У відеоуроці фізики від Академії цікавих наук професор Данило Едісонович продовжує розпочату в попередній серії передачі розмову про світло. Що таке відображення світла телеглядачі вже знають, а що таке заломлення світла? Саме заломленням світла пояснюються деякі дивні оптичні явища, які ми можемо спостерігати у нашому повсякденному житті.
Явище заломлення світла
Чому ноги людей, що стоять у воді, здаються коротшими, ніж насправді, а якщо подивитися на дно річки, то воно здається ближче? Вся справа у явищі заломлення світла. Світло завжди намагається рухатися прямою лінією, найкоротшим шляхом. Але потрапляючи з одного фізичного середовища до іншої частини сонячних променів змінює напрямок. У цьому випадку ми маємо справу з явищем спотворення світла. Саме тому ложка в склянці з чаєм здається зламаною — світло від частини ложки, яка в чаї досягає наших очей під іншим кутом, ніж світло від частини ложки, яка знаходиться над поверхнею рідини. Заломлення світла у разі відбувається межі повітря із водою. При відображенні промінь світла рухається найкоротшим шляхом, а при заломленні найшвидшим. Використовуючи закони відображення та заломлення світла, люди створили безліч речей, без яких сьогодні наше життя немислиме. Телескопи, перископи, мікроскопи, збільшувальне скло, все це було б неможливо створити без знання законів заломлення та відображення світла. Збільшувальне скло збільшує тому, що пройшовши через нього, промені світла потрапляють в око під кутом більшим, ніж промені, відбиті від самого предмета. Для цього предмет потрібно розташувати між лупою та її оптичним фокусом. Оптичний фокус; це точка, в якій перетинаються (фокусуються) спочатку паралельні промені після проходження через систему, що збирає (або де перетинаються їх продовження, якщо система розсіює). Лінза (наприклад, лінзи окулярів) має дві сторони, тому промінь світла переломлюється двічі — входячи і виходячи з лінзи. Поверхня лінзи може бути вигнутою, увігнутою або плоскою, що визначає, яким саме чином у ній станеться явище заломлення світла. Якщо у лінзи обидві сторони опуклі - це лінза збірна. Заломлюючись у такій лінзі, промені світла збираються в одній точці. Вона називається головним фокусом лінзи. Лінза з увігнутими сторонами називається розсіювальною. На перший погляд вона позбавлена фокусу, адже промені, проходячи через неї, розсіюються, розходяться убік. Але якщо ми перенаправимо ці промені назад, то вони знову пройшовши через лінзу, зберуться в точці, яка і буде фокусом цієї лінзи. Є лінза і в оці людини, вона називається кришталиком. Його можна порівняти з кінопроектором, який проектує картинку на екран – задню стінку ока (сітківку). Ось і виходить, що озеро - це гігантська лінза, що викликає явище заломлення світла. Тому і здаються короткими ноги у рибалок, що стоять у ньому. Веселка теж з'являється на небі через лінзи. У ролі виступають дрібні крапельки води чи частки снігу. Веселка виникає через те, що сонячне світло заломлюється і відбивається крапельками води (дощу або туману), що ширяють в атмосфері. Ці крапельки по-різному відхиляють світло різних кольорів. В результаті біле світло розкладається в спектр (відбувається дисперсія світла). Спостерігач, який стоїть спиною до джерела світла, бачить різнокольорове свічення, яке виходить із простору по колам (дугам).
Процеси, пов'язані зі світлом, є важливою складовою фізики і оточують нас у нашому повсякденному житті повсюдно. Найважливіші в цій ситуації є закони відображення та заломлення світла, на яких ґрунтується сучасна оптика. Заломлення світла є важливим складником сучасної науки.
Ефект спотворення
Ця стаття розповість вам, що є явищем заломлення світла, а також як виглядає закон заломлення і що з нього випливає.
Основи фізичного явища
При падінні променя на поверхню, яка розділяється двома прозорими речовинами, що мають різну оптичну густину (наприклад, різне скло або у воді), частина променів буде відображена, а частина – проникне у другу структуру (наприклад, піде поширюватися у воді чи склі). При переході з одного середовища до іншого для променя характерна зміна свого напряму. Це і є явище заломлення світла.
