Как найти направление падающего луча

Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению падающего луча, как того и требует закон.

Закон отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа Ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).

Ключевым моментом в этом законе является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. Для плоской поверхности, например, плоского зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок параллельных лучей света. Если такой пучок отразится от плоской поверхности, все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.

Однако имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные отражения самих себя.

Закону отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио, СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему, например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется всё тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.

Содержание:

Преломление света:

Почему ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам сломанной на границе воздуха и воды? Что такое оптическая плотность среды? Как ведет себя свет, переходя из одной среды в другую? Обо всем этом вы узнаете из этого параграфа.

Опыты по преломлению света

Проведем такой эксперимент. Направим на поверхность воды в широком сосуде узкий пучок света под некоторым углом к поверхности. Мы заметим, что в точках падения лучи не только отражаются от поверхности воды, но и частично проходят в воду, изменяя при этом свое направление (рис. 3.33).

Изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред называют преломлением света.

Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древнегреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом: почему палка в воде кажется сломанной? А в одном из древнегреческих трактатов описан такой опыт: «Нужно встать так, чтобы плоское кольцо, положенное на дно сосуда, спряталось за его краем.

Потом, не изменяя положения глаз, налить в сосуд воду. Луч света преломится на поверхности воды, и кольцо станет видимым». Аналогичный опыт проиллюстрирован на рис. 3.34.

Причина преломления света

Так почему же свет, переходя из одной среды в другую, изменяет свое направление?

Мы уже знаем, что свет в вакууме распространяется хотя и с огромной, но тем не менее конечной скоростью — около 300 000 км/с. В любой другой среде скорость света меньше, чем в вакууме.

Например, в воде скорость све-та в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в алмаз, его скорость уменьшается еще в 1,8 раза; в воздухе скорость распространения света в 2,4 раза больше, чем в алмазе, и лишь немного ( = 1,0003 раза) меньше скорости света в вакууме. Именно изменение скорости света в случае перехода из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления света.

Принято говорить об оптической плотности среды: чем меньше скорость распространения света в среде, тем большей является оптическая плотность среды.

Так, воздух имеет большую оптическую плотность, чем вакуум, поскольку в воздухе скорость света несколько меньше, чем в вакууме. Оптическая плотность воды меньше, чем оптическая плотность алмаза, поскольку скорость света в воде больше, чем в алмазе.

Чем больше отличаются оптические плотности двух сред, тем более преломляется свет на границе их раздела. Другими словами, чем больше изменяется скорость света на границе раздела двух сред, тем сильнее он преломляется.

Закономерности преломления света

Рассмотрим явление преломления света подробнее. Для этого снова воспользуемся оптической шайбой. Установив в центре диска стеклянный полуцилиндр, направим на него узкий пучок света (рис. 3.35). Часть пучка отразится от поверхности полуцилиндра, а часть пройдет сквозь него, изменив свое направление (преломится).

На схеме по правую сторону луч SO задает направление падающего пучка света, луч ОК — направление отраженного пучка, луч ОВ — направление

Рис. 3.36. Установление закономерности преломления света — углы падения, — углы преломления).

В случае увеличения угла падения света увеличивается и угол его преломления. Если свет падает из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью (из воздуха в стекло) (а), то угол падения больше угла преломления. Если наоборот (из стекла в воздух) (б), то угол преломления больше угла падения преломленного пучка; MN — перпендикуляр, восставленный в точке падения луча SO. Все указанные лучи лежат в одной плоскости — в плоскости поверхности диска.

Угол, образованный преломленным лучом и перпендикуляром к границе деления двух сред, восставленным в точке падения луча, называется углом преломления.

Если теперь увеличить угол падения, то мы увидим, что увеличится и угол преломления. Уменьшая угол падения, мы заметим уменьшение угла преломления (рис. 3.36).

Соотношение значений угла падения и угла преломления в случае перехода пучка света из одной среды в другую зависит от оптической плотности каждой из сред. Если, например, свет падает из воздуха в стекло (рис. 3.36, а), то угол преломления всегда будет меньшим, чем угол падения (). Если же луч света направить из стекла в воздух (рис. 3.36, б),

то угол преломления всегда будет большим, чем  угол падения ().

Напомним, что оптическая плотность стекла больше оптической плотности воздуха, и сформулируем закономерности преломления света.

1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Существуют такие соотношения между углом падения и углом преломления

• а)    в случае увеличения угла падения увеличивается и угол преломления
• б)    если луч света переходит из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, то угол преломления будет меньше, чем угол падения
• в)    если луч света переходит из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью, то угол преломления будет большим, чем угол падения.

(Следует отметить, что в старших классах, после изучения курса тригонометрии, вы глубже познакомитесь с преломлением света и узнаете о нем на уровне законов.)
 

Объясняем преломлением света некоторые оптические явления

Когда мы, стоя на берегу водоема, стараемся на глаз определить его глубину, она всегда кажется меньшей, чем есть на самом деле. Это явление объясняется преломлением света (рис. 3.37).

Следствием преломления света в атмосфере Земли является тот факт, что мы видим Солнце и звезды немного выше их реального положения (рис. 3.38). Преломлением света можно объяснить еще много природных явлений: возникновение миражей, радуги и др.

Явление преломления света является основой работы многочисленных оптических устройств (рис. 3.39). С некоторыми из них мы познакомимся в следующих параграфах, с некоторыми — в ходе дальнейшего изучения физики.

Итоги:

Световой пучок, падая на границу раздела двух сред, имеющих разную оптическую плотность, делится на два пучка. Один из них — отраженный — отражается от поверхности, подчиняясь законам отражения света. Второй — преломленный — проходит через границу раздела в другую среду, изменяя свое направление.

Причина преломления света — изменение скорости света в случае перехода из одной среды в другую. Если во время перехода света из одной среды в другую скорость света уменьшилась, то говорят, что свет перешел из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, и наоборот.

Преломление света происходит по определенным законам.

Преломление света

Почему ноги человека, зашедшего в воду, кажутся короче (рис. 250)? Дно бассейна мы видим ближе к поверхности, чем есть в действительности. Ложка в стакане на уровне поверхности воды (рис. 251) кажется переломленной. Как объяснить эти явления?

Когда пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, часть его отражается, а часть переходит в другую среду, изменяя свое направление (рис. 252).

Изменение направления распространения света при переходе его через границу раздела двух сред называется преломлением.

Каким законам подчиняется преломление света?

Рассмотрим опыт. В центре оптического диска закрепим стеклянный полудиск (рис. 253), направим на него узкий пучок света (луч 1). Луч 3 — преломленный луч.

Угол между перпендикуляром, проведенным в точку падения к границе раздела двух сред, и преломленным лучом называется углом преломления.

Сравнив углы (см. рис. 253), мы видим, что угол преломления меньше угла падения

Увеличим угол падения (рис. 254). Угол преломления тоже увеличивается, но он по-прежнему меньше угла падения.

Если стекло заменить водой и пустить световой луч и под тем же углом (рис. 255, а), что и на стеклянный полудиск, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле, но меньше угла падения: Сравним скорости света в воздухе, воде и стекле: т. е. стекло оптически более плотная среда, чем вода, а вода — чем воздух. Следовательно, при переходе луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения.

А если луч переходит из воды в воздух?

Из опыта (рис. 255, б) видно, что угол больше угла Значит, если свет переходит из среды оптически более плотной в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отраженного лучей, но и для падающего и преломленного лучей.

Из результатов проведенных опытов следует.

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точку падения луча к границе раздела двух сред.
2. Угол преломления меньше утла падения при переходе луча из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду. Угол преломления больше угла падения, если луч переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную.

Эти два главных положения выражают суть явления преломления света. Однако, когда луч надает перпендикулярно на границу раздела двух сред он не испытывает преломления, что можно подтвердить опытом (рис. 256).

Главные выводы:

1. При переходе из одной среды в другую световой луч на границе раздела сред в большинстве случаев испытывает преломление (изменяет направление).
2. Луч, падающий перпендикулярно к границе раздела двух сред, не испытывает преломления.
3. Если луч переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, угол преломления меньше угла падения При переходе луча из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления больше угла падения

Преломление света на границе разделения двух сред. Закон преломления света

Еще в древние времена люди утверждали, что палка, опущенная в воду, на границе воздух-вода будто сломана. Вынув из воды, она оказывается целой. Так человек впервые столкнулся с явлением преломления света.

Первым это явление начал изучать древнегреческий естествоиспытатель Клеомед (I в. н. э.). Он установил, что луч света, распространяющийся под углом с менее плотной оптической среды в более плотную, например из воздуха в воду, изменяет свое направление, то есть преломляется. Клеомед говорил, что под определенным углом мы не будем видеть предмет, лежащий на дне сосуда (рис. 135), но если налить в сосуд воды, предмет будет видно.

Таким образом, по мнению Клеомеда, благодаря преломлению лучей можно видеть Солнце, зашедшее за горизонт.

Другой древнегреческий ученый Клавдий Птоломей (II в. н. э.) опытным путем определил величину, характеризующую преломление лучей света при переходе их из воздуха в воду, из воздуха в стекло и из воды в стекло.

Опыт 1. Направим луч света на тонкостенный сосуд с подкрашенной водой, который имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Мы видим, что на границе двух сред луч света изменяет свое направление: отражается и преломляется (рис. 136, а).

Изменение направления распространения света при его переходе через границы разделения двух оптически прозрачных сред называют преломлением света.

Выполним чертеж (рис. 136, б). Опыт показывает, что угол отражения света равен углу падения света а, а при переходе луча из воздуха в воду угол преломления света (гамма) меньше угла падения света а. Кроме того, видим, что падающий и преломленный лучи света лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к поверхности разделения двух сред в точку падения света. При переходе луча света из воды в воздух угол преломления света больше угла падения света .

Этот опыт показывает, что при переходе светового луча с одной среды в другую: падающий и преломленный лучи света лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к плоскости разделения двух сред в точку падения луча света; в зависимости от того, с какой среды в какую переходит луч света, угол преломления луча света может быть больше или меньше угла падения света.

Разные среды по-разному преломляют световые лучи. Например, алмаз преломляет лучи света больше, чем вода или стекло.

Среда, преломляющая свет, должна быть прозрачной, то есть такой, чтобы сквозь нее проходили лучи света.

Световые лучи преломляются, поскольку они распространяются в разных средах (телах) с неодинаковой скоростью. В воздухе скорость распространения света больше, чем в воде, в воде больше, чем в стекле.

Опыт 2. Поместим в сосуд с водой специальный источник света, от которого в разные стороны распространяются лучи света (рис. 137). Луч света, падающий перпендикулярно к границе вода-воздух, не преломляется.

Лучи света, падающие под разными углами к поверхности воды, преломляются по-разному. Но есть лучи света, которые вообще не переходят из воды в воздух, а полностью отражаются от ее поверхности. Явление, когда лучи света не выходят из среды и полностью отражаются внутрь, называют полным внутренним отражением света.

Явление полного внутреннего отражения света используют в специальных приборах — световодах. Световоды (рис. 138) широко применяют для передачи изображений предметов с любого места на любые расстояния.

Пример №1

1.    Какой из углов больше — угол падения или угол преломления, если свет переходит: а) из воды в воздух; б) из воздуха в стекло; в) из воды в стекло?

Ответ: а) угол падения; б) угол падения; в) угол преломления.

Пример №2

2.    В стакан с водой вставили трубку для сока. Как объяснить явление, изображенное на рисунке 145?

Ответ: если смотреть на рисунок, то видим, что трубка для сока кажется сломанной. Это объясняется законами преломления света.

Закон преломления света и показатель преломления

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в которой изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны. Условимся изображать оптические лучи графически с помощью геометрических лучей со стрелками. В геометрической оптике волновая природа света не учитывается.

Уже в начальные периоды оптических исследований были экспериментально установлены четыре основных закона геометрической оптики:

• закон прямолинейного распространения света;
• закон независимости световых лучей;
• закон отражения световых лучей;
• закон преломления световых лучей.

В этих законах использовались понятия световой пучок и световой луч, т. е. предполагалось, что пучок и луч бесконечно тонкие.

Световые пучки получают при пропускании светового излучения, идущего от удаленного источника, через отверстие (диафрагму) в экране I (рис. 52). Эксперименты показывают, что если диаметр D гораздо больше длины световой волны и расстояние l от отверстия до экрана велико по сравнению с размером диафрагмы (l D), то выходящий из диафрагмы пучок является параллельным. Для него на не слишком больших расстояниях l от экрана выполняется неравенство

Если же диаметр диафрагмы или размеры предмета оказываются сравнимы с длиной световой волны, то выходящий световой пучок становится расходящимся, свет проникает в область геометрической тени, происходит дифракция света, т. е. проявляется волновой характер светового излучения. Следует отметить, что дифракция будет наблюдаться на очень больших расстояниях от экрана () даже при диаметре светового отверстия .

Таким образом, луч — это направление, перпендикулярное фронту волны, в котором она переносит энергию.

Лучи, выходящие из одной точки, называют расходящимися, а собирающиеся в одной точке, — сходящимися. Примером расходящихся лучей может служить наблюдаемый свет далеких звезд, а примером сходящихся — совокупность лучей, попадающих в зрачок нашего глаза от различных предметов.

Для изучения свойств световых волн необходимо знать как закономерности их распространения в однородной среде, так и закономерности отражения и преломления на границе раздела двух сред.

Рассмотрим процессы, происходящие при падении плоской световой волны на плоскую поверхность раздела однородных изотропных и прозрачных сред при условии, что размеры поверхности раздела намного больше длины волны падающего излучения.

Пусть на плоскую поверхность раздела LM двух сред падает плоская световая волна, фронт которой АВ (рис. 53). Если угол падения а отличен от нуля, то различные точки фронта АВ волны достигнут границы раздела LM не одновременно.

