Преломление света для тех, кто запутался

Преломление света для тех, кто запутался

Содержание:

Что есть преломление света?

Под преломлением света понимается изменение направления луча при прохождении границы двух сред или прохождения в одной среде зон, где меняется скорость распространения света.

Как мы видим, есть опять ряд стандартных для физической модели нашего мира явлений и закономерностей, которые переходят из одного понятия в другое.

Во-первых, всё происходит на границе раздела. Граница раздела в физике – это всегда зона, где следует ожидать каких-то интересных или специфических явлений. Не так давно мы разбирали понятие поверхностного натяжения и выяснили, что там тоже граница раздела является камнем преткновения и формирования особых свойств.

Во-вторых, работа идёт со средой. Причем, воздух вокруг нас – тоже среда и тоже влияет на любой процесс. Если есть упоминание среды, то всегда большая часть свойств и характеристик определяется особенностями этой среды и можно даже сказать, что сама среда навязывает некоторые свойства.

Теперь остается упростить описание и сказать, что в общем-то, преломление света – это всего лишь изменение направления светового луча при переходе его из одной среды в другу. Но таких знаний маловато, особенно если хочется разобраться в вопросе или есть непонимание, поэтому вникнем поглубже.

Физическая суть преломления света

Для решения большинства задач и жизненных ситуаций достаточно всего лишь помнить, что преломление существует, ну и держать в голове картинку из учебника с формулой коэффициента преломления. Тогда большую часть задачек про линзы и подавляющее большинство жизненных ситуаций мы сможем правильно проанализировать и успешно решить.

Но нам ведь интересно заглянуть глубже. Для этого давайте строить физическую модель в своей голове. Сразу скажу, что в объяснении всё очень сильно упрощается.

Итак, мы вспомнили, что свет у нас – это и волна, и одновременно поток частиц. Нам сейчас удобно рассматривать его именно как поток частичек.

Представляем, что эти частицы, обладающие энергией, перемещаются в воздухе и испытывают минимальное влияние структуры воздушной среды на свое движение. Энергия этих частиц, конечно же, напрямую определяет скорость перемещения частичек в среде. Больше энергия – быстрее летят частицы. К слову, есть и обратная связь. Ведь у частицы есть и потенциальная, и кинетическая энергия, которая зависит от скорости.

Теперь представим, что летящая частица (она же – луч света) вдруг попала в другую среду. Тот самый пример с киселем тут подходит наилучшим образом. Сначала было лететь легко и энергия на взаимодействие с окружением на расходовалась. Теперь, среда стала более вязкой и труднопроходимой, энергия тратится на взаимодействие со средой и скорость движения частички падает. Помимо этого, частица взаимодействует с элементами структуры и отклоняется от своего курса.

Нужно помнить ещё и что свет не просто лучом проходит через тело. Он активно взаимодействует с его структурой во всех случаях, будь-то поглощение, отражение или преломление. Кстати, про отражение у меня один большой материал где многое разбирается .

В общем-то, отклонение частиц от первоначального курса и формирует угол преломления. Теперь мы понимаем, как это происходит. Если описать процесс очень утрировано, то свет попал внутрь вещества, ударился там о решетку и отклонился от своего курса в виду потери энергии и смены изначальной траектории. Именно поэтому, коэффициент преломления можно высчитать из соотношения скоростей.

Чем больше скорость поменяется, тем больше показатель преломления.

Из всего этого нам надо уяснить только одно – в большинстве случаев при работе со светом будет присутствовать явление преломления. Это значит, что и очки, которые визуально прозрачные, и линза фотоаппарата свет всё же преломляют и это надо учитывать в расчётах.

Между тем, в голове нужно держать такое явление, как полное внутреннее отражение. В этом случае никакой луч из среды не выходит, а значит и показателя преломления нет. Падающий луч просто перераспределяет энергию и перенаправляется по закону отражения в этой же среде.

Будет интересно➡  Чему равна электроемкость конденсатора?

Почему оно отражается именно от поверхности или границы раздела? Потому что на границе раздела другая энергия. Удобно представлять себе границы раздела сред, как газетку, которая плавает на поверхности воды. Вот поверхность воды на микроуровне сама как газетка на поверхности.

Ещё бывает такой частный случай, как полное преломление. В этом случае полностью отсутствует отраженная волна.

Скорость света и оптическая плотность среды

Свет распространяется в пространстве с определенной скоростью. Эта скорость настолько велика, что нам кажется, будто свет появляется мгновенно. Например, когда в темной комнате мы щелкаем переключателем, и включается свет.

Ученые не только рассчитали значение этой скорости, но и доказали, что скорость света различается в разных средах.

