стекло и воду, то при сравнении
воздуха и стекла, оптически более плотной средой обладает стекло. Также в сравнении стекла и воды, оптически более плотной средой будет стекло. Из этого опыта мы видим, что при попадании в среду, которая более плотная, луч света отклоняется от того направления, которое он имел вначале и меняет направление в сторону к перпендикуляру, где находится граница раздела двух сред. А после попадания в среду, которая оптически менее плотная, в этом случае луч света отклоняется в обратную сторону. «α» - угол падения, «β» - угол преломления. При помощи закона преломления света, есть возможность расчета хода лучей и для стеклянной треугольной призмы. На рисунке 87 вы можете более подробно проследить за ходом лучей в данной призме: Вы когда-нибудь замечали, что набрав в ванную воду, складывалось впечатление, что там ее меньше, чем на самом деле. В отношении реки, пруда и озера, складывается такая же картина, а вот причиной всего этого как раз и есть такое явление, как преломление света. Но, как вы понимаете, во всех этих процессах активное участие принимают и наши глаза. Вот, например, чтобы мы смогли увидеть какую-то определенную точку «S» на дне водоема, в первую очередь необходимо, чтобы лучи света прошли через эту точку и попали в глаз того человека, который на нее смотрит. А дальше пучок света, пройдя период преломления на границе воды с воздухом уже
будет восприниматься глазом как свет, который идет от кажущегося изображения «S1», но находящегося выше, чем точка «S» на дне водоема. Мнимая глубина водоема «h» составляет приблизительно ¾ его истинной глубины Н.
Такое явление впервые было описано Евклидом. 1. Наведите свои примеры преломления света, которые вам встречались в повседневной жизни. 2. Найдите информацию об опыте Евклида и попробуйте этот опыт повторить. Процессы, которые связаны со светом, являются важной составляющей физики и окружают нас в нашей обыденной жизни повсеместно. Самые важные в данной ситуации являются законы отражения и преломления света, на которых зиждется современная оптика. Преломление света является важной составляющей частью современной науки. Эффект искажения Эта статья расскажет вам, что собой представляет явление преломления света, а также как выглядит закон преломления и что из него вытекает. При падении луча на поверхность, которая разделяется двумя прозрачными веществами, имеющими разную оптическую плотность (к примеру, разные стекла или в воде), часть лучей будет отражена, а часть – проникнет во вторую структуру (например, пойдет распространяться в воде или стекле). При переходе из одной среды в другую для луча характерно изменение своего направления. Это и есть явление преломления света. Эффект искажения в воде Смотря на вещи, находящиеся в воде, они кажутся искаженными. Особенно это сильно заметно на границе между воздухом и водой. Визуально кажется, что подводные предметы слегка отклонены. В описываемом физическом явлении как раз и кроется причина того, что в воде все объекты кажутся искаженными. При попадании лучей на стекло, данный эффект менее заметен. Прохождение луча Этот же показатель характерен и для других сред. Установлено, что данный показатель зависит от плотности вещества. Если падение луча происходит из менее плотной в более плотную структуру, то угол создаваемого искажения будет больше. А если наоборот – то меньше. Для определения этого физического явления и был создан закон преломления. Закон преломления световых потоков позволяет определить характеристики прозрачных веществ. Сам закон состоит из двух положений: Описание закона При этом в момент выхода луча из второй структуры в первую (например, при прохождении светового потока из воздуха, через стекло и обратно в воздух), также будет возникать эффект искажения. Основной показатель в данной ситуации — это соотношение синуса угла падения к аналогичному параметру, но для искажения. Как следует из закона, описанного выше, данный показатель являет собой постоянную величину. Показатели для разных объектов Благодаря этому параметру можно довольно эффективно различать виды стекол, а также разнообразные драгоценные камни. Также он важен для определения скорости перемещения света в различных средах. Обратите внимание! Наивысшая скорость светового потока – в вакууме. При переходе из одного вещества в другие, его скорость будет уменьшаться. К примеру, у алмаза, который обладает самым большим показателем преломляемости, скорость распространения фотонов будет в 2,42 раза выше, чем у воздуха. В воде же они будут распространяться медленнее в 1,33 раза. Для разных видов стекол данный параметр колеблется в диапазоне от 1,4 до 2,2. Обратите внимание! Некоторые стекла имеют показатель преломляемости 2,2, что очень близко к алмазу (2,4). Поэтому не всегда получится отличить стекляшку от реального алмаза. Свет может проникать через разные вещества, которые характеризуются различными показателями оптической плотности. Как мы уже говорили ранее, используя данный закон можно определить характеристику плотности среды (структуры). Чем более плотной она будет, тем с меньшей скоростью в ней будет распространяться свет. Например, стекло или вода будут более оптически плотными, чем воздух. Данный показатель говорит, каким образом изменяется скорость распространения фотонов при переходе из одного вещества в другое. При перемещении светового потока через прозрачные объекты возможна его поляризация. Она наблюдается при прохождении светового потока от диэлектрических изотропных сред. Поляризация возникает при прохождении фотонов через стекло. Эффект поляризации Частичная поляризация наблюдается, когда угол падения светового потока на границе двух диэлектриков будет отличаться от нуля.