Согласно принципу Гюйгенса точка которой фронт волны достигнет раньше всего (см. рис. 53), станет источником вторичных волн. Вторичные волны будут распространяться со скоростью v и за промежуток времени  за который точка фронта , достигнет границы раздела двух сред (точки ), вторичные волны из точки пройдут расстояние  Падающая и возникающие вторичные волны распространяются в одной и той же среде, поэтому их скорости одинаковы, и они пройдут одинаковые расстояния

Касательная, проведенная из точки к полуокружности радиусом является огибающей вторичных волн и дает положение фронта волны через промежуток времени . Затем он перемещается в направлении .

Из построения следует, что С учетом определений угла падения и угла отражения находим, что  как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Следовательно, угол отражения равен углу падения ( = ). Таким образом, исходя из волновой теории света на основании принципа Гюйгенса получен закон отражения света.

Рассмотрим, что будет происходить во второй среде (рис. 54), считая, что скорость распространения света в ней меньше, чем в первой (<)-Фронт падающей волны АВ будет перемещаться со скоростью у, по направлению . К моменту времени  когда точка В фронта достигнет границы раздела двух сред (точка ), вторичная волна из точки (согласно принципу Гюйгенса) пройдет расстояние  Фронт волны, распространяющейся во второй среде, можно получить, проводя прямую линию, касательную к полуокружности с центром в точке .

Из построения видно, что как углы с взаимно перпендикулярными сторонами.

Из треугольника находим  и из треугольника — откуда получаем соотношение

Из него следует закон преломления

Вспомним, что абсолютным показателем преломления называется отношение скорости распространения световой волны в вакууме с к ее скорости распространения в данной среде v:

С учетом этого соотношения закон преломления принимает вид:

Таким образом, исходя из волновой теории света, получен закон преломления световых волн:

Можно записать закон преломления и в другом виде:

Для наблюдения явления преломления света достаточно поместить карандаш в стакан с водой и посмотреть на него со стороны — карандаш будет казаться «надломленным» (преломленным) (рис. 55).

Первые упоминания о преломлении света в воде и стекле встречаются в труде Клавдия Птолемея «Оптика», вышедшем в свет во II в. н. э. Закон преломления света был экспериментально установлен в 1620 г. голландским ученым Виллебродом Снеллиусом. Независимо от Снеллиуса закон преломления был также открыт Рене Декартом.

Отметим, что причиной преломления волн, т. е. изменения направления распространения волн на границе раздела двух сред, является изменение скорости распространения электромагнитных волн при переходе излучения из одной среды в другую.

Как следует из закона преломления, при переходе света из оптически более плотной среды I (с большим абсолютным показателем преломления ) (рис. 56) в оптически менее плотную среду II (с меньшим показателем преломления ) угол преломления у становится больше угла падения .

По мере увеличения угла падения при некотором его значении угол преломления станет = 90°, т. е. свет не будет попадать во вторую среду.

Энергия преломленной волны при этом станет равной нулю, а энергия отраженной волны будет равна энергии падающей. Следовательно, начиная с этого угла падения, вся световая энергия отражается от границы раздела этих сред в среду I.

Это явление называется полным отражением (см. рис. 56). Угол , при котором начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения. Он определяется из закона преломления при условии, что угол преломления = 90°:

Таким образом, при углах падения больших преломленная волна отсутствует.

В 1954 г. белорусским физиком, академиком Федором Ивановичем Федоровым было теоретически предсказано новое физическое явление — боковое смещение светового пучка при полном отражении. В 1969 г. французским физиком К- Эмбером оно было подтверждено экспериментально и получило название «сдвиг Федорова». Федоровым был развит новый бескоординатный метод описания оптических свойств кристаллов. На его основе разработана общая теория оптических свойств поглощающих кристаллов.

Полное отражение

Изменение направления распространения луча света при прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в котором изучаются законы распространения оптического излучения на основе представления о световых лучах.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны. Условимся изображать световые лучи графически с помощью геометрических линий со стрелками. В геометрической оптике волновая природа света не учитывается.

Геометрическому лучу на практике соответствует тонкий световой пучок, получаемый при пропускании светового излучения, идущего от удаленного источника, через отверстие (диафрагму) в экране (рис. 69).

Таким образом, следует различать геометрический луч (математическое понятие) и световой пучок (материальный объект), получаемый от источника света.

Уже в начальные периоды оптических исследований были экспериментально установлены четыре основных закона геометрической оптики:

• закон прямолинейного распространения света;
• закон независимости световых лучей;
• закон отражения световых лучей;
• закон преломления световых лучей.

Световой поток можно разделить на отдельные световые пучки, выделяя их при помощи диафрагм. Действие выделенных световых пучков оказывается независимым друг от друга, т. е. эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют одновременно с ним другие пучки или нет.

Световые пучки получают при пропускании светового излучения, идущего от удаленного источника, через отверстие (диафрагму) в экране  (рис. 70). Для того чтобы можно было пренебречь дифракционным расширением пучка, должно выполняться условие:

где  — размер препятствия или отверстия, на котором свет дифрагирует,  — длина световой волны,  — расстояние от препятствия до места наблюдения дифракционной картины.

В этом случае выходящий из диафрагмы пучок будет оставаться неизменным, и он называется параллельным.

Соотношение (1) выполняется, когда длина световой волны стремиться к нулю  Поэтому геометрическая оптика является предельным приближенным случаем волновой оптики.

gtftf Если диаметр диафрагмы или размеры предмета оказываются сравнимы  с длиной световой волны  то выходящий световой пучок становится расходящимся, свет проникает в область геометрической тени, происходит дифракция света, т. е. проявляется волновой характер светового излучения.

Лучи, выходящие из одной точки, называют расходящимися, а собирающиеся в одной точке — сходящимися. Примером расходящихся лучей может служить наблюдаемый свет далеких звезд, а примером сходящихся — совокупность лучей, попадающих в зрачок нашего глаза от различных предметов.

Для изучения свойств световых волн необходимо знать закономерности их распространения в однородной среде, а также закономерности отражения и преломления на границе раздела двух сред.

Рассмотрим падение плоской световой волны на плоскую поверхность раздела однородных изотропных и прозрачных сред при условии, что размеры поверхности раздела намного больше длины волны падающего излучения.

Пусть на плоскую поверхность раздела  двух сред падает плоская световая волна, фронт которой  (рис. 71). Если угол падения  отличен от нуля, то различные точки фронта  волны достигнут границы раздела  не одновременно.

Рассмотрим, что будет происходить во второй среде, считая, что модуль скорости  распространения света в ней меньше, чем в первой  (см. рис. 71).

Фронт падающей волны  будет перемещаться со скоростью, модуль которой  по направлению  К моменту времени (за промежуток времени 

когда точка  фронта достигнет границы раздела двух сред (точка  вторичная волна из точки  (согласно принципу Гюйгенса) пройдет расстояние  Фронт волны, распространяющейся во второй среде, можно получить, проводя прямую линию, касательную к полуокружности с центром в точке 

Из построения видно, что  как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Из  находим: 
Отсюда:

Из этого выражения следует закон преломления:

Напомним, что абсолютным показателем преломления называется отношение модуля скорости распространения световой волны в вакууме с к модулю скорости распространения в данной среде 

С учетом этого соотношения закон преломления принимает вид:

Величина

равная отношению абсолютных показателей преломления  второй и  первой сред, называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. В отличие от абсолютного показателя преломления относительный показатель преломления может быть и меньше единицы, если 

Таким образом, исходя из волновой теории света, получен закон преломления световых волн:

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой;

лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред.

Перепишем закон преломления в следующем виде:

При такой записи закона преломления не надо запоминать абсолютный показатель преломления какой среды стоит в числителе, а какой — в знаменателе.

Необходимо всегда умножать абсолютный показатель преломления на синус угла, относящийся к одной и той же среде.

Для наблюдения явления преломления света достаточно поместить карандаш в стакан с водой и посмотреть на него со стороны — карандаш будет казаться «надломленным» (преломленным) (рис. 72), оставаясь при этом совершенно целым.

Первые упоминания о преломлении света в воде и стекле встречаются в труде Клавдия Птолемея «Оптика», вышедшем в свет во II в. н. э.

Закон преломления света был экспериментально установлен в 1620 г. голландским ученым Виллебродом Снеллиусом. Заметим, что независимо от Снеллиуса закон преломления был также открыт Рене Декартом.

Причиной преломления волн, т. е. изменения направления распространения волн на границе раздела двух сред, является 

изменение модуля скорости распространения электромагнитных волн при переходе излучения из одной среды в другую.

Как следует из закона преломления, при переходе света из оптически более плотной среды 1 (с большим абсолютным показателем преломления  в оптически менее плотную среду II (с меньшим показателем преломления  угол преломления у становится больше угла падения  (рис. 73).

По мере увеличения угла падения, при некотором его значении  угол преломления станет  т. е. свет не будет попадать во вторую среду. Энергия преломленной волны при этом станет равной нулю, а энергия отраженного излучения будет равна энергии падающего. Следовательно, начиная с этого угла падения, вся световая энергия полностью отражается от границы раздела этих сред в среду 

Это явление называется полным отражением света (см. рис. 73). Угол  при котором возникает полное отражение, называется предельным углом полного отражения. Он определяется из закона преломления при условии, что угол преломления: 

Таким образом, преломленная волна отсутствует при углах падения, больших предельного угла  Например, для границы вода  — воздух предельный угол полного отражения  для границы алмаз  — воздух — 

Явление полного отражения используют в волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких световодов (рис. 74), а также в отражательных призмах различных оптических приборов. В волоконно-оптических устройствах, в которых свет распространяется по тонким световодам, стеклянная световедущая жила покрыта слоем вещества с меньшим показателем преломления.

В 2009 г. китайский ученый Чарльз Пао удостоен Нобелевской премии за выдающийся вклад в исследование световодов для оптической связи. В 1954 г. белорусским физиком, академиком Федором Ивановичем Федоровым было теоретически предсказано новое физическое явление — поперечное смещение (перпендикулярно плоскости падения) светового пучка при его полном отражении. Это смещение меньше длины волны, и для его наблюдения световой пучок должен быть ограниченным в поперечном направлении. В 1969 г. французским физиком К. Эмбером оно было подтверждено экспериментально и получило название «сдвиг Федорова».

• Заказать решение задач по физике

Пример №3

Определите угол падения  луча на стеклянную пластинку с показателем преломления  если между отраженным и преломленным лучами угол 

Дано: 

Решение

Из закона преломления находим:

Из геометрического построения (рис. 75) следует, что углы отражения и преломления связаны соотношением: 

Отсюда: 

Подставляем найденный угол  в формулу закона преломления и с учетом закона отражения  определяем искомый угол падения:

 Отсюда

Ответ: 

Преломление света на границе раздела двух сред

В одном из древнегреческих трактатов описан опыт: «Надо встать так, чтобы плоское кольцо, расположенное на дне сосуда, спряталось за его краем. Затем, не меняя положения глаз, налить в сосуд воду. Свет преломится на поверхности воды, и кольцо станет видимым». Такой «фокус» вы можете показать своим друзьям и сейчас (см. рис. 12.1), а вот объяснить его сможете только после изучения данного параграфа.

Рис. 12.1. «Фокус» с монетой. Если в чашке нет воды, мы не видим монету, лежащую на ее дне (а); если же налить воду, дно чашки будто поднимется и монета станет видимой (б)

Законы преломления света

Направим узкий пучок света на плоскую поверхность прозрачного стеклянного полуцилиндра, закрепленного на оптической шайбе. Свет не только отразится от поверхности полуцилиндра, но и частично пройдет сквозь стекло. Это означает, что при переходе из воздуха в стекло направление распространения света изменяется (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Наблюдение преломления света при его переходе из воздуха в стекло: — угол падения; — угол отражения; — угол преломления

Изменение направления распространения света на границе раздела двух сред называют преломлением света.

Угол (гамма), который образован преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, проведенным через точку падения луча, называют углом преломления.

Проведя ряд опытов с оптической шайбой, заметим, что с увеличением угла падения угол преломления тоже увеличивается, а с уменьшением угла падения угол преломления уменьшается (рис. 12.3). Если же свет падает перпендикулярно границе раздела двух сред (угол падения направление распространения света не изменяется.

Рис. 12.3. Установление законов преломления света: при уменьшении угла падения угол преломления тоже уменьшается при этом

Первое упоминание о преломлении света можно найти в трудах древнегреческого философа Аристотеля (IV в. до н. э.), который задавался вопросом: «Почему палка в воде кажется сломанной?» А вот закон, количественно описывающий преломление света, был установлен только в 1621 г. голландским ученым Виллебрордом Снеллиусом (1580-1626).

Законы преломления света:

1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, проведенный через точку падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред является неизменной величиной:

где — физическая величина, которую называют относительным показателем преломления среды 2 (среды, в которой свет распространяется после преломления) относительно среды 1 (среды, из которой свет падает).

Причина преломления света

Так почему свет, переходя из одной среды в другую, изменяет свое направление?

Дело в том, что в разных средах свет распространяется с разной скоростью, но всегда медленнее, чем в вакууме. Например, в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в стекло, его скорость уменьшается еще в 1,3 раза; в воздухе скорость распространения света в 1,7 раза больше, чем в стекле, и лишь немного меньше (примерно в 1,0003 раза), чем в вакууме.

Именно изменение скорости распространения света при переходе из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления света.

Принято говорить об оптической плотности среды: чем меньше скорость распространения света в среде (чем больше показатель преломления), тем больше оптическая плотность среды.

Физический смысл показателя преломления

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в среде 1 больше (или меньше) скорости распространения света в среде 2:

Вспомнив второй закон преломления света: имеем:

Проанализировав последнюю формулу, делаем выводы:

1. чем больше на границе раздела двух сред изменяется скорость распространения света, тем больше свет преломляется;
2. если луч света переходит в среду с большей оптической плотностью (то есть скорость света уменьшается: то угол преломления меньше угла падения: (см., например, рис. 12.2, 12.3);
3. если луч света переходит в среду с меньшей оптической плотностью (то есть скорость света увеличивается: то угол преломления больше угла падения: (рис. 12.4).

