Закон преломления света
Эксперименты показывают, что свет распространяется прямолинейно в однородных средах. Падая на границу раздела двух сред, свет частично отражается, а также частично проходит через границу раздела и распространяется во второй среде. Изменение направления светового луча, происходящее на границе двух сред, называется преломлением (преломлением).
Принцип Гюйгенса
Для объяснения механизма распространения световых волн голландский ученый Христиан Гюйгенс в 1678 г сформулировал принцип (постулат, то есть утверждение, принимаемое за истинное без доказательств), носящий его имя. Принцип состоит из двух основных положений:
- Каждая точка посередине, которой достигла световая волна, становится источником вторичных волн;
- Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, является поверхностью волны в следующий момент. Волновой фронт представляет собой огибающую вторичного волнового фронта.
Рис. 1. Принцип Гюйгенса.
На представленном рисунке показан фронт световой волны, распространяющейся со скоростью v в два момента времени: t и t + Δt. Видно, что точки волны в момент времени t являются источниками вторичной волны в момент времени t + ∆t.
Как отражается свет
Из принципа Гюйгенса следует закон отражения света, который формулируется следующим образом:
Падающий пучок, отраженный пучок и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, находятся в одной плоскости. Угол падения α равен углу отражения β.
Рис. 2. Отражение и преломление света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления
Как преломляется свет
Угол γ, образованный преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, проведенным через точку падения луча, называется углом преломления. Видно, что угол γ не равен углу α. Закон преломления света был открыт экспериментально в семнадцатом веке голландским физиком Снеллиусом и формулируется следующим образом:
- падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред к точке падения луча находятся в одной плоскости;
- отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.
Формула закона преломления света, количественно описывающая отношение синусов углов падения и преломления, выглядит так:
n21={v1\над v2}
где n21 — физическая величина, называемая относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой. Эта формула также называется законом Снелла по имени ее первооткрывателя.
Ярким примером явления преломления света является кажущееся разбивание чайной ложки в стакане с водой на границе раздела воздух-вода.
Рис. 3. Сломанная ложка в стакане воды
Что такое относительный показатель преломления
Экспериментально установлено, что различие между углом преломления и углом преломления связано с изменением скорости распространения света при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления представляет собой отношение скорости распространения волн в первой среде v1 к скорости их распространения во второй среде v2:
n21={v1\над v2}
Показатель преломления n среды относительно вакуума называется показателем преломления этой среды:
п = {с \ над v}
где с — скорость света в вакууме, v — скорость света в данной среде.
Экспериментально показано, что скорость света в вакууме является максимальной скоростью распространения в природе. Значение c равно 300 000 км/с. Поэтому показатели преломления всех веществ больше единицы.
Таким образом, относительный показатель преломления n21 в формуле закона Снеллиуса равен отношению показателей преломления сред n1 и n2:
n21={ n2\над n1}
Из двух сред среда с меньшим показателем преломления называется оптически менее плотной. Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду, то угол преломления меньше угла падения .