Степень поляризации зависит от того, каковы были углы падения (закон Брюстера). Завершая наш небольшой экскурс, еще необходимо рассмотреть такой эффект, как полноценное внутреннее отражение. Явление полноценного отображения Для появления данного эффекта необходимо увеличение угла падения светового потока в момент его перехода из более плотного в менее плотную среду в границе раздела между веществами. В ситуации, когда данный параметр будет превосходить определенное предельное значение, тогда фотоны, падающие на границу этого раздела будут полностью отражаться. Собственно это и будет наше искомое явление. Без него невозможно было сделать волоконную оптику.
Практическое применение особенностей поведения светового потока дали очень многое, создав разнообразные технические приспособления для улучшения нашей жизни. При этом свет открыл перед человечеством далеко не все свои возможности и его практический потенциал еще полностью не реализован.
Без сомнения, вы
знаете, как герои романа Жюля Верна "Таинственный остров”, заброшенные на
необитаемую землю, добыли огонь без спичек и огнива. Робинзону явилась на
помощь молния, зажегшая дерево, новым же Робинзонам Жюля Верна помогла не
случайность, а находчивость сведущего инженера и твердое знание им законов
физики. Помните, как удивился наивный моряк Пенкроф, когда, возвратившись с
охоты, нашел инженера и журналиста перед пылающим костром.
Следует заметить, однако, что
зажигательное действие водяных линз значительно слабее, чем стеклянных. Это
связано, во-первых, с тем, что преломление света в воде гораздо меньше, чем в
стекле, во-вторых, вода в сильной степени поглощает инфракрасные лучи, которые
играют большую роль в нагревании тел.
Материалом для
двояковыпуклой линзы, а следовательно, и для добывания огня, может послужить
также лед, если он достаточно прозрачен. При этом лед, преломляя лучи, сам не
нагревается и не тает. Показатель преломления льда лишь немногим меньше, чем у
воды, и если, как мы видели, можно добыть огонь с помощью шара, наполненного
водой, то возможно сделать это и с помощью чечевицы из льда.
Рис 113. "Доктор
сосредоточил лучи Солнца на труте”.
Рис. 114. Чашка для
изготовления ледяной чечевицы.
Проделайте еще опыт,
тоже легко выполнимый в зимнее время. Положите на снег, заливаемый солнечным
светом, два одинаковой величины лоскутка ткани, светлый и черный. Через час или
два вы убедитесь, что черный лоскуток погрузился в снег, между тем как светлый
остался на прежнем уровне. Доискаться причины подобного различия нетрудно: под
черным лоскутком снег тает сильнее, так как темная ткань поглощает большую
часть падающих на нее солнечных лучей; светлая же, напротив, большую часть их
рассеивает и потому слабее нагревается, нежели черная.
Вероятно, всем
известно, в чем заключается физическая причина обыкновенного миража.
Раскаленный зноем песок пустыни приобретает зеркальные свойства оттого, что
прилегающий к нему нагретый слой воздуха имеет меньшую плотность, нежели
вышележащие слои. Наклонный луч света от весьма далекого предмета, достигнув
этого воздушного слоя, искривляет в нем свой путь так, что в дальнейшем
следовании он вновь удаляется от земли и попадает в глаз наблюдателя, словно
отразившись от зеркала под очень большим углом падения. И наблюдателю кажется,
что перед ним расстилается в пустыне водная гладь, отражающая прибрежные
предметы (рис. 115).
Рис. 115. Как возникает
мираж в пустыне. Этот рисунок, обычно воспроизводимый в учебниках, представляет
путь светового луча наклоненным к земле преувеличенно круто.
Рис. 116. Мираж на
гудронированном шоссе.
Рис. 117. План форта,
где наблюдался мираж. Стена F казалась зеркальной из точки A, стена F" – из
точки А"
Рис. 118. Серая
неровная стена (слева) внезапно делается словно полированной, отражающей
(справа).
"Наблюдали ли вы
когда-нибудь Солнце, заходящее за горизонт моря? Да, без сомнения. Проследили
ли вы за ним до того момента, когда верхний край диска соприкасается с линией
горизонта и затем исчезает? Вероятно, да. Но заметили ли вы явление,
происходящее в то мгновение, когда лучезарное светило бросает последний свой
луч, если при этом небо свободно от облаков и совершенно прозрачно? Быть может,
нет. Не пропускайте же случая сделать подобное наблюдение: в ваш глаз ударит не
красный луч, а зеленый, дивного зеленого цвета, такого, какого ни один художник
не может получить на своей палитре и какого не воспроизводит сама природа ни в
разнообразных оттенках растительности, ни в цвете самого прозрачного моря”.
Вы поймете причину
явления, если вспомните, в каком виде представляются нам предметы, когда мы
смотрим на них сквозь стеклянную призму. Проделайте такой опыт: держите призму
у глаза горизонтально широкой стороной вниз и рассматривайте через нее листок
бумаги, приколотый на стене. Вы заметите, что листок, во-первых, поднялся
значительно выше своего истинного положения, а во-вторых, имеет вверху
фиолетово-синюю кайму, внизу – желто-красную. Поднятие зависит от преломления
света, цветные каемки – от
дисперсии
стекла, т. е. свойства
стекла
неодинаково
преломлять лучи разного
цвета.
Фиолетовые и синие лучи преломляются сильней прочих, поэтому мы видим
вверху фиолетово-синюю кайму; красные преломляются всего слабее, и потому
нижний край нашего бумажного листка имеет красную кайму.