Обычно скорость распространения света в среде сравнивают со скоростью его распространения в вакууме. Когда свет попадает в среду из вакуума, показатель преломления называют абсолютным показателем преломления.

Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость

распространения света в среде меньше, чем в вакууме:

где — скорость распространения света в вакууме — скорость распространения света в среде.

Рис. 12.4. При переходе света из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью угол преломления больше угла падения

Скорость распространения света в вакууме больше, чем в любой среде, поэтому абсолютный показатель преломления всегда больше единицы (см. таблицу).

Обратите внимание: поэтому, рассматривая переход света из воздуха в среду, будем считать, что относительный показатель преломления среды равен абсолютному.

Явление преломления света используется в работе многих оптических устройств. О некоторых из них вы узнаете позже.

Явление полного внутреннего отражения света

Рассмотрим случай, когда свет переходит из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью (рис. 12.5). Видим, что при увеличении угла падения угол преломления приближается к 90°, яркость преломленного пучка уменьшается, а яркость отраженного, наоборот, увеличивается. Понятно, что если и дальше увеличивать угол падения, то угол преломления достигнет 90°, преломленный пучок исчезнет, а падающий пучок полностью (без потерь энергии) вернется в первую среду — свет полностью отразится.

Рис. 12.5. Если свет попадает из стекла в воздух, то при увеличении угла падения угол преломления приближается к 90°, а яркость преломленного пучка уменьшается

Явление, при котором преломление света отсутствует (свет полностью отражается от среды с меньшей оптической плотностью), называют полным внутренним отражением света.

Явление полного внутреннего отражения света хорошо знакомо тем, кто плавал под водой с открытыми глазами (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Наблюдателю, находящемуся под водой, часть поверхности воды кажется блестящей, будто зеркало

Ювелиры много веков используют явление полного внутреннего отражения, чтобы повысить привлекательность драгоценных камней. Естественные камни огранивают — придают им форму многогранников: грани камня выполняют роль «внутренних зеркал», и камень «играет» в лучах падающего на него света.

Полное внутреннее отражение широко используют в оптической технике (рис. 12.7). Но главное применение этого явления связано с волоконной оптикой. Если в торец сплошной тонкой «стеклянной» трубки направить пучок света, после многократного отражения свет выйдет на ее противоположном конце независимо от того, какой будет трубка — изогнутой или прямой. Такую трубку называют световодом (рис. 12.8).

Рис. 12.7. Во многих оптических приборах направление распространения света изменяют с помощью призм полного отражения: а — призма поворачивает изображение; б — призма переворачивает изображение

Рис. 12.8. Распространение светового пучка в световоде

Световоды применяют в медицине для исследования внутренних органов (эндоскопия); в технике, в частности для выявления неисправностей внутри двигателей без их разборки; для освещения солнечным светом закрытых помещений и т. п. (рис. 12.9).

Рис. 12.9. Декоративный светильник со световодами

Но чаще всего световоды используют в качестве кабелей для передачи информации (рис. 12.10). «Стеклянный кабель» намного дешевле и легче медного, он практически не изменяет свои свойства под воздействием окружающей среды, позволяет передавать сигналы на большие расстояния без усиления. Сегодня волоконно-оптические линии связи стремительно вытесняют традиционные. Когда вы будете смотреть телевизор или пользоваться Интернетом, вспомните, что значительную часть своего пути сигнал проходит по «стеклянной дороге».

Рис. 12.10. Оптоволоконный кабель

Пример №4

Световой луч переходит из среды 1 в среду 2 (рис. 12.11, а). Скорость распространения света в среде 1 равна Определите абсолютный показатель преломления среды 2 и скорость распространения света в среде 2.

Рис. 12.11. К задаче

Анализ физической проблемы

Из рис. 12.11, а видим, что на границе раздела двух сред свет преломляется, значит, скорость его распространения изменяется.

Выполним пояснительный рисунок (рис. 12.11, б), на котором:

1) изобразим лучи, приведенные в условии задачи; 2) проведем через точку падения луча перпендикуляр к границе раздела двух сред; 3) обозначим угол падения и — угол преломления.

Абсолютный показатель преломления — это показатель преломления относительно вакуума. Поэтому для решения задачи следует вспомнить значение скорости распространения света в вакууме и найти скорость распространения света в среде

Чтобы найти определим синус угла падения и синус угла преломления.

Дано:

Найти:

Поиск математической модели, решение

По определению абсолютного показателя преломления:

Поскольку то

Из рис. 12.11, б видим, что где радиус окружности. Найдем значения искомых величин:

Анализ решения. По условию задачи угол падения больше угла преломления, и это значит, что скорость света в среде 2 меньше скорости света в среде 1. Следовательно, полученные результаты реальны.

Ответ:

Подводим итоги:

Световой пучок, падая на границу раздела двух сред, разделяется на два пучка. Один из них — отраженный — отражается от поверхности, подчиняясь законам отражения света. Второй — преломленный — проходит во вторую среду, изменяя свое направление.

Законы преломления света:

1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, проведенный через точку падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Для двух данных сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления является неизменной величиной:

Причина преломления света — изменение скорости его распространения при переходе из одной среды в другую. Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в среде 1 больше (или меньше), чем скорость распространения света в среде 2:

Когда свет попадает в среду из вакуума, показатель преломления называют абсолютным показателем преломления:

Если при переходе света из среды 1 в среду 2 скорость распространения света уменьшилась (то есть показатель преломления среды 2 больше показателя преломления среды 1: то говорят, что свет перешел из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью (и наоборот).

Содержание:

1. Отражение и преломление света
2. Световой луч и световой пучок
3. Явления, происходящие при падении света на тела
4. Законы отражения света
5. Диффузное и зеркальное отражения
6. Плоское зеркало
7. Вогнутое сферическое зеркало
8. Фокус вогнутого сферического зеркала
9. Построение изображений в вогнутом зеркале
10. Применение вогнутых зеркал
11. Выпуклое зеркало
12. Законы преломления света
13. Полное отражение света
14. Изменение светового потока при отражении и преломлении
15. Прохождение света через прозрачную пластинку с параллельными гранями
16. Прохождение света через прозрачную треугольную призму
17. Линзы
18. Фокус линзы
19. Оптическая сила линзы
20. Изображение точки в собирающей линзе
21. Изображение предметов в собирающей линзе
22. Формула линзы
23. Двояковогнутая линза
24. Отражение и преломление света и его определение
25. Оптические явления на границе раздела двух прозрачных сред
26. Законы отражения света
27. Зеркальное и диффузное отражение. Плоское зеркало
28. Сферические зеркала
29. Построение изображений, получаемых с помощью сферических зеркал. Формула сферического зеркала
30. Законы преломления света
31. Абсолютный показатель преломления и его связь с относительным показателем преломления
32. Полное отражение света. Предельный угол
33. Прохождение света через пластинку с параллельными гранями и через трехгранную призму. Призма с полным отражением

Преломление света – явление изменения направления распространения света при прохождении через границу раздела сред с разными оптическими свойствами. Закон прямолинейного распространения света: в однородной оптической среде свет распространяется прямолинейно. Закон отражения света: луч падающий, луч отражённый и нормаль к отражающей поверхности в точке падения лежат в одной плоскости.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Отражение и преломление света

Отражение света — это изменение направления световой волны при падении на границу раздела двух сред, в результате чего волна продолжает распространяться в первой среде.

Преломление света – это явление при котором лучи света меняют свое направление и расположение. Такое явление можно наблюдать поместив карандаш или любой продолговатый объект в стакан наполненный водой.

Световой луч и световой пучок

Световым лучом называется то направление, по которому распространяется свет. Так как светящаяся точка испускает свет по всем направлениям, то любая прямая, проведённая из этой точки, представляет световой луч.

Из нашего определения ясно, что световой луч есть понятие чисто геометрическое.

На практике свет всегда распространяется внутри прямолинейно ограниченного конуса, в виде светового пучка.

На рисунке 254 световой пучок изображён тремя лучами: осевым SO и лучами SА и SB, ограничивающими пучок.

Пучок света в чистом воздухе невидим; но если воздух содержит мелкие частички — пылинки, дым или мелкие капельки воды (туман), то благодаря освещённым частичкам пучок света становится видимым.

Во всяком действительном опыте, как уже указывалось, мы имеем дело не со световым лучом, а со световым пучком. Смотря по тому, как он ограничен, мы различаем параллельный, расходящийся и сходящийся пучки (рис. 255).

При помощи диафрагм ширина пучка может быть сделана малой, но не произвольно малой. При уменьшении размеров отверстия диафрагмы, через которое проходит пучок лучей, прямолинейность лучей постепенно нарушается—свет начинает заходить в область тени (на это же указывалось в § 127).

Наш глаз обычно воспринимает расходящиеся пучки лучей, и в месте пересечения этих лучей мы видим светящуюся точку. При этом возможны два случая: 1) точка пересечения лучей действительно существует; тогда видимую светящуюся точку называют действительной; 2) расходящийся пучок лучей не имеет действительной точки пересечения, но глазу она представляется существующей в месте пересечения воображаемых продолжений расходящихся лучей; такая точка называется мнимой. Однако ничего мнимого здесь нет. Где-то существует реальная светящаяся точка, из которой вышли лучи, попавшие в наш глаз. Но не всегда мы видим её там, где на самом деле она находится, и в этом смысле употребляется термин «мнимая точка».

Отдел учения о свете, в котором явления распространения света рассматриваются на основе представлений о световом луче, называется геометрической или лучевой оптикой.

Явления, происходящие при падении света на тела

Когда свет падает на какое-нибудь тело, то, во-первых, часть падающего света отражается от поверхности тела. Такое явление называется отражением света.

Во-вторых, часть света проникает внутрь тела и может распространяться в нём дальше. При этом на поверхности тела эта часть света может изменить первоначальное направление и дальше в теле распространяться по другому направлению. Это явление называется преломлением света.

Если сложить отражённый и преломлённый световые потоки, то их сумма будет равна величине полного светового потока, падающего на тело. Но в процессе распространения света внутри тела интенсивность света постепенно уменьшается вследствие поглощения его средой. При этом световая энергия превращается в другие виды энергии, в частности, она может перейти во внутреннюю энергию тела. Хорошо известно, например, что под действием света тела нагреваются.

Относительная величина отражённого и преломлённого света определяется рядом факторов: веществом тела, состоянием его поверхности, составом самого света, углом падения и др.

Поглощение также зависит от вещества тела и от состава светового потока.

Итак, при падении света на поверхность тела можно наблюдать явления отражения и преломления, а при прохождении его в теле — явление поглощения света.

Законы отражения света

Познакомимся с законами отражения света на опыте.

Установим плоское зеркальце РР в центре кругового диска, разделённого на градусы, так, чтобы лучи падали к основанию перпендикуляра CN, восставленного к плоскости зеркальца (рис. 256). Пусть SC — падающий луч, a — отражённый луч. Точка С — точка падения луча. Угол SCN между падающим лучом SC и перпендикуляром CN называется углом падения. Угол между отражённым лучом и тем же перпендикуляром CN называется углом отражения.

Из опыта видно, что луч падающий и луч отражённый лежат в одной плоскости с перпендикуляром к зеркалу, проведённым из точки падения луча.

Вращая диск, будем менять угол, под которым падает луч на зеркальце, мы заметим, что при этом меняется и угол отражения.

Измеряя каждый раз угол падения и соответствующий ему угол отражения, можно установить, что они равны друг другу.

Таким образом, отражение света происходит по следующим законам:

1. Отражённый луч лежит в той же плоскости, в которой лежат падающий луч и перпендикуляр к отражающей поверхности, восставленный в точке падения луча.
2. Угол отражения равен углу падения.

Если падающий луч идёт по направлению , то, строя ход отражённого луча согласно сформулированным выше законам отражения, найдём, что отражённый луч пойдёт по Следовательно, падающий и отражённый лучи света взаимообратимы.

Диффузное и зеркальное отражения

Громадное большинство видимых нами тел не являются источниками света и видимы только в том случае, если на них попадает свет от какого-либо источника. Но видеть предметы мы можем только тогда, когда к нам в глаз попадают лучи света. Таким образом, мы приходим к тому выводу, что освещённые тела отражают свет. При этом следует различать рассеянное (диффузное) отражение от зеркального отражения.

При рассеянном отражении отражённые от предмета лучи распространяются во все стороны, вследствие чего предмет мы видим со всех сторон. Диффузно отражает свет, например, обычный лист бумаги (рис. 257).

Диффузно отражающую поверхность можно представить в виде элементарных плоскостей, различно расположенных и пересекающихся под различными углами. Но если падающий на тело параллельный пучок лучей света отражается в одном определённом направлении, то в этом случае мы говорим о зеркальном отражении (рис. 258). Зеркально отражают свет, например, тщательно отполированные металлы.

Плоское зеркало

Плоским зеркалом называют плоскую поверхность, зеркально отражающую свет.

Пусть MN (рис. 259) — плоское зеркало, S — светящаяся точка, находящаяся перед зеркалом. Из этой точки лучи выходят по разным направлениям: и т. д. От поверхности зеркала эти лучи отражаются и идут по направлениям AD, BE, CF и т. д.

расходящимся пучком. Если такой расходящийся пучок лучей попадёт в глаз, то нам будет казаться, что эти лучи выходят из точки , находящейся на пересечении продолжения этих лучей за зеркалом. Нетрудно доказать из равенства прямоугольных треугольников , что точка находится за зеркалом на таком же расстоянии от него, на каком точка S находится перед зеркалом.

Две точки называются симметричными по отношению к плоскости зеркала, причём точка называется мнимым изображением светящейся точки S.

