Как луч преодолевает воду: принципы и явления

Одним из важнейших явлений, связанных с оптической средой, является преломление света. Всякая оптическая среда имеет свой показатель преломления, который описывает отношение скорости света в данной среде к скорости света в воздухе. В данном случае речь идет о преломлении света при переходе из одной среды в другую, например, из воздуха в воду.

По закону преломления света, сказано по правилу Снеллиуса, угол падения луча равен углу преломления по отношению к перпендикуляру к поверхности раздела двух сред. Если в первой среде показатель преломления больше, чем во второй, то луч из первой среды сгибается в сторону перпендикуляра и приобретает меньший угол отклонения.

При преломлении скорость распространения лучей во второй среде мала по сравнению со скоростью в первой среде, что объясняется тем, что в второй среде, такой как стекло или вода, плотность атомов или молекул значительно выше, чем в первой среде — воздухе. Именно это приводит к изменению скорости и направления луча света.

§ 67 Преломление света Закон преломления света

При распространении световых лучей центры сферических волн надо сформулировать следующим образом: в случае преломления луча энергия его рассеивающей среды распространяется не только с появлением сферической волны отражённого или преломлённого луча.

Если отражённый луч больше сформированного на нём шара с радиусом, равным фокальной длине (поляризационной длине) отражённого луча, то преломляющий луч на значительное расстояние отклоняется от направления падающего луча.

Закон преломления света

Закон преломления света отвечает на вопрос о том, каким образом меняется направление падающего луча света при его переходе из одной среды в другую. Если переднюю среду плоской поверхностью отделять от задней, то вдоль главного направления относительная скорость света в передней среде вдоль главного направления больше, чем в задней. При падении световых лучей внутрь заранее известного предмета, случай, когда главное направление передней среды противоположно направлению нормали к падающей плоскости, появляется побочная ось, отвечающая настоящему принципу параллельного луча. Нормаль к падающему лучу всегда параллельна таковой к преломленному лучу.

Пример преломления света

Допустим, что падающий луч наклонён ближе к нормали, т.е. больше для тонких лучей, тем меньше радиус кривизны сферической поверхности, через которую происходит преломление света. Если такого рода сферическая поверхность сделана из собирающей внутрь среды, то влетающий луч будет стремиться падать параллельно к нормали к оси, и таким образом преломление произойдёт внешнее линейное фокусирование.

Луч, падающий параллельно к крайней нормали, преломляется внутрь и сходится в фокусе, расположенном внутри собирающей среды. Если площадь собирающей среды диаметром в 32 мм падает на 12,7 мм, лучей внутри неё, то эти лучи перпендикулярны оси и преломленный луч на прямой проходит через фокусную точку собирающего диодного луча.

Если площадь плоскости преломляется параллельно, а луч преломляется асимметрично, то играют роль пособий направление плоской поверхности и плоскость перпендикулярности к нормали.

Преломление света

В данной теме изображена преломляющая линза, с помощью которой можно наблюдать преломление луча света внутри среды. В условное изображении показано, как луч света идёт через данную среду и преломляется на поверхностях линзы.

При преломлении света меняется его направление в результате изменения скорости распространения луча в разных средах. Угол между падающим лучом и нормалью к поверхности равен углу между преломленным лучом и нормалью к поверхности внутреннего меняющего линзу.

Средний показатель преломления (n) определяется условным законом Снеллиуса и может быть вычислен с помощью данных, представленных на рисунках. В данной теме изображены прямой и побочный лучи, а также пучок лучей, идеально симметрично пройденный через данную линзу.

Если падающий луч параллелен главной оптической оси, то преломленный луч проходит через оптический центр линзы. В этом случае, собирающая линза сфокусирует пучок лучей в одну точку, а рассеивающая линза разбивает пучок на несколько лучей, направленных в разные стороны.

Данное явление полезно применять в различных пособиях и оптических приборах, чтобы изменить направление и скорость распространения света.

Закон преломления частный случай

В частном случае рассматривается закон преломления при переходе луча света от более плотной среды в менее плотную (например, от воды в воздух).

Оптический плоский параллельный пучок лучей света, падающий на границу раздела двух сред, как правило, также отражается от нее, поэтому рассматривается является лишь внутреннее падение, когда все лучи падают вдоль нормали к поверхности. В данной ситуации для абсолютного большинства этих лучей найти побочное отклонение от собирающей побочной оптической плоскости является практически невозможным.

В оптическом плане падающие на границу раздела среды лучи, падающие под большими углами к нормали, всегда переходят внутрь вещества по такому же падению, как если бы они падали с другой стороны с имеющимся углом преломления. Поэтому энергия, формирующая полное внутреннее падение, соответствует энергии, падающей на данную границу для соответствующих углов преломления для этой границы.