Рис. 119. Длительное
наблюдение "зеленого луча”; наблюдатель видел "зеленый луч” за горным хребтом в
течение 5 минут. Выше справа – "зеленый луч”, видимый в подзорную трубу. Диск
Солнца имеет неправильные контуры. В положении 1 блеск солнечного диска
ослепляет глаз и мешает видеть зеленую каемку простым глазом. В положении 2,
когда диск Солнца почти исчезает, "зеленый луч” становится доступным простому
глазу.
Рассмотрим, как меняется направление луча при переходе его из воздуха в воду. В воде скорость света меньше, чем в воздухе. Среда, в которой скорость распространения света меньше, является оптически более плотной средой. Таким образом, оптическая плотность среды характеризуется различной скоростью распространения света
. Это значит, что скорость распространения света больше в оптически менее плотной среде. Например, в вакууме скорость света равна 300 000 км/с, а в стекле - 200 000 км/с. Когда световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды с разной оптической плотностью, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе сред (рис. 144). Это явление называется преломлением света
. Рис. 144. Преломление света при переходе луча из воздуха в воду
Рассмотрим преломление света подробнее. На рисунке 145 показаны: падающий луч
АО, преломлённый луч
ОВ и перпендикуляр к поверхности раздела двух сред, проведённый в точку падения О. Угол АОС - угол падения (α)
, угол DOB - угол преломления (γ)
. Рис. 145. Схема преломления луча света при переходе из воздуха в воду
Луч света при переходе из воздуха в воду меняет своё направление, приближаясь к перпендикуляру CD. Вода - среда оптически более плотная, чем воздух. Если воду заменить какой-либо иной прозрачной средой, оптически более плотной, чем воздух, то преломлённый луч также будет приближаться к перпендикуляру. Поэтому можно сказать, что если свет идёт из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения (см. рис. 145): Луч света, направленный перпендикулярно к границе раздела двух сред, проходит из одной среды в другую без преломления. При изменении угла падения меняется и угол преломления. Чем больше угол падения, тем больше угол преломления (рис. 146). При этом отношение между углами не сохраняется. Если составить отношение синусов углов падения и преломления, то оно остаётся постоянным. Рис. 146. Зависимость угла преломления от угла падения
Для любой пары веществ с различной оптической плотностью можно написать: где n - постоянная величина, не зависящая от угла падения. Она называется показателем преломления
для двух сред. Чем больше показатель преломления, тем сильнее преломляется луч при переходе из одной среды в другую. Таким образом, преломление света происходит по следующему закону: лучи падающий, преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред: В атмосфере Земли происходит преломление света, поэтому мы видим звёзды и Солнце выше их истинного расположения на небе. Изменение направления распространения оптического излучения (с в е т а) при его прохождении через границу раздела двух сред. На протяжённой плоской границе раздела однородных изотропных прозрачных (непоглощающих) сред с преломления показателями n1 и n2 П. С. определяется . двумя закономерностями: преломлённый лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль (перпендикуляр) к поверхности раздела; углы падения j и преломления c (рис.) связаныn Снелля законом преломления: n1sinj=n2sinc.
Ход лучей света при преломлении на плоской поверхности, разделяющей две прозрачные среды. Пунктиром обозначен отражённый луч. Угол преломления % больше угла падения j; это указывает, что в данном случае происходит преломление из оптически более плотной первой среды в оптически менее плотную вторую (n1>n2). n - нормаль к поверхности раздела. П. с. сопровождается и отражением света; при этом сумма энергий преломлённого и отражённого пучков лучей (количеств. выражения для них следуют из Френеля формул) равна энергии падающего пучка. Их относит. интенсивности зависят от угла падения, значений n1 и n2 и поляризации света в падающем пучке. При н о р м а л ь н о м п а д е н и и отношение ср. энергий преломлённой и упавшей световых волн равно 4n1n2/(n1+n2)2; в существенном частном случае прохождения света из воздуха (n1 с большой точностью=1) в стекло с n2=1,5 оно составляет 96%. Если n2 энергия, принесённая на границу раздела падающей световой волной, уносится отражённой волной (явление полного внутреннего отражения).
При любых j, кроме j=0, П. с. сопровождается изменением поляризации света (наиболее сильным при т. н. угле Брюстера j=arctg(n2/n1), (см. БРЮСТЕРА ЗАКОН), что используют для получения линейно-поляризованного света (см. В ОПТИКЕ). Зависимость П. с. от поляризации падающих лучей наглядно проявляется при двойном лучепреломлении в оптически анизотропных средах. В поглощающих средах П. с. можно строго описать, формально используя те же выражения, что и для непоглощающих сред, но рассматривая n как комплексную величину (мнимая часть к-рой характеризует средой; (см. МЕТАЛЛООПТИКА). c при этом становится также комплексным и теряет простой смысл угла преломления, какой он имеет для непоглощающих сред. В общем случае n среды зависит от длины l света (дисперсия света); поэтому при преломлении немонохроматич. света составляющие его лучи с разл. l идут по разным направлениям. На законах П. с. основано устройство линз и мн. оптич. приборов, служащих для изменения направления световых лучей и получения изображений оптических. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия
.
.
