Изучаем: как луч света проникает через стекло, воздух и воду

Одним из удивительных явлений в природе является преломление света. Изучая его, мы получим ответы на многие вопросы, связанные с передвижением света в различных средах. Так, например, почему лучи света меняют направление при переходе с воздуха в воду или в стекло? И почему они отражаются от границы этих веществ?

В основе этих явлений лежит известный закон преломления света, согласно которому призматическая грань выступает в качестве раздела между двумя средами — воздухом и водой, воздухом и стеклом. При падении лучей света на эту грань происходит отражение и преломление.

Внутри призмы, к заданному преломлению падающий свет, пусть кабелем, пройдет самую короткую дистанцию по закону преломления.Однако считать эту среду воздухом не слишком удобно. Больше упражнений в практике сходите и будут данные ответы.

При изучении преломления света в воздухсреде самая первая тема — внутреннее преломление света. В тоже время самая основная и обратимость к ее показателю. Изучив именно эту тему, вы сможете легко разобраться с различными физическими законами о преломлении света, а также с явлением полного внутреннего отражения. Кроме того, здесь вы найдете ответы на вопросы о скорости распространения света в различных веществах и о том, как энергия света зависит от показателя преломления воздуха.

Закон преломления света на границе воздуха и стекла или воздуха и воды говорит нам о том, что при переходе света с одной среды в другую его направление изменяется. Падающий свет отклоняется и преломленный луч идет уже под другим углом. Такое явление называется преломлением света.

Преломление света

При преломлении света происходят изменения в направлении распространения световых лучей. Угол падения — это угол между направлением падающего луча и перпендикуляром к поверхности раздела двух сред. Угол преломления — это угол между направлением преломленного луча и перпендикуляром. Закон преломления света утверждает, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно и прямо пропорционально показателю преломления двух сред.

Показатель преломления среды — это величина, определяющая скорость распространения света в этой среде по сравнению с его скоростью в вакууме. В случае перехода света из воздуха (показатель преломления около 1) в стекло или воду (показатель преломления больше 1), лучи преломленного света приближаются к перпендикуляру и направляются ближе к границе раздела двух сред. В случае перехода света из более плотной среды в менее плотную (например, из вода в воздух), лучи преломленного света удаляются от перпендикуляра.

Из-за преломления света лучи, падающие под малыми углами относительно границы падают на внутреннюю поверхность и отражаются от нее. Это явление называется полным внутренним отражением и применяется, например, в оптических кабелях для передачи световой энергии.

Примерно в половине упражнений по оптике задаются вопросы на эту тему, поэтому важно понимать причины преломления света. Почему свет в воде или стекле тусклее, чем в воздухе? Здесь ответы проявляются всего лишь как частный случай в общем законе преломления. Это связано с тем, что часть энергии света отражается от воздух-вода или воздух-стекло, а значит, меньше энергии проникает сквозь границу раздела сред. Показатель преломления воды или стекла больше показателя преломления воздуха, что еще усиливает это явление.

Закон преломления частный случай

В исходной среде, воздухе, свет распространяется с определённой скоростью. При попадании на границу стекло — воздух он отражается и преломляется. Часть энергии светового луча отражается от границы, а часть преломляется и переходит в среду стекло.

Показатель преломления – это отношение скорости света в воздухе к скорости света в среде, который определяется показателем преломления среды. Показатель преломления стекла больше, чем показатель преломления воздуха. Это означает, что скорость света в стекле меньше.

В этой задаче преломление света происходит на границе стекло — вода. Если показатель преломления стекла меньше показателя преломления воды, то полное внутреннее отражение не будет происходить, и световой луч будет частично преломлен, а частично отражён.

При полном внутреннем отражении, когда показатель преломления стекла больше показателя преломления воды, световой луч не преломляется в воде, а полностью отражается от границы стекло — вода. При этом угол, под которым падает луч света на границу, больше угла, под которым отражается луч света от этой границы. Угол падения и угол отражения связаны следующим общим законом: углы падения и отражения равны.

Таким образом, при построении хода луча воздух — стекло — вода — воздух можно наблюдать следующее:

1. Световой луч при падении из воздуха на границу сред стекло — вода будет менее отклоняться от нормали, так как показатель преломления стекла больше, чем показатель преломления воздуха.
2. При переходе светового луча из стекла в воду он будет снова менее отклоняться от нормали, так как показатель преломления воды больше, чем показатель преломления стекла.
3. После выхода светового луча из воды в воздух он будет опять менее отклоняться от нормали, так как показатель преломления воздуха меньше, чем показатель преломления воды.

Таким образом, в данном случае общий ход луча представляет собой несколько частичных отклонений при переходах между различными средами. Как видно из упражнений, луч проходит воздух — стекло — вода, между которыми углы преломления и возврата имеют разные значения. Это происходит потому, что показатели преломления этих сред различаются. В данном случае, наименьшим углом является угол воздуха, а больше всех отклоняется луч в воде.