Зная, как строится изображение светящейся точки, легко построить изображение предмета. Пусть АВ — лицо (рис. 260), находящееся перед зеркалом MN. Все точки этого лица дадут симметричные мнимые изображения за зеркалом. Так, например, изображением точки А будет точка точки В — точка и т.д. Изображение всего лица АВ в зеркале будет иметь ту же величину, что и само лицо, и будет расположено симметрично ему.

Изображение предмета в плоском зеркале, так же как и изображение точки, будет мнимым.

Вогнутое сферическое зеркало

Сферическое зеркало представляет собой тщательно отполированную поверхность шарового сегмента. Сферические зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми. Центр шаровой поверхности С называется оптическим центром зеркала (рис. 261); вершима шарового сегмента О — полюсом зеркала.

Всякая прямая, проходящая через оптический центр зеркала С, называется оптической осью зеркала. Оптическая ось СО, проходящая через центр сферы С и полюс зеркала О, называется главной оптической осью.

Угол , образуемый двумя лежащими в одной плоскости с осью радиусами, проведёнными к краям зеркала, называется угловым отверстием зеркала или апертурой.

Лучи, идущие вблизи главной оптической оси, называются осевыми или центральными лучами. Все наши дальнейшие выводы будут относиться именно к таким лучам.

Если на вогнутое зеркало пустить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то лучи эти, отразившись от зеркала, сойдутся в небольшой области пространства, лежащей на оси приблизительно на середине радиуса.

Если такой опыт произвести с солнечными лучами и поместить в то место, в котором сходятся отражённые от зеркала лучи, какое-нибудь тело, то оно будет сильно освещено и даже нагреется, а легко воспламеняющееся вещество может даже загореться.

По этой причине вогнутые зеркала называются собирающими.

Фокус вогнутого сферического зеркала

Пусть на вогнутое зеркало падает осевой луч SA параллельно главной оптической оси зеркала ОС (рис 262). Проведём из центра С сферической поверхности зеркала перпендикуляр СА и построим отражённый луч АВ. Этот луч пересечёт оптическую ось в точке F. Легко показать, что эта точка расположена на половине расстояния ОС, т. е.

— радиус сферической поверхности зеркала.

В самом деле, как внутренние накрест лежащие углы. Но есть угол падения луча, следовательно, и угол отражения луча  В треугольнике CFA CF=AF, но так как луч SA— центральный луч, то точки A и О близки друг другу, а это значит, что OF=AF; отсюда  что и требовалось доказать.

Точка F, в которой центральный луч. параллельный главной оптической оси зеркала, после отражения пересекает эту ось зеркала, называется фокусом зеркала.

Расстояние OF от вершины зеркала до фокуса называется фокусным расстоянием. Для краткости оно обозначается одной буквой F.

В фокусе собирается после отражения от зеркала весь центральный пучок лучей, падающий на зеркало параллельно главной оптической оси зеркала (рис. 263).

Плоскость, проходящая через фокус перпендикулярно глазной оптической оси, называется фокальной плоскостью.

На рисунке 264 светящаяся точка S расположена перед вогнутым зеркалом. Проведём от неё к зеркалу три центральных луча

и, согласно законам отражения, построим отражённые лучи. Все три отражённых луча пересеклись в одной точке . Так как мы взяли три произвольных центральных луча, то и все прочие центральные лучи, исходящие из точки S, тоже пересекутся в точке . В таком случае будет изображением точки S. Если расположить глаз так, как показано на рисунке 264, то мы увидим в точке светящуюся точку. Следовательно, после отражения от зеркала центральные лучи, исходящие из различных точек предмета, должны пересечься в соответствующих точках и совокупность их — образовать изображение предмета. Проверим это на опыте.

Установив зажжённую свечу перед зеркалом примерно так, как показано на рисунке 265, и расположив соответствующим образом глаз, мы действительно увидим перед зеркалом (при данном расположении свечи относительно зеркала) уменьшенное и обратное изображение свечи. Если там, где мы увидели изображение, поместить лист белой бумаги, то на нём получится изображение пламени свечи, видное со всех сторон, так как белый лист бумаги отражает свет диффузно.

Таким образом, опыт подтверждает наше предположение, что все центральные лучи, исходящие из одной точки, после отражения от вогнутого зеркала пересекаются тоже в одной точке.

 

Построение изображений в вогнутом зеркале

Мы видели, что все центральные лучи, исходящие из светящейся точки после отражения от сферического зеркала, пересекаются в одной точке, т. е. после отражения от зеркала «точечный» источник света даёт точечное изображение.

Поэтому для изображения точки достаточно знать направление распространения только двух лучей, выходящих из этой точки: их точка пересечения будет точкой пересечения и других лучей, исходящих из данной точки. Лучи эти могут быть выбраны совершенно произвольно, но удобнее всего пользоваться определёнными лучами, направление распространения которых после отражения заранее известно. Изображение предмета складывается из совокупности изображений отдельных точек этого предмета.

Допустим, что нам нужно построить изображение предмета AВ в вогнутом зеркале (рис. 266а).

Проводим из точки А два луча: один — параллельно главной оптической оси, второй — через оптический центр С, после отражения от зеркала первый пройдёт через фокус F, второй — обратно по тому же направлению. Через точку пересечения этих лучей пройдут и все остальные лучи, выходящие из точки А и отразившиеся от зеркала: точка будет изображением точки А. Таким же образом построим и изображение точки В, это будет точка . Изображения остальных точек предмета АВ расположатся между точками и и, следовательно,  будет изображением предмета АВ.

На рисунке 266 б предмет АВ находится между фокусом и зеркалом. Изображение предмета — увеличенное и мнимое.

В зависимости от положения предмета по отношению к зеркалу его изображения могут быть действительные и мнимые, прямые и обратные, увеличенные и уменьшённые. На рисунке 267 показана установка для получения изображений лампочки в вогнутом зеркале.

 

Применение вогнутых зеркал

Вогнутые зеркала находят весьма широкое применение в науке и технике. Например, вогнутыми зеркалами пользуются в тех случаях, когда нужно направить в какое-либо место концентрированный пучок света. Так устраиваются осветители в автомобильных, проекционных и карманных фонарях. В каждом из них за источником света помещается вогнутое зеркало. Примером может служить автомобильная фара, изображённая на рисунке 268.

Вогнутые зеркала (параболические) находят чрезвычайно важное применение при устройстве прожекторов. Прожектор состоит из двух главных частей: мощного источника света (электрической дуги) и большого вогнутого зеркала, помещаемого сзади источника света так, чтобы источник света оказался в фокусе зеркала.

Прожектор как осветитель применяется при киносъёмках, при освещении строительных площадок, стадионов, площадей.

В военном деле прожекторы употребляются для освещения и сигнализации.
Вогнутые зеркала находят весьма важное применение при устройстве телескопов-рефлекторов.

Выпуклое зеркало

Пусть MN — выпуклое зеркало (рис. 269). Поместим перед ним светящуюся точку S и построим её изображение.

Лучи от этой точки после отражения идут расходящимся пучком. Вершина этого пучка лежит за зеркалом в точке пересечения продолжения расходящихся лучей . В этой точке, как было уже указано в § 135, мы и увидим мнимое изображение светящейся точки S. Где бы предмет ни находился относительно выпуклого зеркала, его изображение в зеркале всегда мнимое и уменьшенное. Построение изображения предмета в выпуклом зеркале показано на рисунке 270; здесь АВ —предмет, а — его изображение.   

Законы преломления света

Когда луч света падает на гладкую поверхность прозрачной среды, то образуется не один только отражённый луч. Из точки падения луча выходит ещё второй луч, распространяющийся во второй прозрачной среде, его называют преломлённым лучом. Направление преломлённого луча не совпадает с направлением падающего луча, однако между ними существует определённая г связь, которую можно установить на опыте.

На рисунке 271а пучок света падает на полированную поверхность стеклянной пластинки. На границе, разделяющей стекло и воздух, этот пучок раздваивается на два пучка; один из них отражается от поверхности стекла, другой же переходит в стекло, резко изменив своё направление. SO — осевой луч падающего пучка света; — отражённого и — преломлённого пучка.

Сравнив направление преломлённого луча с направлением перпендикуляра On, проведённого к границе в точке падения, мы увидим, что преломлённый луч  лежит по ту же сторону перпендикуляра, где находится и луч отражённый . Угол — угол падения луча; обозначим его буквой ; угол между преломлённым лучом и перпендикуляром On называется углом преломления; обозначим его буквой . При изменении угла падения меняется и угол преломления. Угол преломления равен нулю, когда угол падения равен нулю; с увеличением же угла падения увеличивается и угол преломления; однако всё время угол преломления остаётся меньше угла падения.

На рисунке 271 б изображена установка для наблюдения явления преломления света при переходе из воздуха в воду и из воды в воздух.

Возьмём стеклянную пластинку, нижняя грань которой параллельна верхней и покрыта тонким слоем серебра (рис. 272). Пустим на пластинку луч света под углом и проследим ход его из стекла в воздух. Мы заметим, что в этом случае угол преломления всегда больше угла падения. Упав на нижнюю грань под углом , луч отразится от неё и, встретив под этим углом верхнюю грань, выйдет в воздух под некоторым углом . Измерив углы можно убедиться, что они равны:  Если падающий луч будет пущен по направлению преломлённого луча, то луч преломлённый пойдёт по линии луча падающего, т. е. луч падающий и луч преломлённый взаимообратимы.

На основании опытов были установлены следующие законы преломления света:

• 1. Преломлённый луч лежит в той же плоскости, в которой лежат падающий луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред. 
• 2. При всех изменениях углов падения и преломления отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная, называемая показателем преломления второй среды относительно первой.

Математически этот закон можно написать в виде следующей формулы:

где — угол падения, — угол преломления и п — показатель преломления.

Показатель преломления данного вещества по отношению к вакууму называется абсолютным показателем преломления этого вещества.

Практически показатель преломления определяется обычно относительно воздуха, а не относительно вакуума. Чтобы получить показатель преломления данного вещества относительно вакуума, надо значение показателя преломления этого вещества относительно воздуха умножить на абсолютный показатель преломления воздуха, равный 1,0003.

Величина показателя преломления для данного вещества зависит от цветности лучей света.

Несколько значений показателей преломления для красного света даны в нижеследующей таблице.

При сравнении двух веществ то из них, которое имеет больший показатель преломления, называется оптически более плотным.

Понятие показателя преломления имеет глубокое физическое содержание. Абсолютный показатель преломления (п) указывает, во сколько раз скорость света в вакууме (с) больше скорости света () в данном веществе, т. е.

Этот важный вывод вытекает из волновой теории распространения света, основы которой будут изложены в главе IX.

Полное отражение света

Рассмотрим подробнее случай перехода света из оптически более плотной среды в менее плотную.

Пусть на границу MN стекло — воздух из стекла падает расходящийся пучок света. Определим его тремя лучами — двумя крайними I и III и осевым II (рис. 273,а). У границы часть пучка отразится в стекло, часть перейдёт в воздух. Будем постепенно увеличивать угол падения. Мы заметим, что по мере возрастания угла падения яркость отражённого пучка будет возрастать, а преломлённого уменьшаться. При некотором угле падения луч I будет скользить по поверхности раздела (рис. 273,6). При увеличении угла падения то же произойдёт и с осевым лучом // и, наконец, с лучом ///. При дальнейшем увеличении угла падения луча /// преломлённого пучка уже не будет, весь падающий пучок отразится в стекло (рис. 273, е). Такое явление называется полным отражением.

Наименьший угол падения, при котором наступает полное отражение, называется предельным углом полного отражения.

Таким образом, полное отражение наблюдается при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную в том случае, если все лучи заданного пучка падают под углом, большим предельного.

Предельному углу падения соответствует угол преломления, равный 90°. Пусть показатель преломления стекла относительно воздуха — п; тогда на основании закона преломления света и свойства обратимости луча можно написать:

отсюда

Из полученного соотношения вычисляется предельный угол полного отражения. Для воды (n=1,33) этот угол равен 48°,5, для стекла (n=1,51) 42°, а для алмаза (п = 2,4) предельный угол равен 24°,5.

Полное отражение широко используется в различных оптических приборах, например в полевых биноклях, перископах и т. д.

Полным отражением объясняется целый ряд явлений, например блеск капель росы при солнечном свете, светящиеся фонтаны, блеск («игра») бриллиантов, образование миражей и т. д.

Изменение светового потока при отражении и преломлении

Допустим, что свет, падающий на границу раздела двух сред, не поглощается второй средой. Часть светового потока отражается от поверхности раздела сред, другая же часть проникает во вторую среду и распространяется в ней. При таких условиях

Из этого равенства следует, что как отражённая, так и преломлённая части потока света в отдельности не равны падающему потоку света; это легко можно заметить и в наших опытах (рис. 273). Кроме того, опыт показывает, что при малых углах падения преломлённый поток света значительно больше отражённого. По мере же увеличения угла падения увеличивается и отражённый поток, между тем как преломлённый поток уменьшается.

Кроме того, отражённый поток света зависит от оптических свойств тех двух сред, граница между которыми отражает свет. Оказывается, чем больше разница между показателями преломления обеих сред, тем больший поток отражается. Если показатели преломления обеих сред одинаковы, то свет вообще не отражается.

Так, например, показатель преломления кедрового масла весьма близок к показателю преломления стекла; поэтому стеклянная палочка, погружённая в кедровое масло, невидима (несветящиеся тела мы видим благодаря отражённому свету). Этим свойством веществ пользуются для склеивания стёкол в оптических приборах, подбирая такие склеивающие вещества, показатель преломления которых близок к показателю преломления стекла.

Прохождение света через прозрачную пластинку с параллельными гранями

Практически большое значение имеет случай, когда свет переходит из одной среды в другую и затем снова выходит в первую, т. е. свет проходит через какое-либо оптически прозрачное тело. Поверхности раздела могут быть при этом самыми разнообразными. Мы прежде всего разберём случай, когда свет проходит через пластинку, ограниченную параллельными плоскостями.

