На главую страницу

Физика → Методика → Экзамены → Ответы на билеты устных экзаменов → 31. Явление преломления света


   31. Явление преломления света

1. Некоторые природные явления, объясняемые преломлением света. 2. Объяснение явления с волновой точки зрения. 3. Закон преломления света. 4. Показатель преломления. 5. Явление полного отражения. 6. Распространенные ошибки.

Многие явления в природе объясняются тем, что свет при переходе из одной среды в другую изменяет направление распространения. Например, если опустить карандаш в стакан, то мы наблюдаем «излом карандаша».

Преломлением объясняется кажущееся уменьшение глубины реки.

Свет преломляется и при распространении в неоднородной среде. Например, такой неоднородной средой является воздух, разные слои которого нагреты по-разному. Свет в таком воздухе преломляется. И именно этим объясняются миражи.

Почему же происходит преломление света? Дело здесь в том, что при переходе из одной среды в другую скорость света как электромагнитных волн изменяется. Например, в воздухе она равна  v_1 = 3 \cdot{} 10^8 м/с , а в стекле  v_2 = 2 \cdot{} 10^8 м/с . Частота v колебаний при этом не изменяется. Следовательно, при переходе из одной среды в другую изменяется длина волны. Например, при переходе из воздуха в стекло длина волны уменьшается в  \frac{v_1}{v_2} = 1,5 раза.

Теперь представим себе, что свет не преломляется. Тогда на границе воздух — стекло происходит разрыв волновых поверхностей (рис. 46, а). Чтобы такого разрыва не было, свет должен испытать преломление (рис. 46, б).

Из этого объяснения следует, что при угле падения  \alpha = 0^o преломление не происходит (рис. 46, в).

Пронаблюдаем явление преломления. Перед экраном со щелью поставим лампочку и на пути пучка света положим плоскопараллельную пластину со скошенными гранями.

Зафиксируем ход пучка иголками. Затем уберем иголку, лампочку и экран, обведем контуры пластины и начертим падающий и преломленный лучи (рис. 47).

Подобные опыты позволили открыть закон преломления света. Он устанавливает связь между углами падения и преломления и формулируется следующим образом: падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:  \frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = n_{21} .

Углы падения и преломления отсчитываются от перпендикуляра к границе раздела двух сред до прямых, показывающих направление световых волн в первой и второй средах (рис. 48).

Величина  n_{21} называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Можно доказать, что  n_{21} = \frac{v_1}{v_2} . Например, показатель преломления стекла равен  n_{21} = \frac{3 \cdot{} 10^8 м/с}{2 \cdot{} 10^8 м/с} = 1,5 .

Явление полного отражения состоит в том, что свет не испытывает при некоторых условиях преломления даже при угле падения  \alpha \notequal 0^o . Это происходит, если свет переходит из вещества, где он распространяется с меньшей скоростью, в вещество, где скорость света больше. Например, полное отражение можно наблюдать при переходе света из стекла в воздух.

Пронаблюдаем это явление. Воспользуемся пластиной и через боковую грань «запустим свет внутрь стекла».

И мы увидим полное отражение (рис. 49). Можно пайти угол  \alpha_0 , при котором начинается полное отражение, воспользовавшись законом преломления света.

Пусть  n = 1,5 — показатель преломления стекла. Тогда при переходе света из стекла в воздух можно написать  \frac{\sin \alpha}{\sin \beta} = \frac{1}{1,5} = \frac{2}{3} . Максимальное значение  \beta = 90^o . Тогда  \sin \alpha_0 = \frac{1}{1,5} = \frac{2}{3}, угол  \alpha_0 = 41^o . В нашем опыте угол  \alpha > \alpha_0 , если свет входит в пластину через грань АВ, и  \alpha < \alpha_0 , если через грань CD (рис. 50).

В первом случае будет наблюдаться явление полного отражения, во втором — нет.



Оставить комментарий
Сообщить об ошибке