В других же средах наблюдается значительная разница в значениях скорости. Например, в воде скорость света меньше, чем в воздухе. При этом говорят, что вода является оптически более плотной средой, чем воздух.

Оптическая плотность — это величина, которая характеризует различные среды в зависимости от значения скорости распространения света в них.

Если пучок света падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды с разной оптической плотностью, то часть света отразится от этой поверхности, а другая часть проникнет во вторую среду. При этом луч света изменит свое направление — происходит преломление света.

Вещества с показателем преломления

Оптическая плотность вакуума определяется как 1. В видимом спектре показатели преломления прозрачных или слабо поглощающих материалов больше 1. Для электропроводящих и сильно поглощающих сред преобладают другие физические свойства. Хотя их показатели преломления находятся между 0 и 1, эти значения следует интерпретировать по-разному. В этих средах в комплексном показателе преломления преобладает мнимая часть.

Кроме того, каждое вещество имеет диапазон длин волн, в котором действительная часть показателя преломления меньше 1, но все еще положительна. Здесь оптическая плотность для малых длин волн всегда меньше 1 и приближается к 1 снизу по мере уменьшения длины волны.

Показатель преломления воздуха

Значение показателя преломления воздуха можно найти в таблице 1 ниже. Он зависит от плотности и температуры, а также от состава воздуха. В частности, влажность воздуха оказывает большое влияние на его коэффициент преломления. Согласно формуле барометрической высоты, давление воздуха экспоненциально уменьшается на больших высотах. На высоте 8 километров коэффициент преломления воздуха составляет всего 1,00011.

Показатель преломления воды

Для показателя преломления воды действуют те же принципы, что и для воздуха. На больших глубинах давление и температура выше, что влияет на преломление света. Но вы также можете легко убедиться в этом, наполнив стакан холодной воды горячей. Вы увидите, что горячая вода менее прозрачна, чем холодная. Поэтому оптическая плотность выше при использовании более горячей воды.

Таблица показателей преломления

В следующей таблице представлен обзор некоторых наиболее важных показателей преломления.

СредаПоказатель преломления
Воздух1,000292
Вода (жидкость, 20°C)1,3330
Стекло1.45 — 2.14
Этанол1,3614

Таблица 1. Показатели преломления для некоторых сред

Что нужно помнить из физической оптики для понимания преломления света?

Для начала, нужно вспомнить, что помимо преломления всегда есть и отражение, и поглощение. Луч очень редко преломляется полностью или отражается полностью. Обычно речь идёт сразу про группу явлений. Преломление всегда сопряжено с отражением. Если бы луч только преломлялся, то прозрачный стакан мы, например, не увидели бы.

Следующий важный момент – понимание самой природы луча света. Мы помним, что световой луч – это не просто некоторый отрезок, нарисованный на бумаге. Отрезком показано только схематическое и упрощенное представление световой волны. При этом свет демонстрирует как природу волны, так и свойства потока частиц. Это корпускулярно-волновой дуализм. Очень важно помнить этот момент для углубления в вопрос.

Волна или световой луч характеризуется такими свойствами, как скорость распространения, которая не всегда одинакова, ведь мы не в вакууме и количеством энергии, которую волна несёт.

Скорость распространения света в среде меняется и становится меньшей, нежели в вакууме из-за того, что у каждого вещества или материала есть структура. При попадании в неё света, структура препятствует его прохождению и замедляет скорость лучей. Вспомните, как просто опустить карандаш в воду, а теперь попробуйте опустить карандаш в кисель. Вот вам и понятная аналогия.

Кроме того, нужно помнить основы геометрии. Ведь вы же думали, что она не нужна? А нет! Нужна.

Комплексный показатель преломления

Если вы посмотрите на электромагнитную волну и рассмотрите ее поглощение в среде, то обнаружите, что можно также объединить классический показатель преломления и затухание волны в комплексный показатель преломления. Для этого существуют различные, эквивалентные представления:

  • Сумма действительной части с мнимой частью комплексного числа: n = nr + i * ni , где i — мнимая единица
  • Разница между действительной и мнимой частями комплексного числа: n = nr — i*k
  • Произведение действительного показателя преломления на комплексное число: n = n * ( 1 — i * k).
Будет интересно➡  Для чего используется модульный распределительный блок

Знак минус, используемый в некоторых представлениях, гарантирует, что мнимая часть получит положительный знак в случае поглощающих сред. Эта мнимая часть называется коэффициентом молярной экстинкции. Переменная κ называется показателем поглощения. Это мнимая часть, деленная на показатель преломления n.

Как действительная, так и мнимая части оптической плотности зависят от частоты.