1983
. Изменение направления распространения световой волны (светового луча) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. На плоской границе раздела двух однородных изотропных сред с абс. преломления показателями
и
П. с. определяется след. законами: падающий, отражённый и преломлённый лучи и нормаль к границе раздела в точке падения лежат в одной плоскости (плоскости падения); углы падения и преломления (рис. 1), образованные соответствующими лучами с нормалью, и показатели преломления сред и связаны для монохроматич. света Снелля законом
преломления Рис. 1. Преломление света на границе раздела двух сред с n 1
и стрелками показано расположение компонент электрического вектора в плоскости падения, кружками с точкой - перпендикулярно плоскости падения. Обычно П. с. сопровождается отражением света от той же границы. Для непоглощающих (прозрачных) сред полная энергия светового потока преломлённой волны равна разности энергий потоков падающей и отражённой волн (закон сохранения энергии). Отношение интенсивностей светового потока преломлённой волны к падающей - коэф. пропускания границы раздела сред - зависит от поляризации света падающей волны, угла падения и показателей преломления и Строгое определение интенсивности преломлённой (и отражённой) волны может быть получено из решения ур-ний Максвелла с соответствующими граничными условиями для элект-рич. и магн. векторов световой волны и выражается Френеля формулами.
Если электрич. вектор падающей и преломлённой волн разложить на две (лежащую в плоскости падения) и (перпендикулярную к ней), ф-лы Френеля для коэф. пропускания соответствующих компонент имеют вид Зависимость величин и от приведена на рис. 2. Из выражений (*) и рис. 2 следует, что для всех углов падения кроме частного случая нормального падения Это означает, что для всех (кроме = 0) происходит преломлённого света. Если на границу раздела падает естественный (не поляризованный) , для к-рого то в преломлённой волне т. е. свет будет частично поляризованным. Наиб. значит. преломлённой волны происходит при падении под углом Брюстера = Рис. 2. Зависимость коэффициентов пропускания и для волн различной поляризации от угла падения при преломлении на границе ( =1) - стекло (с показателем преломления = 1,52); - для падающего неполяризованного света. Если свет падает из среды оптически менее плотной в более плотную (), то и преломлённый луч существует при всех значениях угла от О до Если свет падает из среды оптически более плотной в менее плотную то и преломлённая волна существует лишь в пределах угла падения от = 0 до = arcsin. При углах падения > arcsinП. с. не происходит, существует только отраженная волна - явление полного внутреннего отражения.
В оптически анизотропных средах в общем случае образуются две преломлённые световые волны с взаимно перпендикулярной поляризацией (см. Кристаллооптика).
Формально законы П. с. для прозрачных сред могут быть распространены и на поглощающие среды, если рассматривать для таких сред как комплексную величину где к - показатель поглощения. В случае металлов, обладающих сильным поглощением (и большим коэф. отражения), идущая внутрь металла волна поглощается в тонком приповерхностном слое и понятие проломленной волны теряет смысл (см. Металлооптика).
Поскольку показатель преломления сред зависит от длины волны света l (см. Дисперсия света),
то в случае падения на границу раздела прозрачных сред немоно-хроматич. света преломлённные лучи разл. длин волн идут по разл. направлениям что используется в дисперсионных призмах. На П. с. на выпуклых, вогнутых и плоских поверхностях прозрачных сред основано линз, служащих для получения изображений оптических,
дисперсионных призм и др. оптич. элементов. Если показатель преломления изменяется непрерывно (напр., в атмосфере с высотой), то при распространении светового луча в такой среде также происходит непрерывное изменение направления распространения - луч искривляется в сторону большего значения показателя преломления (см. Рефракция света
в атмосфере), но при этом отражения света не происходит. Под действием излучения большой интенсивности, создаваемого мощными лазерами, среда становится нелинейной. Индуцированные в молекулах среды под действием сильного электрич. поля световой волны диполи вследствие ангармоничности колебаний электронов молекул излучают в среде вторичные волны не только на частоте падающего излучения, но также волны с удвоенной частотой - гармоники - 2 (и более высокие гармоники 3, ...). С молекулярной точки зрения интерференция этих вторичных волн приводит к образованию в среде результирующих преломлённых волн с частотой (как в линейной оптике) (см. Гюйгенса
- Френеля принцип),
а также с частотой
, к-рым соответствуют макроскопич. показатели преломления и Вследствие дисперсии среды Лит.:
Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Сивухин Д. В., Общий курс физики, 2 изд., [т. 4] - Оптика, М., 1985. В. И. Малышев.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия
.
Главный редактор А. М. Прохоров
.
1988
. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА, изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред. Угол падения j и угол преломления c связаны соотношением: sinj/sinc=n2/n1=v1/v2, где n1 и n2 показатели преломления сред,… … Современная энциклопедия
Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред. угол падения и угол преломления связаны соотношением: где n1 и n2 показатели преломления сред, v1 и v2 скорости света в 1 й и 2 й средах … Большой Энциклопедический словарь
преломление света
- рефракция Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред или в среде с переменным от точки к точке коэффициентом преломления. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия… … Справочник технического переводчика
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… … Большая медицинская энциклопедия
Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред. Угол падения (и отражения) φ и угол преломления χ связаны соотношением: , где n1 и n2 показатели преломления сред, v1 и v2 скорости света… … Энциклопедический словарь
Изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред. Угол падения (и отражения) ф и угол преломления х связаны соотношением: где п1 и n2 показатели преломления сред, v1 и v2 скорости света в 1 й… … Естествознание. Энциклопедический словарь
преломление света
- šviesos lūžimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Šviesos bangų sklidimo krypties kitimas nevienalytėje aplinkoje. atitikmenys: angl. refraction of light vok. Lichtbrechung, f rus. преломление света, n pranc. réfraction… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Оптическая плотность среды
Среда, в которой скорость света больше, носит название «оптически менее плотной».