Особливо добре відображення та заломлення світла видно у воді.
Ефект спотворення у воді
Дивлячись на речі, що у воді, вони здаються спотвореними. Особливо це дуже помітно на межі між повітрям та водою. Візуально здається, що підводні предмети трохи відхилені. У фізичному явищі, що описується, якраз і криється причина того, що у воді всі об'єкти здаються спотвореними. При попаданні променів на скло цей ефект менш помітний.
Заломлення світла є фізичне явище, яке характеризується зміною напрямку руху сонячного променя в момент переміщення з одного середовища (структури) в інше.
Для покращення розуміння даного процесу, розглянемо приклад попадання променя з повітря у воду (аналогічно до скла). Під час проведення перпендикуляра вздовж межі розділу можна виміряти кут заломлення та повернення світлового променя. Цей показник (кут заломлення) змінюватиметься при проникненні потоку у воду (всередину скла).
Зверніть увагу! Під даним параметром розуміється кут, який утворює перпендикуляр, проведений до розділу двох речовин при проникненні променя першої структури в другу.
Проходження променя
Цей показник характерний й інших середовищ. Встановлено, що цей показник залежить від густини речовини. Якщо падіння променя відбувається з менш щільною в щільнішу структуру, то кут створюваного спотворення буде більшим. А якщо навпаки – то менше.
При цьому зміна нахилу падіння також позначиться на даному показнику. Але відношення між ними не залишається незмінним. У той же час, відношення їхніх синусів залишиться постійною величиною, яку відображає така формула: sinα / sinγ = n, де:
- n – стала величина, яка описана для кожної конкретної речовини (повітря, скла, води і т.д.). Тому, якою буде дана величина можна визначити за спеціальними таблицями;
- α – кут падіння;
- γ – кут заломлення.
Для визначення цього фізичного явища і було створено закон заломлення.
Фізичний закон
Закон заломлення світлових потоків дає змогу визначити характеристики прозорих речовин. Сам закон складається з двох положень:
- перша частина. Промінь (падаючий, змінений) та перпендикуляр, який був відновлений у точці падіння на кордоні, наприклад, повітря та води (скла тощо), будуть розташовуватися в одній площині;
- друга частина. Показник співвідношення синуса кута падіння до синуса цього ж кута, що утворився під час переходу кордону, буде величиною постійної.
Опис закону
При цьому в момент виходу променя з другої структури в першу (наприклад, при проходженні світлового потоку з повітря через скло і назад в повітря) також буде виникати ефект спотворення.
Важливий параметр для різних об'єктів
Основний показник у цій ситуації — це співвідношення синуса кута падіння до аналогічного параметра, але спотворення. Як випливає із закону, описаного вище, цей показник являє собою постійну величину.
При цьому при зміні значення нахилу падіння така ж ситуація буде характерна і для аналогічного показника. Цей параметр має велике значення, оскільки є невід'ємною характеристикою прозорих речовин.
Показники для різних об'єктів
Завдяки цьому параметру можна досить ефективно розрізняти види скла, а також різноманітні дорогоцінні камені. Також він важливий визначення швидкості переміщення світла у різних середовищах.
Зверніть увагу! Найвища швидкість світлового потоку – у вакуумі.
При переході з однієї речовини в інші його швидкість буде зменшуватися. Наприклад, у алмазу, який має найбільший показник заломлюваності, швидкість поширення фотонів буде в 2,42 рази вищою, ніж у повітря. У воді вони поширюватимуться повільніше в 1,33 рази. Для різних видів скла цей параметр коливається в діапазоні від 1,4 до 2,2.
Зверніть увагу! Деякі скла мають показник заломлення 2,2, що дуже близько до алмазу (2,4). Тому не завжди вдасться відрізнити скло від реального алмазу.
Оптична густина речовин
Світло може проникати через різні речовини, що характеризуються різними показниками оптичної густини. Як ми вже говорили раніше, використовуючи цей закон можна визначити характеристику густини середовища (структури). Чим щільнішою вона буде, тим з меншою швидкістю в ній поширюватиметься світло. Наприклад, скло або вода будуть більш оптично щільними, ніж повітря.
Крім того, що цей параметр є постійною величиною, він ще й відображає відношення швидкості світла у двох речовинах. Фізичний зміст можна відобразити у вигляді наступної формули:
Цей показник каже, як змінюється швидкість поширення фотонів під час переходу з однієї речовини до іншого.
Ще один важливий показник
При переміщенні світлового потоку через прозорі об'єкти можлива його поляризація. Вона спостерігається під час проходження світлового потоку від діелектричних ізотропних середовищ. Поляризація виникає під час проходження фотонів через скло.
Ефект поляризації
Часткова поляризація спостерігається, коли кут падіння світлового потоку на межі двох діелектриків відрізнятиметься від нуля. Ступінь поляризації залежить від того, якими були кути падіння (закон Брюстера).
Повноцінне внутрішнє відображення
Завершуючи наш невеликий екскурс, ще необхідно розглянути такий ефект як повноцінне внутрішнє відображення.
Явище повноцінного відображення
Для появи даного ефекту необхідно збільшення кута падіння світлового потоку в момент його переходу з більш щільного менш щільне середовище в межі розділу між речовинами. У ситуації, коли цей параметр перевищуватиме певне граничне значення, тоді фотони, що падають на межу цього розділу, будуть повністю відображатися. Власне, це і буде наше шукане явище. Без нього було неможливо зробити волоконну оптику.
Висновок
Практичне застосування особливостей поведінки світлового потоку дали дуже багато, створивши різноманітні технічні пристрої для покращення нашого життя. При цьому світло відкрило перед людством далеко не всі свої можливості та його практичний потенціал ще повністю не реалізовано.
Як зробити паперовий світильник своїми руками
Як перевірити працездатність світлодіодної стрічки
1. Проводимо досліди щодо заломлення світла
Проведемо такий експеримент. Направимо на поверхню води у широкій посудині вузький пучок світла під деяким кутом до поверхні. Ми зауважимо, що в точках падіння промені не тільки відбиваються від поверхні води, а й частково проходять у воду, змінюючи свій напрямок (рис. 3.33).
- Зміна напряму поширення світла у разі його проходження через межу розділу двох середовищ називають заломленням світла.
Першу згадку про заломлення світла можна знайти в роботах давньогрецького філософа Аристотеля, який ставив питання: чому палиця у воді здається зламаною? А в одному із давньогрецьких трактатів описаний такий досвід: «Потрібно стати так, щоб плоске кільце, покладене на дно судини, сховалося за його краєм. Потім, не змінюючи очей, налити в посудину воду.
Мал. 3.33 Схема досвіду демонстрації заломлення світла. Переходячи з повітря у воду, промінь світла змінює свій напрямок, зміщуючись до перпендикуляра, відновленого у точці падіння променя
2. Існують такі співвідношення між кутом падіння та кутом заломлення:
а) у разі збільшення кута падіння збільшується і кут заломлення;
б) якщо промінь світла переходить із середовища з меншою оптичною щільністю в середу з більшою оптичною щільністю, то кут заломлення буде меншим, ніж кут падіння;
в) якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною щільністю в середу з меншою оптичною щільністю, то кут заломлення буде більшим, ніж кут падіння.
(Слід зазначити, що у старших класах, після вивчення курсу тригонометрії, ви глибше познайомитеся з заломленням світла і дізнаєтеся про нього лише на рівні законів.)
4. Пояснюємо заломленням світла деякі оптичні явища
Коли ми, стоячи на березі водоймища, намагаємося визначити його глибину на око, вона завжди здається меншою, ніж є насправді. Це пояснюється заломленням світла (рис. 3.37).
Мал. 3. 39. Оптичні пристрої, робота яких базується на явищі спотворення світла
- Контрольні питання
1. Яке явище ми спостерігаємо, коли світло проходить через межу поділу двох середовищ?
Л. І. Мандельштам вивчав поширення електромагнітних хвиль, передусім - видимого світла. Він виявив цілу низку ефектів, деякі нині носять його ім'я (комбінаційне розсіювання світла, ефект Мандельштама-Брілюена тощо).
Варіант 1. Обладнання:прилад вивчення законів геометричної оптики, випрямляч ВС-24 або ВС 4-12, плоске дзеркало з деталей приладу.
Під час підготовки приладу по геометричній оптиці до роботи регулюють освітлення екрана. Для цього послаблюють шаровий шарнір і повертають або зміщують освітлювач до тих пір, поки середня смужка світла не пройде через весь екран (за його діаметром). У цьому положенні освітлювач закріплюють. Якщо ж при цьому смужка світла буде розпливчастою, не різкою, то відпустивши гвинт, що фіксує електропатрон в освітлювачі, обертають, опускають або піднімають електропатрон до отримання чіткої смужки світла на екрані. Якщо бічні смужки світла не доходять до краю екрана, слід змінити нахил освітлювача. Після налагодження всі гвинти надійно закріплюють.
Установку збирають за малюнком 278. За допомогою притиску встановлюють плоске дзеркало з набору оптичних деталей так, щоб його поверхня, що відбиває, збігалася з горизонтальною віссю. Залишають лише один середній промінь. Змінюють кут падіння від 0 до 90°, відзначають кут відбиття, порівнюють ці кути, роблять висновок.
Повторюють досвід, демонструючи властивості оборотності світлових пучків, навіщо переводять освітлювач із частини диска до іншої. (При демонстрації дослідів з геометричної оптики приміщення має бути затемнене.)
Мал. 278 Мал. 280
Досвід 2. Заломлення світла
Варіант 1. Обладнання:
На екрані встановлюють прозорий напівциліндр матовою стороною до екрану і плоским зрізом догори так, щоб він збігався з горизонтальною віссю. Центр напівциліндра поєднують із центром екрана за допомогою ризику на матовій поверхні напівциліндра (рис. 280).
Під час демонстрації досвіду користуються середнім променем. Направляють промінь у центр напівциліндра перпендикулярно до площини (промінь проходить без зміни напрямку). Відхиляють падаючий промінь від перпендикуляра і помічають, що заломлений промінь виходить із напівциліндра під іншим кутом. Порівнюють кути падіння та заломлення, роблять висновок.
Повторюють досвід при іншому куті падіння. (Під час досвіду слід звернути увагу на роздвоєння пучка світла на межі розділу двох середовищ.)
Досвід 3. Явище повного відбиття світла
Варіант 1. Обладнання:прилад для вивчення законів геометричної оптики, випрямляч ВС-24 або ВС 4-12, напівциліндр із набору оптичних деталей.
Звернувши увагу на співвідношення кутів падіння та заломлення у попередньому досвіді (рис.280), змінюють положення напівциліндра. Його опуклою стороною встановлюють до освітлювача (плоский зріз збігається з горизонтальною віссю). Змінюють кути падіння, порівнюють з кутами заломлення, роблять висновок.
Порівнюють співвідношення кутів падіння та заломлення залежно від співвідношення оптичної щільності середовищ (результати даного та попереднього дослідів). Роблять висновок.
Переконуються, що зі збільшенням кута падіння яскравість відбитого пучка зростає, а заломленого – зменшується. Збільшують кут падіння доти, доки заломлений промінь не зникне. При подальшому збільшенні кута падіння спостерігатиметься лише відбитий промінь. Спостерігають явище повного відбиття світла.
Запитання.Чому дорівнює граничний кут повного відображення? (Відповідь дайте з однією значущою цифрою.)
Варіант 2. Обладнання:проекційний апарат, акваріум.
Установку збирають на малюнку 281. У скляну ванну (акваріум) наливають шар води товщиною 7-8 см і підфарбовують її хвойним концентратом. Перед конденсором проекційного апарату встановлюють горизонтальну щілину, але в оправу об'єктиву надягають плоске дзеркало. Направляють пучок світла на бічну стінку скляної ванни. Спостерігають заломлення пучка світла у воді, повне відбиття від поверхні води та заломлення при виході пучка з ванни. Змінюючи кут падіння, можна спостерігати багаторазове повне відбиття пучка світла від поверхні води та дна ванни.