Полное внутреннее отражение света от границы двух сред, как правило, проявляется только из-за собирающей внутренней проводимости, за исключением отражающей побочной проводимости диэлектрической среды. В то же самое время, в оптическом плане, лучи в жидкости имеют центральную симметрию, причем центр падающего фокуса — это по сути точка на перпендикулярной нормали линии через эту точку, отраженная внутренними лучами.

Если соответствующая рассеивающая оптическая плоскость, симметричная внутреннему отражению света, собирается в конечной точке падающего пучка после перехода через такую же светонепроходимую плоскость, какую видишь на рисунке, то оптический пучок внутри вдоль этой линии, за исключением отражающих отражений, будет идти в точку, симметричную в отношении этого центра отражения, и называется фокусирующими лучами света.

Таким образом, закон преломления в данном случае отвечает условию полного внутреннего отражения света от границы раздела двух сред и позволяет найти побочные пути энергии света внутри среды, а именно полноценные внутренние и коррекционные преломления лучей света.

Обратимость световых лучей

Отражение светового луча происходит при попадании его на границу раздела двух сред, в данном случае — воды и воздуха. Закон отражения устанавливает, что угол падения равен углу отражения и лежит в плоскости, определенной нормалью к поверхности раздела. Если световой луч падает под углом близким к нормали, то он отражается обратно в среду, из которой пришел. В противном случае, луч отражается в среду, находящуюся ближе к нормали.

Преломление — это процесс смены направления пучка лучей при переходе через границу раздела двух сред. При падении светового луча на границу раздела двух сред с разными показателями преломления, луч отклоняется от прямолинейного направления. Закон преломления устанавливает, что отношение синусов угла падения и синуса угла преломления равно отношению показателей преломления сред. Таким образом, изменяя угол падения, можно контролировать угол выхода.

В случае, когда луч падает практически перпендикулярно к поверхности раздела двух сред, он проникает в среду, не отклоняясь от своей оси. Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения, при котором происходит полное внутреннее отражение, называется критическим углом. Если угол падения больше критического, то все световые лучи отражаются в среде, откуда падают на границу раздела.

Закон преломления общий случай

Закон преломления света лежит в основе понимания явления преломления света в среде. Исходя из данного закона, установлено, что при переходе светового пучка из одной среды в другую, угол между лучом и перпендикуляром к поверхности раздела между ними меняется.

Если падающий луч света идет перпендикулярно границе раздела двух сред (например, относительно внутренней стороны линзы), то при падении на поверхность под углом 90°, он не преломляется, а отражается по правилу прямого отражения света.

Если же луч падает под углом к поверхности меньше 90°, то происходит преломление света в соответствии с законом преломления. По этому закону, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления в данной среде является постоянным и называется показателем преломления данной среды по отношению к другой среде.

Так, например, для воды показатель преломления равен 1,33 по отношению к воздуху. Это значит, что при переходе луча света из воздуха в воду, его скорость меняется в 1,33 раза, а его более быстрое движение в воздухе (в более менее плотной среде) вызывает отклонение к более перпендикулярному направлению.

Рисунок 1. Преломление света при переходе из воздуха в воду.

Из рисунка видно, что падающий луч света при переходе из воздуха в воду преломляется в сторону перпендикуляра к поверхности раздела сред и направляется более близко к перпендикуляру.

Это явление объясняется тем, что вода обладает большим показателем преломления по отношению к воздуху, чем воздух к воде (1,33 > 1). Поэтому он идет к более плотной среде менее быстро, чем в вакууме, и, по правилу, принятому в оптике, при переходе проводит большую часть наимудренного пути, растянувшегося во времени.

Рисунок 2. Падающий луч света совершает наимудренный путь в более плотной среде (в воде).

Помимо этого, внутреннее отражение света может представлять собой побочный случай преломления. Оно наблюдается при падении луча света в среду с большим показателем преломления по отношению к среде, из которой исходит луч (например, в случае падающего луча света из воды в воздух).

Рисунок 3. Внутреннее отражение света при переходе из оптически более плотной среды (воды) в менее плотную (воздух).

При определенных условиях (падающий угол больше предельного) происходит полное внутреннее отражение света, т.е. свет не преломляется, а отражается. Это явление имеет место, когда переход луча происходит из оптически более плотной среды (например, вода) в менее плотную среду (например, воздух).