Угол преломления
Преломление света в треугольной призме
Преломление света в глазу
Домашнее задание
Основы физического явления
Особенно хорошо отражение и преломление света видно в воде.
Преломление света представляет собой физическое явление, которое характеризуется изменением направления движения солнечного луча в момент перемещения из одной среды (структуры) в другую.
Для улучшения понимания данного процесса, рассмотрим пример попадания луча из воздуха в воду (аналогично для стекла). При проведении перпендикуляра вдоль границы раздела можно измерить угол преломления и возвращения светового луча. Данный показатель (угол преломления) будет изменяться при проникновении потока в воду (внутрь стекла).
Обратите внимание! Под данным параметром понимается угол, который образует перпендикуляр, проведенный к разделу двух веществ при проникновении луча из первой структуры во вторую.
При этом изменение наклона падения также скажется и на данном показателе. Но отношение между ними не остается постоянным. В то же время, отношение их синусов останется постоянной величиной, которую отображает следующая формула: sinα / sinγ = n, где:Физический закон
Важный параметр для разных объектов
При этом при изменении значения наклона падения, такая же ситуация будет характерна и для аналогичного показателя. Данный параметр имеет большое значение, поскольку является неотъемлемой характеристикой прозрачных веществ.
Оптическая плотность веществ
Кроме того, что данный параметр является постоянной величиной, он еще и отражает отношение скорости света в двух веществах. Физический смысл можно отобразить в виде следующей формулы:Еще один важный показатель
Полноценное внутреннее отражение
Заключение
Как сделать бумажный светильник своими руками
Как проверить работоспособность светодиодной ленты
" – Но кто же зажег огонь? – спросил
моряк.
– Солнце, – ответил Спилетт.
Журналист не шутил. Действительно, Солнце доставило
огонь, которым так восторгался моряк. Он не верил своим глазам и был до того
изумлен, что даже не мог расспрашивать инженера.
– Значит, у вас было зажигательное стекло? –
спросил инженера Герберт.
– Нет, но я его
изготовил.
И он его показал. Это были просто два
стекла, снятые инженером со своих часов и часов Спилетта. Он соединил их края
глиной, предварительно наполнив водой, и таким образом получилась настоящая
зажигательная чечевица, с помощью которой, сосредоточив солнечные лучи на сухом
мхе, инженер добыл огонь”.
Читатель пожелает, я
думаю, узнать, зачем нужно заполнять водой пространство между часовыми
стеклами: разве наполненная воздухом двояковыпуклая чечевица не сосредоточивает
лучей?
Именно нет. Часовое стекло ограничено двумя
параллельными (концентрическими) поверхностями – наружной и внутренней; а
известно из физики, что, проходя через среду, ограниченную такими
поверхностями, лучи почти не изменяют своего направления. Проходя затем через
второе такое же стекло, они и здесь не отклоняются, а следовательно, не
собираются в фокусе. Чтобы сосредоточить лучи в одной точке, необходимо
заполнить пространство между стеклами каким-нибудь прозрачным веществом,
которое преломляло бы лучи сильнее, нежели воздух. Так и поступил инженер в
романе Жюля Верна.
Обыкновенный графин с водой,
если имеет шарообразную форму, также может служить зажигательной чечевицей. Это
знали уже древние, которые заметили и то, что сама вода при этом остается
холодной. Случалось даже, что стоящий на открытом окне графин с водой зажигал
занавески, скатерть, обугливал стол. Те огромные шаровые бутылки с окрашенной
водой, которые, по старинному обычаю, украшали раньше витрины аптек, могли быть
иногда причиной настоящих катастроф, вызывая возгорание легко воспламеняющихся
веществ, расположенных поблизости.
Небольшой
круглой колбой, наполненной водой, можно даже при небольших размерах колбы
довести до кипения воду, налитую на часовое стеклышко: для этого достаточна
колба сантиметров в 12 диаметром. При 15 см в фокусе [Фокус помещается при этом
весьма близко к колбе] получается температура 120°. Зажечь папироску с помощью
колбы с водой так же легко, как и стеклянной чечевицей, о которой еще Ломоносов
в своем стихотворении "О пользе стекла” писал:
Мы пламень солнечный стеклом здесь получаем
И Прометею тем
безбедно подражаем.
Ругаясь подлости нескладных оных врак,
Небесным без греха огнем курим табак.
Любопытно,
что зажигательное действие стеклянных чечевиц известно было еще древним грекам,
более чем за тысячелетие раньше изобретения очков и зрительных труб. О нем
упоминает Аристофан в знаменитой комедии "Облака”. Сократ предлагает Стрептиаду
задачу:
"Если бы кто писал обязательство на тебя в
пяти талантах, как бы ты уничтожил оное?
Стрептиад.
Нашел я, как истребить обязательство, да такой способ, что ты и сам признаешь
его прехитрым! Видал ты, конечно, в аптеках камень прекрасный, прозрачный,
которым зажигают?
Сократ. Зажигательное
стекло?
Стрептиад. Точно так.
Сократ. Что же далее?
Стрептиад. Пока нотариус пишет, я, став позади его,
направлю лучи Солнца на обязательство, да слова-то все и растоплю…”
Напомню для пояснения, что греки времен Аристофана
писали на навощенных дощечках, которые от тепла легко растапливались.