Пусть — плоско-параллельная пластинка (рис. 274). Легко показать, что луч SO пучка света, падающего на пластинку, после двух преломлений выйдет наружу по направлению , параллельному SO.

Обозначим угол падения луча SO через , а угол преломления через . Вследствие параллельности плоскостей луч, пройдя стекло, встретит плоскость пластинки под углом и, следовательно, выйдет из неё под углом Таким образом, при прохождении через плоско-параллельную пластинку луч света не изменяет своего направления, он только смещается. Чем толще пластинка, тем значительнее будет это смещение. Если рассматривать предмет через плоско-параллельное стекло, то он будет казаться нам сдвинутым относительно своего истинного положения.

Прохождение света через прозрачную треугольную призму

На рисунке 275а АВ и АС — плоские поверхности призмы, ограничивающие её преломляющий угол . Плоскость чертежа

перпендикулярна к обеим преломляющим поверхностям призмы и представляет собой сечение призмы. Пусть на грань АВ этой призмы падает какой-нибудь одноцветный, например красный, пучок лучей света (на рис. 275а показан только осевой луч DE этого пучка). В точке Е луч DE преломится и пойдёт внутри призмы по направлению EF. У грани АС этот луч ещё раз преломится, отклоняясь к грани ВС. Вышедший из призмы луч света после двукратного преломления отклонится на угол . Величина угла отклонения зависит от преломляющего угла призмы и показателя преломления вещества призмы п. Если рассматривать какой-либо предмет через треугольную призму, то предмет покажется смещённым к вершине угла, образованного плоскостями, через которые проходят лучи от источника (рис. 275 б).

Если пропускать пучок лучей на одну из граней стеклянной равнобедренной прямоугольной призмы ABC (рис. 276), то внутри призмы лучи отразятся от грани призмы АС, испытав полное отражение, так как в этом случае угол падения лучей на грань АС больше 42°, т. е. больше предельного    угла для стекла. Прямоугольная призма ABC в положениях, показанных на рисунке, может быть использована для поворота светового пучка на 90° и для обращения какого-либо изображения, получающегося в оптическом приборе. В последнем случае нижние лучи, отразившись внутри призмы от грани АС, по выходе из призмы становятся верхними, а верхние — нижними. Такая призма называется оборотной и применяется во многих оптических приборах, в частности в призматическом бинокле.

Линзы

Прозрачные для света тела, ограниченные с двух сторон сферическими или иными кривыми поверхностями (одна из двух поверхностей может быть плоской), называются оптическими стёклами или линзами.

По форме ограничивающих поверхностей линзы могут быть сферическими, цилиндрическими и другими (в дальнейшем будут рассматриваться только сферические линзы).

Линзы, у которых середина толще, чем края, называются выпуклыми; те же линзы, у которых края толще середины, называются вогнутыми.

На рисунке 277 изображены в поперечном разрезе различные виды сферических линз: 1, 2, 3 — выпуклые линзы; 4, 5, 6—вогнутые линзы.

Пустим параллельный пучок лучей света на выпуклую линзу, а за линзой поместим экран. Перемещая экран относительно линзы, мы получим на нём небольшое светлое пятно. Выпуклая линза, преломляя падающие на неё лучи, собирает их. Поэтому такая линза называется собирающей. Вогнутая же линза, преломляя свет, рассеивает его в стороны. Такая линза называется рассеивающей.

Рисунок 278 поясняет действие собирающих и рассеивающих линз. Собирающую линзу можно представить в виде совокупности большого числа призм, расширяющихся к середине линзы, а рассеивающую — как совокупность большого числа призм, расширяющихся к краям.

Известно, что каждая призма отклоняет лучи света к грани, лежащей против преломляющего угла; величина отклонения зависит от величины отклоняющего угла. Понятно, что линзы с утолщением на середине отклоняют лучи к середине, собирая их, линзы же с утолщением по краям отклоняют лучи к краям, т. е.

рассеивают их. Середина линзы действует как плоско-параллельная пластинка.

Мы будем рассматривать только очень тонкие линзы, в которых расстояние между краями очень мало по сравнению с расстояниями (рис. 279). В таких линзах практически точки можно считать сливающимися в одной точке О. Эту точку О называют оптическим центром линзы.

Всякая прямая, проходящая через оптический центр, называется оптической осью линзы. Оптическая ось, проходящая через центры сферических преломляющих поверхностей , образующих линзу, называется главной оптической осью линзы (рис. 279), другие — побочными осями.

Луч света, идущий по какой-либо из оптических осей, проходит тонкую линзу, не меняя своего направления.

Фокус линзы

Если направить на собирающую линзу осевой луч SE, параллельный её оси (рис. 280), то, пройдя линзу, этот луч пересечёт ось на определённом расстоянии от линзы —

в точке F. Расстояние OF называется фокусным расстоянием линзы, а самая точка F называется фокусом линзы. У всякой линзы два фокуса, по обе стороны её.

Основываясь на законах преломления света, можно теоретически доказать, что все осевые лучи, т. е. лучи, идущие вблизи главной оптической оси, падающие на тонкую собирающую линзу параллельно её оси, сходятся в фокусе. Опыт подтверждает это теоретическое доказательство (рис. 281).

Пустив пучок осевых лучей параллельно главной оптической оси на тонкую двояковогнутую линзу (рис. 282), мы заметим, что из линзы лучи выйдут расходящимся пучком. Если такой расходящийся пучок попадёт в наш глаз, то нам будет казаться, что лучи выходят из одной точки F. Эта точка называется мнимым фокусом двояковогнутой линзы.

Плоскость MN, проведённая через фокус линзы перпендикулярно к главной оптической оси, называется фокальной плоскостью линзы (рис. 283). Фокальных плоскостей у линзы две, и расположены они по обе стороны линзы.

Когда на линзу падает пучок лучей, параллельных какой-либо побочной оптической оси, то после преломления в линзе он сходится на соответствующей побочной оптической оси в месте её пересечения с фокальной плоскостью (рис. 283).

Оптическая сила линзы

Величина, обратная фокусному расстоянию линзы F, называется оптической силой D линзы:

За единицу оптической силы линзы принимается оптическая сила такой линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м; такая единица называется диоптрией.

У выпуклых линз оптическая сила положительна, у вогнутых — отрицательна.
Пример. Чему равна оптическая сила очковой выпуклой линзы, фокусное расстояние которой F=50 см?

Величина фокусного расстояния линзы, а следовательно, и её оптическая сила определяются показателем преломления вещества линзы и радиусами сферических поверхностей, её ограничивающих.

Теория даёт формулу, по которой можно рассчитать оптическую силу линзы:

В этой формуле п — показатель преломления вещества линзы, — радиусы кривизны поверхностей линзы. Радиусы выпуклых поверхностей считаются положительными, вогнутых — отрицательными.

Изображение точки в собирающей линзе

Теория показывает и опыт подтверждает, что осевые лучи, вышедшие из одной светящейся точки, после прохождения через линзу сходятся также в одной точке, которая называется изображением первой точки.

Этим важным положением можно воспользоваться для нахождения изображения светящейся точки в собирающей линзе путём геометрического построения хода центральных (осевых) лучей.

Так как все центральные лучи, выходящие из одной точки, пройдя через собирающую линзу, сходятся в одной точке, то для построения изображения её достаточно найти точку пересечения каких-либо двух лучей.

Построим, например, изображение светящейся точки (рис. 284а). Проще всего это можно выполнить при помощи лучей, указанных на этом рисунке. Один из них — луч SC, параллельный главной оптической оси, преломившись в линзе, пройдёт через фокус линзы F; другой луч SD, идущий из точки S через фокус F, за линзой пойдёт параллельно оси линзы. Третий луч SO пройдёт через оптический центр линзы, не преломляясь. Ход всякого иного луча, выходящего из точки S, нужно было бы строить, применяя законы преломления света, что значительно сложнее. Но в этом нет никакой необходимости, так как все центральные (осевые) лучи, выходящие из точки S, преломившись в линзе, обязательно пройдут через точку .

Построим изображение точки S, лежащей на оптической оси линзы (рис. 2846). Для этого проведём из точки S на линзу какой-нибудь луч. Параллельно этому лучу проведём побочную оптическую ось ВС, которая пересечёт фокальную плоскость MN в точке С. После преломления в линзе через точку С пройдёт весь

пучок света, параллельный побочной оптической оси ВС; следовательно, через эту точку пройдёт и луч SA. Главную оптическую ось этот луч пересечёт в точке , которая и является изображением точки S. Второй луч из S направлен вдоль главной оптической оси.

Выбранные нами лучи для построения изображения точки не обязательно должны пройти через линзу.

Так, например, на рисунке 285 лучи SA и SB не проходят через линзу, но могут быть использованы для построения изображения точки, которое, очевидно, определится пучком реальных лучей, вышедших из точки S и ограниченных размерами линзы. Этот реальный пучок, преломившись в линзе, пройдёт через точку .

Изображение предметов в собирающей линзе

Рассматривая предмет как совокупность точек и пользуясь свойством центральных лучей, выходящих из точки после преломления в линзе, собираться также в точке, можно геометрически построить изображение предмета в линзе.

Построим, например, изображение предмета АВ в собирающей линзе (рис. 286). Для этого достаточно построить изображение двух его крайних точек А и В. При построении же изображения, например точки A, проще всего провести из этой точки два луча: один параллельно главной оптической оси линзы, другой через оптический центр линзы, т. е. по побочной оптической оси .

После прохождения линзы оба луча пересекутся в точке . Таким же способом строим изображение точки В. Изображения остальных точек предмета расположатся между точками . Таким образом, является изображением предмета АВ. Изображение — действительное, обратное и уменьшённое.
  
На рисунке 287 показано построение изображения предмета, расположенного относительно линзы на расстоянии, меньшем фокусного расстояния. В этом случае изображение получается мнимое.

Характер получаемого от линзы изображения предмета, т. е. его величина и положение, зависит от положения предмета относительно линзы. Местонахождение изображения предмета и его величина могут быть найдены с помощью формулы линзы.
На рисунке 288 показана установка для получения изображения с помощью линзы.

Формула линзы

Для вывода формулы линзы воспользуемся рисунком 289. Здесь АВ — предмет, — его изображение. Исходя из подобия прямоугольных треугольников FOC и , можно написать:

Из подобия треугольников имеем:

Так как АВ=ОС, то левые части равенств (1) и (2) равны между собой. Приравнивая правые части этих равенств, мы получим:

или, заменяя — расстояние изображения от линзы, ВО=d— расстояние предмета от линзы, получим:

откуда

или

Разделив обе части последнего равенства на получим формулы линзы:

Отсчёт расстояний d, f и F производится от оптического центра линзы. Величины d и F, входящие в формулу выпуклой линзы, всегда положительные, величина же f в случае мнимых изображений отрицательна; она откладывается по ту же сторону от центра линзы, что и величина d.

Отношение линейного размера изображения к размеру предмета АВ называется линейным увеличением линзы.

Обозначая линейное увеличение буквой k, получаем:

Так как то из этого следует, что линейное увеличение линзы

Двояковогнутая линза

Построим изображение точки, даваемое двояковогнутой линзой. Лучи от светящейся точки S после прохождения линзы идут расходящимся пучком (рис.290), но нам будет казаться, что эти лучи выходят из одной точки, находящейся перед линзой, из точки , которая и является мнимым изображением точки S.

Проделав опыт с двояковогнутой линзой, легко убедиться, что изображения предметов в ней всегда мнимые, уменьшённые и прямые, независимо от того, на каком расстоянии от линзы находится предмет.

Отражение и преломление света и его определение

Свет — это электромагнитные колебания определенного диапазона длин волн — видимое оптическое излучение (от фиолетового до красного), которые воспринимает человеческий глаз.

Отражение света — это изменение направления световой волны при падении на границу раздела двух сред, в результате чего волна продолжает распространяться в первой среде.

Преломление света – явление изменения направления распространения света при прохождении через границу раздела сред с разными оптическими свойствами. Закон прямолинейного распространения света: в однородной оптической среде свет распространяется прямолинейно. Закон отражения света: луч падающий, луч отражённый и нормаль к отражающей поверхности в точке падения лежат в одной плоскости, причём угол падения равен углу отражения.

Оптические явления на границе раздела двух прозрачных сред

Вспомним, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Это дает возможность при описании распространения света в такой среде пользоваться световыми лучами.

Изменение направления распространения света происходит на границе раздела двух различных сред. Поэтому, если установить из опытов законы, позволяющие точно определять такие изменения, то с помощью световых лучей можно описывать ход многих оптических явлений, не учитывая физической природы светового излучения. Часть оптики, в которой используется такой метод описания явлений, называют геометрической оптикой. В этой главе рассматриваются законы, которым подчиняются оптические явления, происходящие на границе раздела двух прозрачных сред.

Когда на поверхность воды из воздуха падает тонкий пучок света (рис. 29.1), то можно заметить, что в точке падения О часть света отражается, а часть проникает в воду и при этом преломляется. Вспомним, что углы  и  соответственно называют углом падения и углом отражения (§ 24.19). Угол составленный преломленным лучом и перпендикуляром к поверхности раздела двух сред в точке падения лучей, называют углом преломления.

Рис. 29.1.

Возникает вопрос: сколько энергии, принесенной излучением на поверхность раздела двух сред, унесут отраженные лучи и сколько — преломленные? Пусть излучение приносит в точку О за некоторое время энергию Дальше эта энергия разделяется: одну ее часть  уносят отраженные, а другую — преломленные лучи. Из закона сохранения энергии следует, что

Поскольку всякая среда (кроме вакуума) поглощает энергию излучения, это равенство справедливо только при измерении энергии вблизи точки О. Если световое излучение проходит в среде значительные расстояния, мало ослабляясь, то среду называют прозрачной (например, стекло, воду, спирт и т. п.). Напротив, металлы очень сильно поглощают проникающее в них световое излучение, т. е. непрозрачны для него. Большую часть падающего на них излучения они отражают.