Обратимость световых лучей

При прохождении через прозрачные среды, такие как стекло или вода, световые лучи могут отражаться от границы раздела сред с разной плотностью. Однако внутри среды световой луч практически не отражается, а преломляется, изменяя свое направление. Это связано с различием скорости света в разных средах.

Закон, описывающий отношение между углом падения и углом преломления, получил название закона преломления света. Этот закон можно записать следующим образом:

Закон преломления света

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателей преломления двух сред:

sin(угол падения) / sin(угол преломления) = показатель преломления первой среды / показатель преломления второй среды

При падении светового луча на границу двух сред под углом отличным от нуля, он будет отражаться и преломляться. Угол падения будет больше угла преломления. Падающий и отраженный лучи будут находиться в одной плоскости, а преломленный луч пойдет в другом направлении.

Наибольший угол преломления будет при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Например, падающий луч будет отклоняться сильнее вода, чем в стекле. Различие показателей преломлений между стеклом и водой обуславливает эту разницу в отклонении.

В случае, когда падающий луч практически перпендикулярен границе раздела двух сред, он переходит из одной среды в другую без отражения и с минимальным отклонением. Это явление называется полным внутренним отражением.

Для проведения определенных упражнений и заданий, потребуется знание показателей преломления различных сред. Например, показатели преломления стекла, воды и воздуха равны соответственно около 1.5, 1.33 и 1. При изучении материалов оптики, можно считать показатели преломления среды исследования стеклом и водой.

Закон преломления общий случай

В оптике существует явление падения света на границу различных сред с разными показателями преломления. По закону преломления лучи света, падающие на поверхность, отклоняются при переходе из одной среды в другую. Закон преломления формулируется следующим образом: отношение синуса угла падающего луча к синусу угла преломленного луча равно отношению показателей преломления двух сред.

В общем случае, если падающий луч света проходит через несколько границ разных сред, его ход можно разложить на отрезки, соответствующие каждой границе раздела сред. При этом, углы между лучами и границей раздела сред будут равны углам падения и преломления.

Например, рассмотрим ход луча света из воздуха в стекло, а затем из стекла в воду.

Ход луча воздух → стекло

Падающий луч света попадает на границу раздела воздуха и стекла. Считая себя воздухом плоскостью отклонения солнечного луча от нормали, можно увидеть, что в результате преломления луч отклоняется от своего первоначального направления в сторону от границы раздела сред. При этом, скорость света в стекле будет меньше, чем в воздухе, поскольку коэффициент преломления стекла больше коэффициента преломления воздуха.

Итак, после первого преломления луч света продолжает свой ход в стекле.

Ход луча стекло → вода

Далее, падающий луч, считая себя стеклом плоскостью отклонения, попадает на границу раздела стекла и воды. По закону преломления луч отклоняется от своего первоначального направления в сторону от границы раздела сред. Отношение синусов углов преломления и падения для этого случая можно выразить с помощью показателей преломления стекла и воды.

Таким образом, полный ход луча света воздух → стекло → вода можно представить через последовательное преломление на границах раздела сред. При этом, углы преломления меняются в соответствии с законом преломления и внутренними показателями преломления каждой среды.

Это общий случай преломления луча света и перечертите для себя, с учетом приведенных углов, чтобы лучше понять это явление.

Полное внутреннее отражение

Полное внутреннее отражение определяется законом преломления света, который гласит: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления всегда постоянно и равно показателю преломления среды, в которой происходит отражение и преломление лучей. При полном внутреннем отражении угол преломления будет равен 90°. Таким образом, световой луч, падающий на поверхность под углом больше критического угла, не преломится и полностью отразится.

Примерно такое явление происходит, когда свет распространяется от воздуха в стекло и вода. В воздухе показатель преломления равен приближенно 1, а в стекле и воде показатели преломления превышают единицу. Поэтому свет, попавший на границу воздуха и стекла/воды под углом больше критического угла, будет полностью отражаться обратно в среду, из которой он пришел.

Обратимость полного внутреннего отражения

Полное внутреннее отражение является обратимым явлением. Это означает, что световые лучи, отраженные при полном внутреннем отражении, могут повторно пройти через среду и стать выходными лучами. Однако, при выходе из среды в воздух, эти лучи становятся менее яркими и тусклее, так как часть света поглощается средой.

Примеры полного внутреннего отражения

Примером полного внутреннего отражения может служить явление «блеска» внутри опалового камня или внутри капли воды. В этих случаях световые лучи от множественных отражений внутри среды получаются настолько направленными, что видимый свет выходит только через некоторую область поверхности.

Существуют различные вопросы и задание по полному внутреннему отражению, включая нахождение критического угла, показателя преломления среды и углов отражения и преломления. Ответы на эти вопросы можно получить, используя законы преломления и отражения света и зная значения показателей преломления различных веществ.

Видео:

Урок 202 (осн). Преломление света. Законы преломления

Урок 202 (осн). Преломление света. Законы преломления by Павел ВИКТОР 92,435 views 4 years ago 39 minutes