УРОК 25

Заломлення світла на межі поділу двох середовищ.

Закон заломлення світла

В одному з давньогрецьких трактатів описано дослід: «Потрібно стати так, щоб плоске кільце, покладене на дно посудини, сховалося за її краєм. Потім, не змінюючи положення очей, налити в посудину воду. Світло заломиться на поверхні води, і кільце стане видимим». Такий «фокус» ви можете показати своїм друзям, а от пояснити його зможете тільки після вивчення цієї теми.

Установлюємо закони заломлення світла

Зміну напрямку поширення світла на межі по ділу двох середовищ називають заломленням світла.

Кут γ (гамма), утворений заломленим променем і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, проведеним із точки падіння променя, називають кутом заломлення.

Закони заломлення світла:

1. Промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, встановлений із точки падіння променя, лежать в одній площині.
2. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величиною незмінною:

де n₂₁ — фізична величина, яку називають відносним показником заломлення середовища 2 (середовища, в якому світло поширюється після заломлення) відносно середовища 1 (середовища, із якого світло падає).

Дізнаємося про причину заломлення світла

В різних середовищах світло поширюється з різною швидкістю, але завжди повільніше, ніж у вакуумі. Наприклад, у воді швидкість поширення світла в 1,33 разу менша, ніж у вакуумі; коли світло переходить із води в скло, швидкість поширення світла зменшується ще в 1,3 разу; у повітрі швидкість поширення світла в 1,7 разу більша, ніж у склі, й лише трохи менша (приблизно в 1,0003 разу), ніж у вакуумі.

Саме зміна швидкості поширення світла в разі переходу з одного прозорого середовища в інше є причиною заломлення світла.

Прийнято говорити про оптичну густину середовища: чим менша швидкість поширення світла в середовищі (чим більший показник заломлення), тим більшою є оптична густина середовища.

З'ясовуємо фізичний зміст показника заломлення

Відносний показник заломлення (n₂₁) показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі 1 більша (або менша), ніж швидкість поширення світла в середовищі 2:

Згадавши другий закон заломлення світла: маємо:

Проаналізувавши останню формулу, доходимо висновків:

1. Чим більше на межі поділу двох середовищ змінюється швидкість поширення світла, тим більше світло заломлюється;
2. Якщо промінь світла переходить у середовище з більшою оптичною густиною (тобто швидкість світла зменшується: v₂ < v₁), то кут заломлення є меншим від кута падіння: γ < α
3. Якщо промінь світла переходить у середовище з меншою оптичною густиною (тобто швидкість світла збільшується: v₂ > v₁), то кут заломлення є більшим за кут падіння: γ > α.

Зазвичай швидкість поширення світла в середовищі порівнюють зі швидкістю його поширення у вакуумі. Коли світло потрапляє в середовище з вакууму, показник заломлення n називають абсолютним показником заломлення.

Абсолютний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі менша, ніж у вакуумі:

де с — швидкість поширення світла у вакуумі (с = 3 • 10⁸ м/с); v — швидкість поширення світла в середовищі.

Застосовуємо явище повного внутрішнього відбивання світла

Явище, за якого заломлення світла відсутнє (світло повністю відбивається від середовища з меншою оптичною густиною), називають повним внутрішнім відбиванням світла.

Ювеліри протягом сторіч використовують явище повного внутрішнього відбивання, щоб підвищити привабливість коштовних каменів. Природні камені огранюють — надають їм форми багатогранників: грані каменя виконують роль «внутрішніх дзеркал», і камінь «грає» в променях світла, що падає на нього. Повне відбивання світла застосовують в оптичній техніці.

Проте головне застосування цього явища пов’язане з волоконною оптикою. Якщо в торець суцільної «скляної нитки» спрямувати пучок світла, то після багаторазового відбивання світло вийде на її протилежному кінці незалежно від того, якою буде трубка — вигнутою чи прямою. Таку «нитку» називають світловодом.

Світловоди застосовують у медицині для дослідження внутрішніх органів (ендоскопія); у техніці, зокрема для виявлення несправностей усередині двигунів без їх розбирання; для освітлення сонячним світлом закритих приміщень; у декоративних світильниках тощо.

Однак найчастіше світловоди використовують як кабелі для передачі інформації. «Скляний кабель» є набагато дешевшим, він легший за мідний, практично не змінює своїх властивостей під впливом навколишнього середовища, дозволяє передавати сигнали на великі відстані без підсилення. Сьогодні волоконно-оптичні лінії зв’язку стрімко витісняють традиційні. Коли ви будете дивитися телевізор або користуватися Інтернетом, згадайте, що більшу частину свого «шляху» сигнал долає «скляною дорогою».

Учимося розв'язувати задачі

Задача. Світловий промінь переходить із середовища 1 у середовище 2. Швидкість поширення світла в середовищі 1 становить 2,4 -10⁸> м/с. Визначте абсолютний показник заломлення середовища 2 і швидкість поширення світла в цьому середовищі.

Аналіз фізичної проблеми. Із рисунку бачимо, що на межі поділу двох середовищ світло заломлюється, отже, швидкість його поширення змінюється.

Виконаємо пояснювальний рисунок, на якому:

• зобразимо промені, наведені в умові задачі;
• проведемо через точку падіння променя перпендикуляр до межі поділу двох середовищ;
• позначимо α кут падіння і γ — кут заломлення.

Віртуальна лабораторія

Зміст 9 клас Назад Наступна тема На гору