Фізика (поглиблений рівень). 9 клас. Засєкіна

§ 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 (n_пов < n_скл, 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 (n_вод < n_скл, 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?