Вспомним, что морская вода и другие электролиты — хорошие проводники электрического тока, но слабо поглощают видимое излучение и этим резко отличаются от металлов. Это объясняется тем, что в электролитах нет свободных электронов, а ионы из-за своей сравнительно большой массы не успевают следовать высокочастотным колебаниям в световом луче.

Итак, каждая среда в той или иной степени отражает и поглощает световое излучение. Отражение и поглощение падающего на тело излучения зависят от рода вещества, от состояния поверхности, от состава излучения, от угла падения лучей и других причин. При увеличении угла падения лучей  доля отраженного света увеличивается, а проникающего — уменьшается.

Заметим, что зависимость отражения и поглощения от частоты колебаний чаще всего имеет избирательный характер, т. е. колебания с одной частотой вещество отражает или поглощает сильно, а с другой — слабо. Например, атмосфера Земли сильно поглощает короткие волны видимого спектра и значительно слабее — его длинные волны. (Подумайте, почему в качестве сигнала об опасности используется красный свет, хотя наибольшая чувствительность глаза относится к зеленым лучам.)

Законы отражения света

С помощью опытов законы отражения для светового излучения были найдены еще в III в. до н. э. древнегреческим ученым Евклидом. В современных условиях проверка этих законов делается с помощью оптической шайбы (рис. 29.2). Она состоит из источника света А, который можно перемещать вокруг диска, разделенного на градусы. Направляя свет на отражающую поверхность 3, измеряют углы  и

Рис. 29.2.

Законы отражения света совпадают с законами отражения волн от препятствий (§24.19).

1.  Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости в перпендикуляром к отражающей поверхности, восставленным в точке падения луча.

2. Угол отражения луча равен углу его падения:

С помощью оптической шайбы можно показать, что падающий и отраженный лучи обратимы, т. е. если падающий луч направить по пути отраженного луча, то отраженный луч пойдет по пути падающего луча.

Законы отражения для сферического фронта волны. Покажем теперь, что они справедливы и для плоского фронта волны, т. е. для случая падения на плоскую поверхность параллельных лучей.

Пусть на гладкую поверхность КМ (рис. 29.3) падает плоская волна, фронт которой в какой-либо момент времени занимает положение A₁B₁. Через некоторое время он займет положение АС. В этот момент времени (мы примем его за нуль) от точки А начнет распространяться отраженная элементарная волна. Пока фронт волны за время t из точки С переместится в точку В, волна из точки А распространится по полусфере на расстояние AD, равное СВ, так как и ( — скорость распространения волн). Новым положением фронта волны после отражения лучей будет касательная к полусфере, проведенная из точки В, т. е. прямая BD. Дальше этот фронт волны будет двигаться параллельно самому себе по направлению лучей АА» или ВВ».

Рис. 29.3.

Поскольку прямоугольные треугольники ADB и АСВ имеют общую гипотенузу АВ и равные катеты AD и СВ, то они равны между собой. Поэтому Так как  и  как углы со взаимно перпендикулярными сторонами, то т. е. угол падения равен углу отражения, что и требовалось доказать.

Зеркальное и диффузное отражение. Плоское зеркало

Когда отражение света происходит от неровной поверхности, то ход отраженного луча в каждой ее точке определяется следующим образом. В точке падения луча проводится плоскость, касательная к поверхности, от которой происходит отражение, а затем строятся углы падения и отражения по отношению к этой плоскости.

Таким способом определены направления отраженных лучей в различных точках поверхности на рис. 29.4, где видно, что лучи, которые до отражения шли параллельным пучком, после отражения идут в разных направлениях. Такое отражение называют диффузным или рассеянным. Диффузное отражение света происходит от всех шероховатых поверхностей. Рассеянный свет, идущий от поверхностей различных тел, позволяет нам видеть эти тела.

Рис. 29.4.

Идеально гладкую поверхность, хорошо отражающую свет, называют зеркальной. Плоская зеркальная поверхность является плоским зеркалом (кроме плоских зеркал бывают сферические, параболические и т. д.). Пучок параллельных лучей после отражения от плоского зеркала остается параллельным, но изменяет направление своего распространения (рис. 29.5). Такое отражение называют зеркальным или правильным. На практике зеркальное отражение получается, если размеры неровностей на поверхности не превышают длины волны светового излучения.

Рис. 29.5.

Когда световые лучи от сильного источника света после отражения от плоского зеркала попадают в глаз человека, то они ослепляют его. Диффузное отражение неприятных ощущений в глазу не вызывает.

Если свет, рассеянный поверхностями различных тел, попадает на плоское зеркало, а затем, отражаясь, попадает в глаз человека, то в зеркале видны изображения этих тел. Выясним, как они возникают. Сначала рассмотрим, как получается изображение одной светящейся точки в плоском зеркале.

Пусть над поверхностью зеркала КМ (рис. 29.6) находится точечный источник света S. Луч SA, который идет от источника S по перпендикуляру к зеркалу, после отражения меняет свое направление на противоположное, т. е. идет по пути AS. Из всего множества лучей, попадающих из S на зеркало выделим луч SB, который падает на зеркало под углом i. После отражения он идет по пути BD, причем На рис. 29.6 видно, что лучи, падающие в точки А и В, после отражения идут так, как будто бы они вышли из одной точки S₁, расположенной симметрично точке S относительно зеркала КМ. Докажем это.

Рис. 29.6.

Угол  равен углу поэтому и  Поскольку , то и , т. е.  Это означает, что прямоугольные треугольники SAB и S₁AB равны, так как имеют общий катет АВ и равные острые углы 1 и 2. Следовательно, SA =S₁A. Это равенство справедливо для всех лучей, падающих из точки S на зеркало.

Таким образом, когда человек смотрит в зеркало, то он видит изображение источника света S в точке S₁ хотя в действительности лучей, выходящих из точки S₁ и попадающих в глаз, не существует. Поэтому такое изображение принято называть мнимым. Если в точку S₁, где человек видит светящуюся точку, поместить экран, то на нем изображения точки S не получится. Это характерное Свойство мнимого изображения. Во всех других отношениях для наблюдателя мнимое изображение ничем не отличается от действительного.

Итак, в плоском зеркале получается мнимое изображение светящейся точки S, расположенное симметрично ей относительно зеркала в точке S₁.

Представим теперь себе, что перед плоским зеркалом КМ находится предмет, который на рис. 29.7 условно изображен стрелкой BА. Положение изображения этого предмета в зеркале можно найти следующим образом. Опустив из крайних точек предмета перпендикуляры на зеркало и продолжив их за зеркало на расстояние, равное их длине до зеркала, получим точки A₁ и B₁ Соединив эти точки прямой линией, получим изображение стрелки ВА в зеркале. Это изображение будет мнимое и в натуральную величину. Оно имеет следующую особенность, отличающую его от других изображений: по сравнению с самим предметом левая и правая стороны у изображения в зеркале меняются местами. Такое изображение принято называть зеркальным.

Рис. 29.7.

Оказывается, что мнимыми бывают не только изображения, но и источники света. Пусть на пути лучей, которые должны сойтись в точке А (такие лучи можно получить с помощью линз), поместили плоское зеркало КМ (рис. 29.8). Тогда после отражения от зеркала лучи сойдутся в точке A₁ и затем уже пойдут расходящимся пучком, т. е. в точке A₁ получится действительное изображение источника света А, симметричное относительно зеркала КМ. Поскольку в точке А источника света в действительности нет, условились считать, что в ней находится мнимый источник света.

Рис. 29.8.

Итак, изображение действительного источника света в плоском зеркале получается мнимое и за зеркалом, а изображение мнимого источника света получается действительное и перед зеркалом.

Сферические зеркала

Зеркала, поверхности которых составляет часть поверхности шара, называют сферическими; они бывают вогнутые (рис. 29.9, а) и выпуклые (29.9, б). На рис. 29.9 R — радиус кривизны зеркала. Диаметр КМ окружности, ограничивающей зеркало, называют отверстием зеркала, а самую удаленную от него точку О зеркальной поверхности называют вершиной зеркала. Прямую, проходящую через сферический центр зеркала С и его вершину O, называют главной оптической осью зеркала, а любую другую прямую, проходящую через точку С и поверхность зеркала, называют побочной оптической осью зеркала.

Рис. 29.9.

Когда луч света идет по какой-либо оптической оси, то угол его падения на поверхность зеркала равен нулю, поэтому такой луч после отражения идет по той же оптической оси в обратную сторону.

Если на вогнутое зеркало падает пучок лучей, параллельных его главной оптической оси, то после отражения от зеркала эти лучи проходят через точку Ф, лежащую на главной оптической оси (рис. 29.10, а), которую называют главным фокусом зеркала. После отражения от выпуклого зеркала такие лучи идут расходящимся пучком (рис. 29.10, б), но так, что их продолжения тоже сходятся в одной точке Ф (за зеркалом) — главном фокусе зеркала.

Рис. 29.10.

Таким образом, вогнутые зеркала являются собирающими. Главный фокус у них действительный. Выпуклые зеркала — рассеивающие, главный фокус у них мнимый. Расстояние от главного фокуса до вершины зеркала ОФ называют главным фокусным расстоянием F.

Когда лучи падают на зеркало параллельно одной из его побочных оптических осей, например АС (рис. 29.11), то после отражения в фокусе зеркала. Если побочные оси составляют небольшой угол с главной оптической осью, то все фокусы зеркала располагаются в фокальной плоскости КМ, проходящей через главный фокус Ф перпендикулярно главной оптической оси.

Рис. 29.11.

Выясним, как связано главное фокусное расстояние F с радиусом кривизны зеркала R. Луч АА₁, параллельный главной оптической оси зеркала, после отражения идет по пути А₁Ф (рис. 29.10, а). Соединим точку А₁ со сферическим центром зеркала С. Из законов отражения следует, что Так как то  Следовательно, и равнобедренный, т. е. Поскольку поверхность зеркала всегда составляет малую часть сферы, приближенно можно считать Таким образом, Это означает, что точка Ф делит радиус зеркала ОС пополам, т. е.

   (29.1)

Из законов отражения следует, что падающий и отраженный лучи в сферических зеркалах обладают обратимостью. Поэтому, если источник света поместить в главный фокус вогнутого зеркала, то после отражения от зеркала лучи практически пойдут параллельно главной оптической оси зеркала (рис. 29.12).

Рис. 29.12.

Для получения параллельных пучков света на практике вместо сферического зеркала используют параболическое зеркало, отражающая поверхность которого является частью поверхности параболоида вращения *). Параболическое зеркало дает более направленный пучок света. На этом свойстве зеркал основано устройство прожекторов и рефлекторов (отражателей) различного рода.

*) Параболоид вращения — геометрическое тело, получающееся при вращении параболы вокруг ее оси симметрии.

Построение изображений, получаемых с помощью сферических зеркал. Формула сферического зеркала

Сферические зеркала могут давать различные изображения предметов. Для построения изображения одной точки А, создаваемого сферическим зеркалом, пользуются любыми двумя из трех лучей, показанных на рис. 29.13. Луч 1 из точки А проводится параллельно главной оптической оси. После отражения он проходит через главный фокус зеркала Ф. Луч 2 из точки А проводится через главный фокус Ф. После отражения от зеркала он идет параллельно главной оптической оси зеркала. Луч 3 проводится через сферический центр С зеркала. После отражения он идет обратно к точке А по той же прямой.

Рис. 29.13.

Примеры изображений предметов, создаваемых сферическими зеркалами, показаны на рис. 29.14. Заметим, что выпуклое зеркало всегда дает мнимое изображение предметов.

Рис. 29.14.

Выясним, как найти положение изображения светящейся точки А, расположенной на главной оптической оси ОС зеркала (рис. 29.15). Ясно, что изображение точки должно быть на этой же оси (объясните, почему).

Рис. 29.15.​​​​​​

Проведем из точки А произвольный луч АВ. В точку его падения В проведем радиус СВ. Он является нормалью (перпендикуляром) к поверхности зеркала, поэтому что и определяет положение отраженного луча BA₁. В точке А₁ и получится изображение точки А. Положение точки А₁ однозначно определяется положением самой точки А. Поэтому точки А и А₁ называют сопряженными.   

Обозначим расстояние АО через d, А₁O — через f и ОС— через R. Для зеркал, поверхность которых составляет малую часть поверхности сферы, приближенно можно считать, что  и  Так как   то линия ВС в треугольнике ABA₁ является биссектрисой угла ABA₁, а это означает, что отрезки АС и A₁C пропорциональны сторонам треугольника ABA₁:

 или

Преобразуем последнее соотношение:

После деления на получим Заменяя R его значением из (29.1), получим формулу сопряженных точек зеркала:

   (29.2)

Эта формула справедлива как для вогнутых, так и для выпуклых зеркал, но числовые значения действительных величин следует подставлять с плюсом, а мнимых — с минусом. Например, главное фокусное расстояние вогнутых зеркал берется со знаком плюс, а выпуклых — со знаком минус. Отрицательный ответ показывает, что соответствующая ему величина — мнимая.

Законы преломления света

Выше говорилось, что преломление света обусловлено изменением скорости распространения света при переходе излучения из одной среды в другую. Рассмотрим более подробно, как волновая теория объясняет преломление света.

Пусть на поверхность раздела двух прозрачных сред КМ (рис. 29.16) падает пучок параллельных лучей А’В’, фронт волны которых в начальный момент времени занимает положение АС. Если скорость распространения излучения в первой среде больше, чем скорость их распространения  во второй среде, то за время t перемещения фронта волны на расстояние в первой среде, во второй среде волны распространяются из точки А по полусфере с радиусом Следовательно, фронт волны к этому моменту времени займет положение BD и дальше будет перемещаться параллельно самому себе в направлении АА» или ВВ».

Рис. 29.16.

Таким образом, при переходе из первой среды во вторую световые лучи преломляются так, что угол преломления оказывается меньше угла падения i, т. е. лучи приближаются к перпендикуляру AN.

