Исследование зависимости угла преломления от угла падения

Целью нашей работы будет экспериментальная проверка справедливости закона преломления света.

Для выполнения работы нам предлагается оборудование из комплекта № 4 в составе: полуцилиндр, осветитель, диафрагма щелевая с одной щелью, источник питания постоянного тока и планшет с круговым транспортиром.

Итак, вы уже знаете, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Но когда пучок света падает на границу раздела двух однородных прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду (это явление называется отражением света), а часть проходит во вторую среду, изменив направление своего распространения (то есть наблюдается явление преломления света).

Если опустить перпендикуляр к границе раздела двух сред в точку падения луча, то угол между падающим лучом и перпендикуляром называется углом падения. Угол, образованный отражённым лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения. А угол между преломлённым лучом и тем же перпендикуляром — углом преломления.

Отметим, что если луч света падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, то преломления он не испытывает.

В 1621 году нидерландский учёный Виллеброрд Снелл экспериментально установил, что отношение синуса угла падения света к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

И в сегодняшней работе мы с вами проверим справедливость выполнения закона Снелла.

Ну а первое, что мы с вами должны сделать — это нарисовать рисунок нашей экспериментальной установки. Для этого мы в бланке ответов изобразим стеклянный полуцилиндр. Далее, под некоторым углом, пустим на него луч света. На границе раздела двух сред этот луч испытает преломление. При этом необходимо помнить, что при переходе света из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную угол преломления меньше угла падения.

Обратите внимание ещё на то, что при пересечении границы двух сред через цилиндрическую поверхность преломления не происходит, поскольку луч света падает перпендикулярно на неё (вдоль радиуса).

Теперь запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. Она у нас в этой работе одна: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:

Здесь же мы с вами, на всякий случай, укажем, что показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела (у нас это воздух), равен единице:

Так как нам с вами необходимо будет провести несколько измерений, то целесообразно оформить всё в виде таблицы. В первой колонке у нас будет номер опыта. Во вторую колонку мы занесём значения углов падения, которые даны нам по условию задания. В третьей колонке мы будем записывать соответствующие углы преломления. А последнюю колонку мы отведём для записи отношений синуса угла падения к синусу угла преломления света.

Теперь можно приступить непосредственно к работе. Для начала подключим осветитель (лампочку) к источнику постоянного тока через ключ. В плотную к осветителю поставим щелевую диафрагму, которая даст нам узкий пучок света. Теперь расположим планшет с транспортиром горизонтально так, чтобы луч света проходил над его поверхностью через центр. На планшете есть обозначенное место, куда мы поместим полуцилиндр. Если его нет, то стеклянный полуцилиндр кладут на диск таким образом, чтобы его плоская боковая поверхность совпадала с диаметром кругового транспортира.

Установка собрана. Замыкаем ключ. И поворачиваем планшет так, чтобы луч света падал на плоскую грань полуцилиндра под углом в 30°. Находим угол преломления и заносим его в таблицу с учётом погрешности измерения.

Теперь повернём планшет так, чтобы угол падения света был равен 45°. Определяем угол преломления и заносим его значение в таблицу.

Наконец, устанавливаем планшет так, чтобы угол падения света был равен 60°. Как видим, угол преломления света в этом случае равен почти 35°:

Размыкаем ключ.

Далее в нашу расчётную формулу поочерёдно подставляем значения углов падения и углов преломления светового луча.

Тогда в выводе мы с вами напишем, что с увеличением угла падения угол преломления также увеличивается. Однако отношение синуса угла падения к синусу угла преломления остаётся величиной постоянной.