Как добыть огонь с помощью льда?
Ледяная чечевица сослужила хорошую службу в жюль-верновом
"Путешествии капитана Гаттераса”. Доктор Клоубони таким именно образом зажег
костер, когда путники потеряли огниво и очутились без огня, при страшном морозе
в 48 градусов.
– "Это несчастье, –
сказал Гаттерас доктору.
– Да, – отвечал
тот.
– У нас нет даже подзорной трубы, с
которой мы могли бы снять чечевицу и добыть огня.
– Знаю, – ответил доктор, – и очень жаль,
что нет: солнечные лучи достаточно сильны, чтобы зажечь трут.
– Что делать, придется утолить голод сырой
медвежатиной, – заметил Гаттерас.
– Да, – задумчиво проговорил доктор, – в
крайнем случае. Но отчего бы нам не…
– Что вы
задумали? – полюбопытствовал Гаттерас.
– Мне
пришла в голову мысль…
– Мысль? –
воскликнул боцман. – Если вам пришла мысль, значит, мы спасены!
– Не знаю, как удастся, – колебался
доктор.
– Что же вы придумали? – спросил
Гаттерас.
– У нас нет чечевицы, но мы ее
изготовим.
– Как? – поинтересовался
боцман.
– Отшлифуем из куска льда.
– Неужели вы полагаете…
– Отчего бы и нет? Ведь нужно только, чтобы лучи
Солнца были сведены в одну точку, а для этой цели лед может заменить нам лучший
хрусталь. Только я предпочел бы кусочек пресноводного льда: он крепче и
прозрачнее.
– Вот, если не ошибаюсь, эта
ледяная глыба, – указал боцман на льдину шагах в ста от путешественников –
судя по ее цвету, есть как раз то, что вам надо.
– Вы правы. Возьмите-ка свой топор. Пойдемте друзья
мои.
Все трое направились к указанной ледяной
глыбе Действительно, лед оказался пресноводным.
Доктор велел отрубить кусок льда, имеющий фут в диаметре
и начал обравнивать его топором. Потом отделал его ножом, наконец постепенно
отшлифовал рукою. Получилась прозрачная чечевица, словно из лучшего хрусталя.
Солнце было довольно яркое. Доктор подставил чечевицу его лучам и сосредоточил
их на труте. Через несколько секунд трут загорелся”.
Рассказ Жюля
Верна не совсем фантастичен: опыты зажигания дерева при помощи ледяной
чечевицы, впервые успешно выполненные в Англии с весьма большой чечевицей еще в
1763 г., с тех пор неоднократно производились с полным успехом. Конечно, трудно
изготовить
прозрачную
ледяную чечевицу с помощью таких
орудий, как топор, нож и "просто рука” (при 48-градусном морозе!), но можно
изготовить ледяную чечевицу проще: налить воды в чашку надлежащей формы и
заморозить, а затем, слегка подогрев чашку, вынуть из нее готовую
чечевицу.
Проделывая подобный
опыт, не забывайте, что он удается лишь в ясный морозный день и на открытом
воздухе, но не в комнате за оконным стеклом: стекло поглощает значительную
часть энергии солнечных лучей и остающейся недостаточно, чтобы вызвать
значительное нагревание.
С помощью солнечных
лучей
Поучительный опыт этот впервые проделан был знаменитым
борцом за независимость Соединенных Штатов Веньямином Франклином,
обессмертившим себя, как физик, изобретением громоотвода. "Я взял у портного
несколько квадратных кусочков сукна различных цветов, – писал он. –
Между ними были: черный, темно-синий, светло-синий, зеленый, пурпуровый,
красный, белый и различные другие цвета и оттенки. В одно светлое солнечное
утро я положил все эти куски на снег. Через несколько часов черный кусок,
нагревшийся сильнее других, погрузился так глубоко, что лучи Солнца более его
не достигали; темно-синий погрузился почти настолько же, как и черный;
светло-синий гораздо менее; остальные цвета опустились тем менее, чем они
светлее. Белый же остался на поверхности, т. е. вовсе не опустился”.
"К чему годна была бы теория, если бы из нее нельзя было
извлечь никакой пользы? – восклицает он по этому поводу и продолжает: –
Разве не можем мы из этого опыта вывести то, что черное платье в теплом
солнечном климате менее годно, чем белое, так как оно на солнце сильнее
нагревает наше тело, и если мы при этом еще будем делать движения, которые сами
по себе нас согревают, то образуется излишняя теплота? Не должны ли мужские и
женские летние шляпы быть белого цвета, чтобы устранить ту жару, которая
вызывает у некоторых солнечный удар?… Далее, вычерненные стены не могут разве
поглотить в течение дня столько солнечной теплоты, чтобы ночью остаться до
некоторой степени теплыми и предохранить фрукты от мороза? Не может разве
внимательный наблюдатель натолкнуться еще и на другие частности большей или
меньшей важности?”
Каковы могут быть эти выводы и
полезные применения, показывает пример немецкой южно-полярной экспедиции 1903
г. на корабле "Гаусс”. Судно вмерзло в лед, и все обычные способы освобождения
не привели ни к каким результатам. Взрывчатые вещества и пилы, пущенные в дело,
удалили всего несколько сотен кубометров льда и не освободили корабля. Тогда
обратились к помощи солнечных лучей: из темной золы и угля устроили на льду
полосу в 2 км длины и в десяток метров ширины; она вела от корабля до ближайшей
широкой щели во льду. Стояли ясные долгие дни полярного лета, и солнечные лучи
сделали то, чего не могли сделать динамит и пила. Лед, подтаяв, сломался вдоль
насыпанной полосы, и корабль освободился от льда.