Найдем математическую связь между углами i и . Из прямоугольного треугольника ABC имеем а из треугольника ABD имеем Разделив почленно эти равенства, получим Так как то

    (29.3)

Поскольку отношение скоростей света для двух определенных сред есть величина постоянная, ее обозначают и называют показателем преломления второй среды относительно первой:

   (29.4)

Из сопоставления формул (29.3) и (29.4) получаем

    (29.5)

Справедливость формулы (29.5) можно проверить на опытах с оптической шайбой (рис. 29.17). При этом можно убедиться еще и в том, что падающий и преломленный лучи находятся в одной плоскости с отраженным лучом.

Рис. 29.17.

Итак, преломление света подчиняется двум законам.

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости о перпендикуляром, восставленным в точке падения луча к поверхности раздела двух сред.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная:

Из второго закона следует, что при увеличении угла падения увеличивается и угол преломления (но не пропорционально).

Падающий и преломленный лучи обладают обратимостью, т. е. если падающий луч в первой среде, изображенный на рис. 29.18, а, направить по пути преломленного луча во второй среде, то после преломления он пойдет по пути падающего луча (рис. 29.18, 6). (Докажите это сами.) Следовательно, когда луч света переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то он удаляется от перпендикуляра. Ясно, что числовое значение показателя преломления в этом случае будет меньше единицы.

Рис. 29.18.

Именно удалением световых лучей от перпендикуляра при преломлении объясняется кажущееся уменьшение глубины водоема, когда человек смотрит в воду (рис. 29.19, а). Если на дне водоема лежит камень К на глубине h, то человек видит мнимое изображение камня K₁ на глубине h₁. (Покажите, что где п — показатель преломления воды относительно воздуха.)

Рис. 29.19.

Когда человек смотрит в воду сбоку, то камень кажется смещенным еще и в горизонтальном направлении (к наблюдателю), так как человек видит мнимое изображение камня (рис. 29.19, б), положение которого зависит от угла падения лучей, попадающих в глаз.

Если лучи света падают на поверхность раздела прозрачных сред перпендикулярно к этой поверхности, то они проникают в другую среду, не преломляясь.

Абсолютный показатель преломления и его связь с относительным показателем преломления

Показатель преломления среды относительно вакуума, т. е. для случая перехода световых лучей из вакуума в среду, называется абсолютным (§ 27.7) и определяется формулой (27.10) :

При расчетах абсолютные показатели преломления берут из таблиц, поскольку их величина определена достаточно точно с помощью опытов. Так как с больше  то абсолютный показатель преломления всегда больше единицы.

Если световое излучение переходит из вакуума в среду, то формулу второго закона преломления записывают в виде

   (29.6)

Формулой (29.6) на практике часто пользуются и при переходе лучей из воздуха в среду, так как скорость распространения света в воздухе очень мало отличается от с. Это видно из того, что абсолютный показатель преломления воздуха равен 1,0029.

Когда луч идет из среды в вакуум (в воздух), то формула второго закона преломления принимает вид

    (29.7)

В этом случае лучи при выходе из среды обязательно удаляются от перпендикуляра к поверхности раздела среды и вакуума.

Выясним, как можно найти относительный показатель преломления по абсолютным показателям преломления. Пусть свет переходит из среды с абсолютным показателем в среду с абсолютным показателем Тогда и откуда

    (29.8)

Формулу второго закона преломления для такого случая часто записывают следующим образом:

   (29.9)

Вспомним, что по теории Максвелла абсолютный показатель преломления можно найти из соотношения (27.11): Так как у веществ, прозрачных для светового излучения, практически равно единице, то можно считать, что

   (29.10)

Поскольку частота колебаний в световом излучении имеет порядок 1014 Гц, ни диполи, ни ионы в диэлектрике, имеющие сравнительно большую массу, не успевают изменять своего положения с такой частотой, и диэлектрические свойства вещества в этих условиях определяются только электронной поляризацией его атомов (§ 15.10). Именно этим объясняется различие между значением из (29.10) и  в электростатике. Так, у воды а у ионного твердого диэлектрика NaCl а Когда вещество состоит из однородных атомов или неполярных молекул, т. е. в нем нет ни ионов, ни природных диполей, то его поляризация может быть только электронной. Для подобных веществ из (29.10) и  совпадают. Примером такого вещества является алмаз, состоящий только из атомов углерода.

Заметим, что величина абсолютного показателя преломления, кроме рода вещества, зависит еще от частоты колебаний, или от длины волны излучения. С уменьшением длины волны, как правило, показатель преломления увеличивается. Для стекла зависимость показателя преломления от длины волны приведена на рис. 34.3.

Полное отражение света. Предельный угол

Поместим источник света в какую-либо прозрачную среду и будем наблюдать переход светового излучения в среду оптически менее плотную, например в воздух (рис. 29.20).

Рис. 29.20.

На поверхности раздела свет будет и отражаться, и преломляться; по мере увеличения угла падения i энергия отраженного света будет возрастать, а энергия преломленного света — убывать. Кроме того, можно еще заметить, что при некотором угле падения i_п преломленный луч скользит по поверхности раздела сред, а при угле падения, большем i_п, преломленных лучей вообще нет. Явления такого рода можно обнаружить только в тех случаях, когда свет падает на поверхность раздела со стороны среды оптически более плотной, т. е. когда лучи при преломлении удаляются от перпендикуляра к поверхности раздела сред. Явление, при котором световое излучение полностью отражается от поверхности раздела прозрачных сред, называют полным отражением света.

Граница, отделяющая частично отраженные лучи от полностью отраженных лучей, определяется величиной угла i_п (рис. 29.20). Угол падения лучей i_п, при котором их угол преломления равен называют предельным углом падения. Заметим, что полное отражение происходит только у тех лучей, которые падают на поверхность раздела под углом i, большим предельного угла i_п. Величину предельного угла в каждом случае можно определить по относительному показателю преломления двух сред. Действительно, поскольку для угла i_п угол из формулы (29.9) имеем

Учитывая, что окончательно получим

    (29.11)

Когда световое излучение переходит из какой-либо среды в вакуум (в воздух), отношение (29.11) принимает вид

    (29.11а)

(Объясните, почему при переходе лучей из среды оптически менее плотной в среду более плотную полное отражение невозможно.)

Полая пробирка, опущенная в воду, и пузырьки газа в воде иногда блестят, как посеребренные. Это явление объясняется полным отражением лучей на границе жидкости или твердого тела с газообразной средой. Полное отражение света используется при устройстве светопроводящих волокон. Свет направляют внутрь прозрачного волокна через один торец, а выходит он через другой торец, многократно отражаясь от стенок волокна и следуя всем его изгибам.

Светопроводы используются для оптической связи. С помощью модуляции света, идущего по светопроводу, можно передавать по нему несравненно больший поток информации, чем по обычному высокочастотному кабелю.

По пучку светопроводящих волокон можно передавать изображение предмета, помещенного перед торцом пучка. Это используется в медицине для осмотра внутренних органов больного (при этом часть волокон используется для внутреннего освещения).

Прохождение света через пластинку с параллельными гранями и через трехгранную призму. Призма с полным отражением

Выясним, как изменяет ход световых лучей прозрачная пластинка с двумя плоскими и параллельными гранями. Примером такой пластинки является хорошее оконное стекло.

Пусть на пластинку, сделанную из вещества с показателем преломления n, падает из воздуха узкий пучок света AO₁ под углом i₁ (рис. 29.21). После преломления на верхней грани этот пучок идет внутри пластинки по пути O₁O₂, вторично преломляется на нижней грани и идет в воздухе по пути O₂B. Сравним углы i₁ и Для верхней грани формула второго закона преломления в данном случае принимает вид

а для нижней грани

Рис. 29.21.

Поскольку и равны, после почленного умножения этих равенств получим

откуда и  означает, что луч AO₁ параллелен лучу О₂В. Следовательно, лучи света после прохождения через пластинку с плоскими и параллельными гранями смещаются параллельно самим себе. Расстояние, на которое смещается луч после прохождения пластинки, тем больше, чем толще пластинка и чем больше показатель преломления ее вещества. Кроме того, смещение d зависит от угла падения лучей i₁. Поэтому, когда человек смотрит сквозь толстую прозрачную пластинку под углом, все Предметы кажутся ему смещенными (рис. 29.22).

Рис. 29.22.

В прикладной оптике часто используют прозрачные трехгранные призмы. Две грани призмы, сквозь которые лучи входят в призму и выходят из нее, называют преломляющими гранями, а двугранный угол составленный этими гранями, называют преломляющим углом призмы.

Допустим, что на призму с показателем преломления n из воздуха падает узкий пучок света AO₁, какого-то определенного цвета (рис. 29.23, а). В призме он идет по пути O₁O₂. При выходе из призмы он удаляется от перпендикуляра к грани и идет по пути О₂В. Итак, в результате прохождения сквозь призму пучок света отклоняется к ее широкой части. Поскольку до призмы свет шел по направлению AO₁, а после призмы идет по направлению О₂В, то смещение пучка произошло на угол (рис. 29.23, а), который называют углом отклонения, Этот угол тем больше, чем больше показатель преломления вещества призмы n и ее преломляющий угол

Рис. 29.23.

Заметим, что поскольку показатель преломления n зависит от то и отклонение лучей в призме зависит от их цвета. Например, красные лучи отклоняются на меньший угол чем фиолетовые. Подробнее этот вопрос рассмотрим дальше (§ 34.2).

Если трехгранную призму поместить в такую среду, относительно которой показатель преломления вещества призмы окажется меньше единицы, то, пройдя призму, луч AO₁ (рис. 29.23, б) будет отклоняться в сторону преломляющего угла а не к широкой части призмы, на угол (Объясните, почему параллельные лучи, падающие на призму, после выхода из нее остаются параллельными.)

Подсчет показывает, что предельный угол для стекла составляет около 42. Поэтому в стеклянной прямоугольной призме с углами по 45° легко получить полное отражение света. На рис. 29.24, а показан поворот лучей на 90° в такой призме, а на рис. 29.24, б показано, как поворачивается изображение в такой же призме. На рис. 29.24, в изображена призма прямого зрения и ход лучей в ней. Видно, что верхние и нижние лучи меняются местами, но продолжают распространяться в прежнем направлении.

Рис. 29.24.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно — кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Распространение электромагнитных волн
58. Интерференционные явления
59. Рассеяние
60. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
61. Двойное лучепреломление
62. Магнитное поле и электромагнитная индукция
63. Электромагнитные колебания и волны
64. Природа света
65. Распространение света
66. Оптические приборы и зрение
67. Волновые свойства света
68. Действия света
69. Линзы и получение изображений с помощью линз
70. Оптические приборы и глаз
71. Фотометрия
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома

1. Разветвление: Объяснение некоторых явлений

Пре­лом­ле­ние часто встре­ча­ет­ся в по­все­днев­ной жизни и вос­при­ни­ма­ет­ся нами как обы­ден­ное яв­ле­ние, на­при­мер ложка, ко­то­рая на­хо­дит­ся в ста­кане с чаем и вы­гля­дит по­ло­ман­ной на гра­ни­це раз­де­ла воз­дух – вода (см. Рис. 8). Пре­лом­ле­ние и от­ра­же­ние света в кап­лях воды по­рож­да­ет ра­ду­гу, а мно­го­крат­ным пре­лом­ле­ни­ем в мел­ких про­зрач­ных эле­мен­тах струк­ту­ры (сне­жин­ках, во­лок­нах бу­ма­ги, пу­зырь­ках) объ­яс­ня­ет­ся свой­ство ма­то­вых, не зер­каль­ных от­ра­жа­ю­щих по­верх­но­стей (белый снег, бу­ма­га, белая пена).

Луч света из-за пре­лом­ле­ния может ис­крив­лять­ся. Если бро­сить в боль­шой сосуд с водой много са­ха­ра, не раз­ме­ши­вая, и через несколь­ко минут по­све­тить сбоку лучом ла­зер­ной указ­ки, то можно уви­деть ис­крив­ле­ние луча (см. Рис. 9). Это свя­за­но с тем, что рас­тво­ре­ние са­ха­ра в воде про­ис­хо­дит нерав­но­мер­но и об­ра­зу­ет­ся мно­же­ство слоёв с раз­ны­ми ко­эф­фи­ци­ен­та­ми пре­лом­ле­ния, сле­до­ва­тель­но, на гра­ни­це каж­до­го слоя луч немно­го пре­лом­ля­ет­ся.

Рис. 9. Ис­крив­ле­ние луча в со­су­де с водой и са­ха­ром

2. Опыт, наглядно демонстрирующий преломление света. Общие сведения о преломлении

Про­ве­дём опыт, для ко­то­ро­го по­на­до­бят­ся ла­зер­ная указ­ка, сосуд с жид­ко­стью, а также экран в виде листа бу­ма­ги. На­прав­ля­ем луч ла­зер­ной указ­ки на по­верх­ность со­су­да с водой (см. Рис. 1). Видим:

1. луч от­ра­жа­ет­ся от по­верх­но­сти воды (точка на экране);

Рис. 1. Опыт, де­мон­стри­ру­ю­щий пре­лом­ле­ние света

2. луч про­хо­дит даль­ше, но под дру­гим углом к по­верх­но­сти стола (это яв­ле­ние по­лу­чи­ло на­зва­ние пре­лом­ле­ние света).

Пре­лом­ле­ние света – из­ме­не­ние на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния света в слу­чае его про­хож­де­ния через гра­ни­цу раз­де­ла двух сред.

Пер­вое упо­ми­на­ние о пре­лом­ле­нии света можно найти в ра­бо­тах древ­не­гре­че­ско­го фи­ло­со­фа Ари­сто­те­ля, ко­то­рый за­да­вал­ся во­про­сом, по­че­му палка в воде ка­жет­ся сло­ман­ной.

