Преломление света

Когда мы изучали отражение света, мы уже затрагивали тему преломления. При падении на границу двух сред, падающий луч разделился на отраженный луч и на преломлённый луч.

Преломлённый луч вошел в другую среду. При этом, преломлённый луч изменил направление. Именно это изменение направления при проникновении в другую прозрачную среду и называется преломлением света.

Преломление света происходит из-за различной скорости распространения света в различных средах. Например, в вакууме скорость света равна 300 000 км/с, а в стекле — 200 000 км/с. Скорость распространения света характеризует такое понятие как оптическая плотность среды. Для каждой среды оптическая плотность разная, и чем медленнее распространяется свет в данной среде, тем больше оптическая плотность этой среды. Для каждой пары сред есть показатель преломления, который зависит от оптической плотности. Показатель преломления равен отношению скоростей света в этих средах:

Напрмиер, для пары воздух-стекло показатель преломления равен

Часто даются значения показателей преломления среды, относительно вакуума. В таблице даны показатели преломления для некоторых сред.

Из этой таблицы мы видим, что скорость света в воздухе практически такая же, как и в вакууме. Поэтому, все значения в этой таблице мы можем расценивать, как показатели преломления относительно воздуха. Например, показатель преломления воды равен 1,33. Это значит, что в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Для стекла, как мы видим, показатель преломления может быть от 1,4 до 2,2, в зависимости от типа стекла.

Давайте рассмотрим процесс преломления света. Напомним, что углы падения, отражения и преломления отсчитываются от перпендикуляра, восставленного в точку падения.

Как и в случае с отражением света, падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в одной плоскости. В результате проведения многочисленных опытов было установлено, что при переходе из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, преломлённый луч приближается к перпендикуляру. Иными словами, угол преломления меньше угла падения, если вторая среда оптически более плотная, чем первая.

Заметим также, что если луч падает перпендикулярно границе двух сред, то преломления не произойдёт. То есть преломлённый луч тоже будет направлен перпендикулярно к границе двух сред. Если же, луч падает не перпендикулярно, то отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно показателю преломления двух сред:

Это и есть закон преломления света.

Преломлением света объясняются многие интересные вещи, такие как, например, радуга. Радуга образуется из-за разных показателей преломления для разных цветов. Дело в том, что белый цвет — это слияние всех цветов.

Так вот, пучки солнечного света, состоят из лучей всех цветов радуги. Проходя через мельчайшие капельки воды, каждый луч преломляется по-разному. В результате мы видим лучи каждого цвета в отдельности. Но как только капельки воды испаряются, процесс преломления прекращается, и радуга пропадает. Подробнее с подобными явлениями вы познакомитесь в старших классах.

Упражнения.

Задача 1. Известно, что показатель преломления воздуха и некоторой среды равен √2. Если мы посветим на эту среду под углом 45^о, то каким будет угол преломления?

Задача 2 (очередная миссия сталкера). Выстрел из его оружия подчиняется как законам отражения, так и законам преломления. Сталкер находится под жидкостью, скорость света в которой в √3 раз меньше скорости света в воздухе. На этот раз задача непростая: сталкеру нужно попасть в робота, который не даёт ему проникнуть в бункер с провизией. Но этот робот находится в неизвестной среде. Если выстрелить в красную кнопку, то платформа под сталкером будет подниматься вверх. Как надо выстрелить, чтобы попасть в робота?