Старое и новое о миражах
Правильнее было бы, впрочем, сказать, что нагретый слой
воздуха близ раскаленной почвы отражает лучи не наподобие зеркала, а наподобие
водной поверхности, рассматриваемой из глубины воды. Здесь происходит не
простое отражение, а то, что на языке физики называется "внутренним
отражением”. Для этого необходимо, чтобы луч света вступал в воздушные слои
очень полого – более полого, чем показано на нашем упрощенном рис. 115; иначе
не будет превзойден "предельный угол” падения луча, а без этого не получается
внутреннего отражения.
Отметим попутно один пункт
этой теории, могущий породить недоразумение. Изложенное объяснение требует
такого расположения воздушных слоев, при котором более плотные слои находились
бы выше, чем менее плотные. Мы знаем, однако, что плотный, тяжелый воздух
стремится опуститься и вытеснить лежащий под ним легкий слой газа вверх. Как же
может существовать то расположение слоев плотного и разреженного воздуха,
которое необходимо для появления миража?
Разгадка кроется в том, что
требуемое расположение воздушных слоев бывает не в неподвижном воздухе, а в
воздухе, находящемся в движении. Нагретый почвой слой воздуха не покоится на
ней, а непрерывно вытесняется вверх и тотчас сменяется новым слоем нагретого
воздуха. Непрерывная смена обусловливает то, что к раскаленному песку всегда
прилегает некоторый слой разреженного воздуха, пусть не одного и того же, но
это уже безразлично для хода лучей.
Тот род
миража, который мы рассматриваем, известен с древности. В современной
метеорологии его называют "нижним” миражем (в отличие от "верхнего”,
порождаемого отражением лучей света слоями разреженного воздуха верхних
областей атмосферы). Большинство людей убеждено, что этот классический мираж
может наблюдаться только в знойном воздухе южных пустынь и не бывает в более
северных широтах.
Между тем нижний мираж нередко
случается наблюдать и в наших краях. Особенно часты подобные явления в летнее
время на асфальтовых и гудронированных дорогах, которые благодаря темному цвету
сильно нагреваются на солнце. Матовая поверхность дороги кажется тогда издали
словно политой водой и отражает отдаленные предметы. Ход лучей света при этом
мираже показан на рис. 116. При некоторой наблюдательности подобные явления
можно видеть не так редко, как принято думать.
Есть и еще род миража – мираж
боковой
, о существовании которого обычно даже не
подозревают. Это – отражение от нагретой отвесной стены. Такой случай описан
одним французским автором. Приближаясь к форту крепости, он заметил, что ровная
бетонная стена форта вдруг заблистала, как зеркало, отражая в себе окружающий
ландшафт, почву, небо. Сделав еще несколько шагов, он заметил ту же перемену и
с другой стеной форта. Казалось, будто серая неровная поверхность внезапно
заменяется полированной. Стоял знойный день, и стены должны были сильно
накалиться, в чем и заключалась разгадка их зеркальности. На рис. 117 показаны
расположение стен форта (F и F") и местоположение наблюдателя (А и А"). Оказалось,
что мираж наблюдается всякий раз, когда стена достаточно нагреется солнечными
лучами, Удалось даже сфотографировать это явление.
На рис. 118 изображена (слева) стена F форта, сначала
матовая, а затем блестящая (справа), как зеркало (снята из точки A"). На левом
снимке – обыкновенный серый бетон, в котором, конечно, не могут отражаться
стоящие близ стены фигуры двух солдат. Направо – та же стена в большей своей
части приобрела зеркальные свойства, и ближайшая фигура солдата дает в ней свое
симметричное изображение. Конечно, отражает лучи тут не сама поверхность стены,
а лишь прилегающий к ней слой нагретого воздуха.
В знойные летние дни следовало бы
обращать внимание на накалившиеся стены больших зданий и искать, не обнаружатся
ли явления миража. Без сомнения, при некотором внимании число замеченных
случаев миража должно заметно участиться.
"Зеленый луч”
Подобная заметка в одной английской газете привела в
восторженное состояние молодую героиню романа Жюля Верна "Зеленый луч” и
побудила ее предпринять ряд путешествий с единственной целью – собственными
глазами увидеть зеленый луч. Юной шотландке не удалось, как повествует
романист, наблюдать это красивое явление природы. Но оно все же существует.
Зеленый луч – не легенда, хотя с ним и связано много легендарного. Это –
явление, которым может восхищаться каждый любитель природы, если будет искать
его с должным терпением.
Почему появляется зеленый луч?