3. Разветвление: Полное внутреннее отражение

Су­ще­ству­ет эф­фект пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния. Рас­смот­рим при­мер, когда пре­лом­ле­ние света будет про­ис­хо­дить на гра­ни­це «стек­ло (по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ) – воз­дух ()». В этом слу­чае , а угол па­де­ния α будет мень­ше угла пре­лом­ле­ния γ (), так как стек­ло яв­ля­ет­ся более оп­ти­че­ски плот­ной сре­дой (см. Рис. 4).

Рис. 4. Схема пре­лом­ле­ния и от­ра­же­ния луча света при пе­ре­хо­де из стек­ла в воз­дух

Если n – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния стек­ла от­но­си­тель­но воз­ду­ха, то по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха от­но­си­тель­но стек­ла – . Тогда закон пре­лом­ле­ния света можно за­пи­сать таким об­ра­зом:

При уве­ли­че­нии угла па­де­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся и угол пре­лом­ле­ния, то есть при угле па­де­ния, близ­ком к 90 пре­лом­лён­ный луч прак­ти­че­ски ис­че­за­ет, а вся энер­гия па­да­ю­ще­го луча пе­ре­хо­дит в энер­гию от­ра­жён­но­го.

При пре­дель­ном зна­че­нии угла па­де­ния (α) пре­лом­лён­ный луч рас­про­стра­ня­ет­ся вдоль гра­ни­цы раз­де­ла двух сред, то есть угол пре­лом­ле­ния (γ) равен 90 (см. Рис. 5). Од­на­ко за­ме­тить рас­про­стра­не­ние пре­лом­лён­но­го луча вдоль гра­ни­цы раз­де­ла двух сред прак­ти­че­ски невоз­мож­но, так как ин­тен­сив­ность све­то­во­го луча ста­но­вит­ся близ­кой к 0.

Рис. 5. Схема пре­лом­ле­ния и от­ра­же­ния луча света при пе­ре­хо­де из стек­ла в воз­дух при пре­дель­ном угле па­де­ния

Урав­не­ние для на­хож­де­ния пре­дель­но­го угла па­де­ния () можно за­пи­сать так:

 ,

так как угол пре­лом­ле­ния , а

На­при­мер, для воды зна­че­ние n равно 1,33, сле­до­ва­тель­но, зна­че­ние пре­дель­но­го угла равно:

Для стек­ла:

Для ал­ма­за: 

Если све­то­вой луч па­да­ет на гра­ни­цу раз­де­ла двух сред под углом, боль­шим пре­дель­но­го угла па­де­ния, то в этом слу­чае луч не про­ни­ка­ет во вто­рую среду и пол­но­стью от­ра­жа­ет­ся – яв­ле­ние пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния. Необ­хо­ди­мым усло­ви­ем для пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния яв­ля­ет­ся дви­же­ние луча из оп­ти­че­ски более плот­ной среды в оп­ти­че­ски менее плот­ную среду.

Яв­ле­ние пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния ис­поль­зу­ет­ся в во­ло­кон­ной оп­ти­ке для пе­ре­да­чи сиг­на­лов на боль­шие рас­сто­я­ния. При входе в све­то­вод па­да­ю­щий луч на­прав­ля­ет­ся под углом, за­ве­до­мо боль­шим пре­дель­но­го, что обес­пе­чи­ва­ет от­ра­же­ние луча без по­те­ри энер­гии (см. Рис. 6).

Рис.6. Оп­ти­че­ское во­лок­но

Во­ло­кон­ные све­то­во­ды также при­ме­ня­ют­ся в ме­ди­цине. На­при­мер, све­то­вод вво­дят в же­лу­док или в об­ласть серд­ца для осве­ще­ния или на­блю­де­ния участ­ков этих ор­га­нов.

В мор­ских би­нок­лях внут­рен­нее от­ра­же­ние ис­поль­зу­ют для того, чтобы свет мог прой­ти через несколь­ко линз при от­но­си­тель­но ма­лень­ком кор­пу­се ап­па­ра­та (см. Рис. 7).

В юве­лир­ном деле огран­ка кам­ней под­би­ра­ет­ся так, чтобы на каж­дой гране на­блю­да­лось пол­ное от­ра­же­ние.

Рис. 7. Про­хож­де­ние света в мор­ском би­нок­ле

4. Причины преломления. Абсолютный показатель преломления

В таб­ли­це 1 пред­став­ле­ны ско­ро­сти света в раз­лич­ных сре­дах. Видим, на­при­мер, что в воде ско­рость света в 1,33 раза мень­ше, чем в ва­ку­у­ме; когда свет пе­ре­хо­дит из воды в алмаз, его ско­рость умень­ша­ет­ся ещё в 1,8 раза. Имен­но из­ме­не­ние ско­ро­сти света в слу­чаи пе­ре­хо­да из одной про­зрач­ной среды в дру­гую яв­ля­ет­ся при­чи­ной пре­лом­ле­ния.

Аб­со­лют­ный по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ве­ще­ства (n) – ве­ли­чи­на, рав­ная от­но­ше­нию ско­ро­сти света в ва­ку­у­ме к ско­ро­сти света в дан­ной среде.

 ,

где c – ско­рость света в ва­ку­у­ме; v – ско­рость света в дан­ной среде.

outset windowtext;» cellspacing=»1″>

Табл. 1. Ско­рость света в раз­лич­ных сре­дах

В таб­ли­це 2 пред­став­ле­ны аб­со­лют­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния света для раз­лич­ных ве­ществ.

outset windowtext;» cellspacing=»1″>

Табл. 2. Аб­со­лют­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния света для раз­лич­ных ве­ществ

5. Оптическая плотность. Угол преломления

Оп­ти­че­ская плот­ность – мера ослаб­ле­ния света про­зрач­ны­ми объ­ек­та­ми (кри­стал­лы, стёк­ла, фо­то­плён­ка) или от­ра­же­ния света непро­зрач­ны­ми объ­ек­та­ми (фо­то­гра­фия, ме­тал­лы).

Чем мень­ше ско­рость рас­про­стра­не­ния света в среде, тем боль­ше оп­ти­че­ская плот­ность среды.

Чем боль­ше от­ли­ча­ют­ся оп­ти­че­ские плот­но­сти двух сред, тем силь­нее свет пре­лом­ля­ет­ся на гра­ни­це их раз­де­ла.

Рас­смот­рим пре­лом­ле­ние света с по­мо­щью оп­ти­че­ской шайбы (оп­ти­че­ская шайба – это белый диск, по кругу ко­то­ро­го на­не­се­ны де­ле­ния, а на краю уста­нов­лен осве­ти­тель), на ко­то­рую уста­но­вим стек­лян­ный по­лу­ци­линдр (см. Рис. 2). На­пра­вим узкий пучок света на этот по­лу­ци­линдр: часть пучка от­ра­зит­ся, а часть прой­дёт сквозь него, из­ме­нив своё на­прав­ле­ние.

Рис. 2. На­блю­де­ние пре­лом­ле­ния с по­мо­щью оп­ти­че­ской шайбы

На схеме (см. Рис. 3) видим, что луч SO за­да­ёт на­прав­ле­ние па­да­ю­ще­го пучка света, луч OK – на­прав­ле­ние от­ра­жён­но­го пучка, луч OB – на­прав­ле­ние пре­лом­лён­но­го пучка; MN – пер­пен­ди­ку­ляр, вос­ста­нов­лен­ный в точке па­де­ния луча SO. Все ука­зан­ные лучи лежат в одной плос­ко­сти – плос­ко­сти по­верх­но­сти диска.

Угол, об­ра­зо­ван­ный пре­лом­лён­ным лучом и пер­пен­ди­ку­ля­ром к гра­ни­це раз­де­ла двух сред, вос­став­лен­ным в точке па­де­ния луча, на­зы­ва­ет­ся углом пре­лом­ле­ния (γ).

Угол между па­да­ю­щим лучом и пер­пен­ди­ку­ля­ром, вос­ста­нов­лен­ным в точке па­де­ния, на­зы­ва­ет­ся углом па­де­ния.

Рис. 3. Схема пре­лом­ле­ния и от­ра­же­ния луча света при пе­ре­хо­де из воз­ду­ха в стек­ло

Если уве­ли­чи­вать угол па­де­ния (α), то уве­ли­чит­ся и угол пре­лом­ле­ния (γ).

Со­от­но­ше­ние углов па­де­ния и пре­лом­ле­ния луча света при пе­ре­хо­де из одной среды в дру­гую все­гда за­ви­сит от оп­ти­че­ской плот­но­сти сред:

— если свет идёт из менее оп­ти­че­ски плот­ной в более оп­ти­че­ски плот­ную среду, то угол пре­лом­ле­ния будет мень­ше угла па­де­ния ();

— если свет идёт из более оп­ти­че­ски плот­ной среды в менее оп­ти­че­ски плот­ную, то угол пре­лом­ле­ния будет боль­ше угла па­де­ния ().

6. Закон Снеллиуса

Закон Снел­ли­уса (закон пре­лом­ле­ния света) гла­сит, что от­но­ше­ние си­ну­са угла па­де­ния к си­ну­су угла пре­лом­ле­ния есть ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная.

,

где  ,  и  – аб­со­лют­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния среды, в ко­то­рой луч света дви­гал­ся со­от­вет­ствен­но до пе­ре­се­че­ния гра­ни­цы раз­де­ла и после;

n – от­но­си­тель­ный по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния вто­рой среды от­но­си­тель­но пер­вой;

 и  – ско­ро­сти дви­же­ния луча света в сре­дах со­от­вет­ствен­но до пе­ре­се­че­ния гра­ни­цы раз­де­ла и после.

Итоги

Ре­ше­ние задач

За­да­ча 1

В жар­ких пу­сты­нях ино­гда на­блю­да­ет­ся мираж: вда­ле­ке воз­ни­ка­ет по­верх­ность во­до­ё­ма. Ка­ки­ми фи­зи­че­ски­ми яв­ле­ни­я­ми обу­слов­лен такой мираж?

Ре­ше­ние

Воз­дух в пу­стыне на­гре­ва­ет­ся днём, по­лу­чая тепло от го­ря­че­го песка, по­это­му ниж­ние слои воз­ду­ха ино­гда ока­зы­ва­ют­ся са­мы­ми тёп­лы­ми. Тогда эти ниж­ние слои имеют мень­шую плот­ность, сле­до­ва­тель­но, и мень­ший по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния, чем верх­ние слои. От­ра­жён­ный ка­ким-ли­бо пред­ме­том сол­неч­ный свет может ис­пы­тать на­столь­ко боль­шое ис­крив­ле­ние в оп­ти­че­ски неод­но­род­ной среде, что это при­ве­дёт к пол­но­му от­ра­же­нию от слоя тёп­ло­го воз­ду­ха у по­верх­но­сти Земли. Воз­ник­нет ил­лю­зия, что свет от­ра­жа­ет­ся от зер­каль­ной по­верх­но­сти, ко­то­рую при­ни­ма­ют за по­верх­ность во­до­ё­ма (см. Рис. 10).

Рис. 10. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

За­да­ча 2

По­че­му мок­рый ас­фальт тем­нее су­хо­го? По­че­му ана­ло­гич­ный эф­фект не на­блю­да­ет­ся у по­ли­ро­ван­но­го гра­ни­та?

Ре­ше­ние

Неров­но­сти влаж­ной ше­ро­хо­ва­той по­верх­но­сти ас­фаль­та по­кры­ты тон­ким слоем воды, в ре­зуль­та­те мно­гие лучи ис­пы­ты­ва­ют пол­ное внут­рен­нее от­ра­же­ние на гра­ни­це вода – воз­дух, это при­во­дит к до­пол­ни­тель­ным от­ра­же­ни­ям от по­верх­но­сти. Так как при каж­дом от­ра­же­нии свет по­гло­ща­ет­ся, то мок­рая по­верх­ность ка­жет­ся более тём­ной. На глад­кой по­верх­но­сти по­ли­ро­ван­но­го гра­ни­та слой воды плос­кий, по­это­му пол­ное внут­рен­ние от­ра­же­ние невоз­мож­но (см. Рис. 11).

Рис. 11. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

За­да­ча 3

На ри­сун­ке 12 пред­став­лен опыт по пре­лом­ле­нию света. Поль­зу­ясь при­ве­дён­ной таб­ли­цей 3, опре­де­ли­те по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ве­ще­ства. Ва­ри­ан­ты от­ве­та: 1. 1,22 2. 1,47 3. 1,88 4. 2,29.

Рис. 12. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

outset windowtext;» cellspacing=»1″>

Табл. 3. Дан­ные к за­да­че

Ре­ше­ние

Вос­поль­зу­ем­ся за­ко­ном Снел­ли­уса:

Так как свет по­па­да­ет из воз­ду­ха на по­лу­ци­линдр, то . Сле­до­ва­тель­но, чтобы найти по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ве­ще­ства (), нужно раз­де­лить синус угла па­де­ния на синус угла пре­лом­ле­ния (углы опре­де­ля­ем по оп­ти­че­ской шайбе).

Угол па­де­ния равен , угол пре­лом­ле­ния .

Ответ: 2. 1,47

Мы узна­ли, что такое пре­лом­ле­ние света, и вы­яс­ни­ли, каким за­ко­нам оно под­чи­ня­ет­ся.  

Вопросы к конспектам

Можно ли скле­ить два куска стек­ла так, чтобы место скле­и­ва­ния стало неви­ди­мым? Каким по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния дол­жен об­ла­дать клей?

Будет ли пре­лом­лять­ся луч, па­да­ю­щий пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти раз­де­ла двух сред?

Как вза­и­мо­свя­зан от­но­си­тель­ный по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния с аб­со­лют­ны­ми по­ка­за­те­ля­ми пре­лом­ле­ния сред?

Луч света па­да­ет из стек­ла на по­верх­ность воды под углом . Опре­де­ли­те угол пре­лом­ле­ния.

По­че­му окон­ные стёк­ла из­да­ли ка­жут­ся тём­ны­ми, если на них смот­реть в ясный день с улицы?