В данном случае, при падении луча на поверхность перпендикулярно, отражённый луч создает с падающим угол равный и противоположный ему. Падающий луч преломляется под углом относительно перпендикуляра, тогда как отраженный луч отражается под углом 180° по отношению к падающему. Если угол падения превышает предельное значение (угол полного внутреннего отражения), то световой луч не преломляется, а отражается от поверхности полностью.

Внутреннее отражение света – это довольно интересное явление в оптике, и регулируется данным законом для гарантированного воздействия. В главном оптическом кодификаторе вторая часть закона преломления объясняет данное явление.

По закону преломления для перпендикулярных лучей применяются такие же правила как для падающих лучей, а относительная скорость лучей и, следовательно, возникающие преломления также равны.

Полное внутреннее отражение

Рассмотрим случай, когда луч света проходит из оптически более плотной среды (например, из стекла или воды) в оптически менее плотную среду (например, воздух). В этой ситуации может произойти полное внутреннее отражение.

Пусть имеется параллельный пучок света, направленный сначала в стекло под углом преломления (углом отклонения луча от нормали к поверхности раздела сред) больше, чем критический угол, определяемый по закону Снеллиуса. В этом случае световой луч полностью отражается от границы раздела сред и направляется обратно в стекло.

Такое полное внутреннее отражение является следствием обратимости закона преломления света. Если световой луч двигается от плотной среды в менее плотную, то при определенных условиях он может вернуться обратно в плотную среду. Энергия света при этом не теряется.

На рисунке показан пример полного внутреннего отражения. Луч света падает на границу раздела стекло-воздух под углом преломления больше, чем критический угол. В результате отражения луча света под углом, близким к 90 градусам, изображена падающая побочная линза. Это говорит о том, что каждая точка падающего пучка света рассеивается под углами, близкими к прямым углам, относительно нормали к поверхности раздела сред.

Для нахождения критического угла применим принцип внутреннего преломления. Пусть вектор скорости света в плотной среде равен условной скорости света в плотной среде, а в менее плотной среде равен условной скорости света в менее плотной среде. По закону преломления находим, что отношение синуса критического угла к синусу угла преломления равно отношению скорости света в менее плотной среде к скорости света в плотной среде. Тогда критический угол можно найти по формуле:

sin(кр) = n₂/n₁

где n₁ — показатель преломления плотной среды, а n₂ — показатель преломления менее плотной среды.

Тонкие линзы Ход лучей

Главными характеристиками тонкой линзы являются фокусное расстояние и оптическая сила. Фокусное расстояние (f) — это расстояние от центра линзы до ее фокуса (F). Оптическая сила (D) определяется по формуле D = 1/f и измеряется в диоптриях.

Для определения хода лучей в тонкой линзе будем использовать принцип Гюйгенса-Френеля. Сначала рассмотрим две границы раздела между двумя средами: воздухом и линзой. Условное показатель преломления нормальной среды отличается от показателя преломления нормальным стекла. Поэтому, при падении луча из воздуха на линзу, он отклоняется и преломляется. Затем он падает на границу другой среды и также отклоняется и преломляется внутри этой среды.

Для тонкой линзы можно провести ось, которая проходит через середину линзы и перпендикулярна границе раздела двух сред. Эта ось является оптической осью линзы.

При прохождении луча через линзу он отклоняется и преломляется. Если луч падает параллельно оптической оси (в плоскости, проходящей через оптическую ось), то он пройдет через линзу, пересекая ось в точке F. Эта точка F является фокусом линзы и важна для определения фокусного расстояния.

Если же луч падает из точки на оптической оси, он будет отклоняться и преломляться, а затем, пересекая ось, продолжит свой путь. Если отобразить точку и фокус, используя симметрию, мы увидим, что их отображение происходит с обратным расположением. Также важно отметить, что углы при этом сохраняются и они не меняют своё значение.

Еще одно важное явление, связанное с прохождением лучей через тонкую линзу, это явление аберрации. Внутреннее свечение наблюдается при проведении луча в тонкой линзе. Оно может быть определено как доля энергии, переходимая внутренней скоростью косвенного отражения.

Как показано в таблице, показатель преломления среды между двумя плоскостями линзы равен показателю преломления внутренней среды. Фокусное расстояние является расстоянием от фокуса до линзы. Фокус (F) линзы находится в той же среде, что и предмет, и вовлекает действие фокусной среды для его определения.

Тип линзы	Фокусное расстояние (f)	Оптическая сила (D)
Вогнутая линза	Отрицательное значение	Отрицательное значение
Выпуклая линза	Положительное значение	Положительное значение

Видео:

Ход лучей через линзы

Ход лучей через линзы by Саня Эбонит | Физика ЕГЭ | 100балльный репетитор 11,821 views 2 years ago 13 minutes, 41 seconds