Для лучшего понимания дальнейшего необходимо
остановиться на происхождении этих цветных каемок. Призма разлагает белый свет,
исходящий от бумаги, на все цвета спектра, давая множество цветных изображений
бумажного листка, расположенных, частью налагаясь одно на другое, в порядке
преломляемости. От одновременного действия этих наложенных. друг на друга
цветных изображений глаз получает ощущение белого цвета (сложение спектральных
цветов), но вверху и внизу выступают каемки несмешивающихся цветов. Знаменитый
поэт Гёте, проделавший этот опыт и не понявший его смысла, вообразил, что он
разоблачил таким образом ложность учения Ньютона о цветах, и написал затем
собственную "Науку о цветах”, которая почти всецело основана на превратных
представлениях. Читатель, надо полагать, не повторит заблуждения великого поэта
и не будет ожидать, что призма перекрасит для него все предметы. Земная атмосфера
является для наших глаз как бы огромной воздушной призмой, обращенной
основанием вниз. Глядя на Солнце у горизонта, мы смотрим на него сквозь газовую
призму. Диск Солнца получает вверху каемку синего и зеленого цвета, внизу –
красно-желтую. Пока Солнце стоит выше горизонта, свет диска своей яркостью
перебивает гораздо менее яркие цветные полоски, и мы их не замечаем вовсе. Но в
моменты восхода и захода Солнца, когда почти весь его диск скрыт под
горизонтом, мы можем видеть синюю кайму верхнего края. Она двухцветная: выше
расположена синяя полоска, ниже – голубая, от смешения синих и зеленых лучей.
Когда воздух близ горизонта совершенно чист и прозрачен, мы видим синюю кайму –
"синий луч”. Но чаще синие лучи рассеиваются атмосферой и остается одна зеленая
кайма: явление "зеленого луча”. Наконец, в большинстве случаев рассеиваются
мутной атмосферой также синие и зеленые лучи – тогда не замечается никакой
каемки: Солнце закатывается багровым шаром.
Пулковский астроном Г. А. Тихов, посвятивший "зеленому
лучу” специальное исследование, сообщает некоторые приметы видимости этого
явления. "Если Солнце имеет при закате красный цвет и на него легко смотреть
простым глазом, то можно с уверенностью сказать, что зеленого луча не будет”.
Причина понятна: красный цвет солнечного диска указывает на сильное рассеяние
атмосферой синих и зеленых лучей, т. е. всей верхней каемки диска.
"Наоборот, – про должает астроном, – если Солнце мало изменило свой
обычный беловато-желтый цвет и заходит очень ярким (т. е. если поглощение света
атмосферой невелико. –
Я. П.
), то можно с большой
вероятностью ожидать зеленого луча. Но тут как раз важно, чтобы горизонт
представлял резкую линию, без всяких неровностей, близкого леса, построек и т.
п. Эти условия всего лучше выполняются на море; вот почему зеленый луч так
хорошо известен морякам”.
Итак, чтобы увидеть
"зеленый луч”, нужно наблюдать Солнце в момент заката или восхода при очень
чистом небе. В южных странах небо у горизонта прозрачнее, чем у нас, поэтому
явление "зеленого луча” наблюдается там чаще. Но и у нас оно не так редко, как
думают многие, вероятно под влиянием романа Жюля Верна. Настойчивые поиски
"зеленого луча” рано или поздно вознаграждаются успехом. Случалось улавливать
это красивое явление даже в зрительную трубу. Два эльзасских астронома так
описывают подобное наблюдение:
"…В последнюю
минуту, предшествующую заходу Солнца, когда, следовательно, еще видна заметная
часть его, диск, имеющий волнообразную движущуюся, но резко очерченную границу,
окружен зеленым ободком. Пока Солнце не зашло окончательно, этот ободок не
виден простым глазом. Он становится виден лишь в момент полного исчезновения
Солнца за горизонтом. Если же смотреть в зрительную трубу с достаточно сильным
увеличением (примерно в 100 раз), можно проследить подробно все явления:
зеленая кайма становится заметной самое позднее за 10 минут до захода Солнца;
она ограничивает верхнюю часть диска, тогда как от нижней наблюдается красная
кайма. Ширина каймы, вначале очень малая (всего несколько секунд дуги),
возрастает по мере захождения Солнца; она достигает иногда до полуминуты дуги.
Над зеленым ободком часто наблюдаются зеленые же выступы, которые при
постепенном исчезновении Солнца как бы скользят по его краю до высшей точки;
иногда они отрываются от ободка и светятся несколько секунд отдельно, пока не
погаснут” (рис. 119).
Обычно явление длится секунду-две. Но при
исключительной обстановке продолжительность его заметно удлиняется. Отмечен
случай, когда "зеленый луч” наблюдался более 5 минут! Солнце садилось за
отдаленной горой, и быстро шагавший наблюдатель видел зеленую кайму солнечного
диска, словно скользящего по склону горы (рис. 119).
Очень поучительны случаи наблюдения "зеленого луча” при
восходе
Солнца, когда верхний край светила начинает показываться из-под горизонта. Это
опровергает часто высказываемую догадку, будто "зеленый луч” – оптический
обман, которому поддается глаз, утомленный ярким блеском только что
закатившегося Солнца.
Солнце – не единственное
светило, посылающее "зеленый луч”. Случалось видеть это явление, порождаемое
заходящей Венерой [О миражах и зеленом луче можно узнать из превосходной книги
М. Миннарта "Свет и цвет в природе”. Физматгиз, 1958 г.
Прим.
ред.
].
Вопросы
Упражнение 47
, когда
когда (рис. 2). При этом < 1, а = 1, т. е. преломление поляризов. света с не сопровождается отражением.
и, следовательно, в среде образуются две преломлённые волны с частотами и распространяющиеся по разл. направлениям. При этом интенсивность преломлённой волны на частоте значительно меньше интенсивности на частоте (подробнее см. в ст. Нелинейная оптика).
Смотреть что такое "ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА" в других словарях:
