Преломление света

Проведем опыт. Поместим в центр оптического диска стеклянную пластину и направим на нее луч света. Мы увидим, что на границе воздуха со стеклом свет не только отразится, но и проникнет внутрь стекла, изменив направление своего распространения (рис. 84).

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

На рисунке 84 обозначены: AO — падающий луч; OB — отраженный луч; OE — преломленный луч.

Преломление света в оптическом диске

Заметим, что если бы мы направили луч по направлению EO, то в силу обратимости световых лучей он вышел бы из стекла по направлению OA.

Преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его переходе из одной среды в другую. Впервые такое объяснение этому явлению дал в середине XVII в. патер Меньян. Согласно Меньяну, при переходе света из одной среды в другую луч света изменяет свое направление аналогично тому, как изменяется направление движения «солдатского фронта», когда луг, по которому идут солдаты, преграждается пашней, граница которой проходит под углом к фронту. Каждый из солдат, достигших пашни, замедляет свое движение, в то время как те из солдат, которые еще не достигли ее, продолжают идти с прежней скоростью. В результате этого солдаты, вступившие на пашню, начинают отставать от идущих по лугу, и колонна войск разворачивается (рис. 85).

Замедление волн

Чтобы определить, в какую сторону будет отклоняться луч света при его переходе через границу раздела двух сред, надо знать, в какой из этих сред скорость света меньше, а в какой больше.

Свет — это электромагнитные волны. Поэтому все, что говорилось о скорости распространения электромагнитных волн (см. § 28), в равной степени относится и к скорости света. Так, например, скорость света в вакууме максимальна и равна:

c = 299792 км/с ≈ 300000 км/с.

Скорость света в веществе v всегда меньше, чем в вакууме:

v < c.

Значения скорости света в различных средах приведены в таблице 6.

Скорость света в различных средах

Из двух сред та, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, — оптически менее плотной. Например, вода является оптически более плотной средой, чем воздух, а стекло — оптически более плотной средой, чем вода.

Опыт показывает, что, попадая в среду, оптически более плотную, луч света отклоняется от своего первоначального направления в сторону к перпендикуляру к границе раздела двух сред (рис. 86, а), а попадая в среду, оптически менее плотную, луч света отклоняется в обратную сторону (рис. 86, б).

Отклонение лучей

Угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения луча называется углом преломления. На рисунке 86

α — угол падения, β — угол преломления.

Из рисунка 86 видно, что угол преломления может быть как больше, так и меньше угла падения. Могут ли эти углы совпадать? Могут, но только тогда, когда луч света падает на границу раздела сред под прямым углом к ней; в этом случае α = β = 0.

Способность преломлять лучи у разных сред различна. Чем значительнее отличаются скорости света в двух средах, тем сильнее преломляются лучи на границе между ними.

Одной из основных деталей многих оптических приборов является стеклянная треугольная призма (рис. 87, а). На рисунке 87, б показан ход луча в такой призме: в результате двукратного преломления треугольная призма отклоняет падающий на нее луч в сторону к своему основанию.

Преломление лучей в призме

Преломление света является причиной того, что глубина водоема (реки, пруда, ванны с водой) кажется нам меньше, чем на самом деле. Ведь, чтобы увидеть какую-либо точку S на дне водоема, надо, чтобы лучи света, вышедшие из нее, попали в глаз наблюдателя (рис. 88). Но после преломления на границе воды с воздухом пучок света будет восприниматься глазом как свет, идущий из мнимого изображения S1, находящегося выше, чем соответствующая точка S на дне водоема. Можно доказать, что кажущаяся глубина водоема h составляет примерно ¾ его истинной глубины H.

Преломление лучей в воде

Впервые это явление было описано Евклидом. В одной из его книг рассказывается об опыте с кольцом. Наблюдатель смотрит на кубок с лежащим на его дне кольцом так, что края кубка не позволяют его увидеть; затем, не меняя положение глаз, в кубок начинают наливать воду, и через некоторое время кольцо становится видимым.

Преломлением света объясняются и многие другие явления, например кажущийся излом ложки, опущенной в стакан с водой; более высокое, чем на самом деле, положение звезд и Солнца над горизонтом и др.

??? 1. Что называют преломлением света? 2. Какой угол называют углом преломления? Как он обозначается? 3. Чему равна скорость света в вакууме? 4. Какая среда является оптически более плотной: лед или кварц? Почему? 5. В каком случае угол преломления света меньше угла падения и в каком больше? 6. Чему равен угол падения луча, если преломленный луч перпендикулярен границе раздела сред? 7. Почему наблюдателю, смотрящему сверху на воду, глубина водоема кажется меньше, чем на самом деле? Какой будет казаться глубина реки, если в действительности она равна 2 м? 8. В воздухе находятся куски стекла, кварца и алмаза. На чьей поверхности лучи света преломляются сильнее всего?

Экспериментальное задание. Повторите опыт Евклида. Положите на дно чайной чашки кольцо (или монету), после чего расположите ее перед собой так, чтобы края чашки закрывали ее дно. Если, не меняя взаимного расположения чашки и глаз, налить в нее воду, то кольцо (или монета) становится видимым. Почему?

Физика: