Фізика (поглиблений рівень). 9 клас. Засєкіна
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
§ 17. Заломлення світла на межі поділу двох середовищ. Закон заломлення світла
Ви дізнаєтесь
- Чому утворюються міражі
Пригадайте
- Закон відбиття світла
Заломлення світла на межі поділу двох середовищ. Якщо ви подивитесь на дно річки або басейну крізь шар води, то воно буде здаватися вам ближчим, ніж є насправді. З’ясуємо причину цього явища.
На межі двох прозорих середовищ спостерігаються явища поглинання, відбивання й заломлення світла.
Заломлення світла — явище зміни напрямку поширення світла в разі його проходження через межу поділу двох середовищ (мал. 124).
Причиною виникнення явища заломлення світла є зміна швидкості поширення світла при переході з одного середовища в інше. Як ви вже знаєте, у вакуумі світло поширюється зі швидкістю 300 000 км/с У повітрі швидкість поширення світла змінюється незначно, тому вважається, що і для повітря вона становить 300 000 км/с. Швидкість поширення світла у прозорих середовищах зменшується порівняно зі швидкістю світла в повітрі у відповідну кількість разів: у воді в 1,33 раза; у склі — майже в 1,6 раза; в алмазі — у 2,4 раза.
Мал. 124. Заломлення світла у воді
Фізична величина, що показує, у скільки разів швидкість поширення світла у вакуумі (с) є більшою, ніж швидкість світла в середовищі (v), називається абсолютним показником заломлення середовища n, n = c/v.
Абсолютний показник заломлення середовища має глибокий фізичний зміст. Він пов’язаний зі швидкістю поширення світла в даному середовищі, яка залежить від фізичного стану середовища (температури, густини тощо). Крім того, показник заломлення залежить від кольору світла: для червоного світла він менший, ніж для зеленого, а для зеленого менший, ніж для фіолетового. Для будь-якого середовища абсолютний показник заломлення n > 1. Для повітря абсолютний показник заломлення приблизно дорівнює 1.
Із двох прозорих середовищ оптично більш густим називають середовище з більшим показником заломлення, тобто середовище, у якому швидкість поширення світла є меншою.
Отже, можна стверджувати, що вода — більш оптично густе середовище, ніж повітря, а скло чи алмаз — більш оптично густі середовища в порівнянні з водою.
Закон заломлення світла. Застосовуючи оптичний диск (мал. 125, а), дослідимо явище заломлення більш детально.
Цього разу закріпимо на диску скляний півциліндр так, щоб центр півциліндра збігався з центром диска. Спрямуємо на нього світловий пучок. Ми бачимо, що на межі повітря — скло світловий пучок розділяється на дві частини: одна його частина відбивається, а друга, проходячи крізь скло, — заломлюється, змінюючи напрямок поширення (нижня частина півциліндра має таку форму, що промінь при переході зі скла в повітря не заломлюється, бо кут падіння становить 0°).
Зробимо схематичний малюнок і позначимо: падаючий світловий промінь SO, відбитий промінь ОК, заломлений промінь ОВ, перпендикуляр MN, опущений до межі поділу двох середовищ через точку О падіння променя, кут падіння α, кут відбивання β, кут заломлення γ (мал. 125, б).
Змінюючи положення джерела світла, змінюємо кут падіння. Вимірювання показують, що відповідно змінюється й кут заломлення (мал. 126).
Мал. 125. Дослідження заломлення світла
Мал. 126. Зміна кута заломлення в разі зміни кута падіння
Співвідношення значень кута падіння та кута заломлення у випадку переходу пучка світла з одного середовища в інше залежить від оптичної густини кожного із середовищ. Наприклад, при переході світлового променя з повітря у скло кут заломлення менший від кута падіння (nпов < nскл, γ1 < α1), оскільки скло — більш оптично густе середовище, ніж повітря, а при переході світлового променя із скла у воду кут заломлення більший, ніж кут падіння (nвод < nскл, γ2 > α2), бо вода — менш оптично густе середовище, ніж скло (мал. 127).
Мал. 127. Заломлення світла в середовищах із різною оптичною густиною
Мал. 128. Визначення умови повного відбиття
Вимірювання кутів падіння та заломлення, співвідношення абсолютних показників заломлення середовищ дозволяють визначити закон заломлення світла:
- падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, встановлений до межі поділу середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині;
- відношення синуса кута падіння (а) до синуса кута заломлення (γ) світлового променя є сталою величиною, яка дорівнює відносному показнику заломлення двох середовищ,
абсолютні показники заломлення першого і другого середовищ, n21 — відносний показник заломлення.
Повне відбиття. Цікаве явище спостерігається під час поширення світла із середовища з більшою оптичною густиною в середовище з меншою оптичною густиною. Якщо поступово збільшувати кут падіння, то при певному його значені α0 кут заломлення дорівнюватиме 90°. При дальшому збільшені кута падіння падаючий промінь уже буде відбиватись у те саме середовище, звідки поширювалося світло (мал. 128). Такий випадок явища заломлення носить назву повне внутрішнє відбиття.
Явище, коли світло, поширюючись у більш густому середовищі, відбивається від межі поділу з менш густим середовищем не заломлюючись, називається явищем повного відбиття.
Кутом повного внутрішнього відбиття називається найменший кут падіння αθ, за якого кут заломлення буде становити 90°, а отже, заломлений промінь також буде відбиватись від межі поділу середовищ. Із закону заломлення світла випливає, що синус цього кута дорівнює 1/n.
Повне внутрішнє відбиття застосовують у сучасній техніці для передавання світлових сигналів (для телевізорів, комп’ютерів, телефонів) тонкими скляними нитками — світловодами (так звана «волоконна оптика»). Оптичні волокна застосовують і в медицині. За їх допомогою на монітор передають зображення внутрішніх органів, що дозволяє ретельно їх обстежувати.
Природні явища, зумовлені заломленням світла. Заломленням світла пояснюється виникнення міражів.
Удень у пустелі нижні шари повітря дуже прогріваються від гарячого піску, унаслідок чого повітря стає неоднорідним. Проходячи крізь таке середовище, промінь світла плавно викривляється. У результаті цього промінь, що йде зверху від блакитного неба, потрапляє в око мандрівнику знизу, і йому здається, ніби він бачить блакитне озеро (мал. 129, а).
Подібні міражі можна спостерігати у спекотний літній день на автомобільних дорогах. Водію або пасажиру здається, що на асфальті є «калюжі», хоча насправді шосе сухе.
Міражі спостерігаються й над морем. У цьому разі тепліші шари повітря містяться над холоднішими й виникає так званий верхній міраж (мал. 129, б).
Мал. 124. Утворення міражів: а — нижнього; б — верхнього
Заломленням світла пояснюється також виникнення веселки. Про цей випадок детальніше йтиметься в наступному параграфі.
ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ
Я поміркую й зможу пояснити
- 1. Чим зумовлене заломлення світла на межі двох прозорих середовищ?
- 2. Яке середовище називають більш оптично густим?
- 3. Сформулюйте й запишіть закон заломлення світла.
- 4. Який фізичний зміст відносного показника заломлення? Абсолютного показника заломлення?
- 5. Поясніть сутність явища повного внутрішнього відбиття світла. Що називають граничним кутом повного внутрішнього відбиття світла? Яка формула відображає зміст цього поняття?
- 6. Яке практичне застосування повного внутрішнього відбиття світла? Що таке світловод?
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України