Диэлектрическая проницаемость и проницаемость

Комплексный показатель преломления связан с проницаемостью εr (способность к поляризации) и проницаемостью μr (способность к намагничиванию): n = εr * μr .

Все величины являются комплекснозначными и зависят от частоты. В случае немагнитных сред, μr ≈ 1. Таким образом, вы формируете комплексный показатель преломления непосредственно из действительной и мнимой частей ( ε1, ε2 ) проницаемости.

n ≈ εr = ε1 + i * ε2

Сравнение с комплексным показателем преломления представления суммы и разности позволяет вычислить n и k, соответственно.

Формулы показатель преломления

Угол падения и угол преломления луча

Давайте посмотрим на процесс преломления с точки зрения геометрии. Для этого обратимся к схеме ниже.

Преломление света

Угол α на картинке — угол падения — это угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения луча на границу раздела сред. Угол γ — угол преломления — это угол между преломленным лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения луча на границу раздела сред.

Теперь рассмотрим картинку ниже и разберемся, как меняется угол преломления света при переходе в вещества разной плотности оптической среды.

Преломление света в веществах разной плотности оптической среды

Из иллюстрации можно сделать такие выводы:

  1. При переходе света из менее плотной оптической среды в более плотную, скорость уменьшается, и угол преломления меньше угла падения.
  2. При переходе света из более плотной оптической среды в менее плотную, скорость увеличивается, и угол преломления больше угла падения.
  3. При переходе света из одной среды в другую с такой же оптической плотностью, скорость распространения не изменяется, и угол падения равен углу преломления.

Закон преломления света

Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, проведенный в точке падения луча, (нормаль) принадлежат одной плоскости.

Как был открыт закон преломления

Для начала вспомним классический опыт школьной физики. На дно непрозрачной чашки положим монету. Подготовим стакан с водой. Одной рукой начнем поднимать чашку вверх до того момента пока монета полностью не скроется из поля видимости. Затем свободной рукой берем стакан и начинаем наливать воду в чашку. Спустя некоторое время монета вернется в поле зрения. На этом примере школьные учителя чаще всего демонстрируют закон преломления света на границе раздела 2 сред, даже не подозревая, что открыт этот закон был профессором Лейденского университета Виллебрордом Снеллиусом (Снеллем) в 1621 году.

Ученый не опубликовал свое открытие, оно осталось как запись в бумагах. Позднее известный французский ученый Рене Декарт разбирал архив своего предшественника. В 1637 году вышла книга Декарта «Диоптрика», в которой описывался закон преломления света. Открыл ли Декарт заново закон самостоятельно или просто воспользовался записями Снеллиуса до сих пор неизвестно. Исследователи этого вопроса по сей день не пришли к единому мнению.

Определение и формула коэффициента преломления

Определение 2

Показатель преломления (коэффициент преломления, коэффициент рефракции) — это отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ.

Коэффициент преломления  зависит от оптических характеристик двух сред: той, из которой луч падает, и той, куда он проникает.

Формула 1

sinαsinγ=n

где ∠α — угол падения,

∠γ — угол преломления.

Величину n называют коэффициентом преломления второй среды относительно первой.

Абсолютный показатель преломления

Абсолютный показатель преломления рассчитывается относительно вакуума, в котором свет распространяется с максимально возможной скоростью 299 792 458 метров в секунду (скорость света). На практике воздух, которым мы дышим, также считается эталонной средой, хотя свет распространяется в нем с чуть меньшей скоростью (в 1,0003 раза медленнее, чем в вакууме).

Можно сказать, что абсолютный показатель преломления указывает, во сколько раз скорость света в вакууме (или воздухе) больше, чем в другой среде.

В качестве примера рассчитаем абсолютный показатель преломления воды, в которой, как известно, свет при 20 °C распространяется со скоростью 2,25 × 108 м/с.

Преломление света для тех, кто запутался

Получается, что в воде свет распространяется в 1,33333 раза медленнее, чем в вакууме (или воздухе).

Относительный показатель преломления

Относительный показатель преломления — это отношение скоростей распространения света в любых двух средах, кроме вакуума (или воздуха). Можно, например, измерить показатель преломления оливкового масла относительно показателя преломления воды. Однако в производственной практике пользоваться относительными величинами неудобно.

Будет интересно➡  Что такое гальваническая развязка простыми словами

Преломление света для тех, кто запутался

Мнимое изображение, которое образовано преломлением лучей

Давайте вспомним еще пару примеров, о которых говорили ранее: об «изломанной» ложке и «волнистых» ногах в бассейне. Давайте попытаемся объяснить их с точки зрения законов физики.

Преломление лучей, как и отражение света плоским зеркалом, создает обманчивое изменение положения источника света. Причем оно будет различным для лучей, которые падают на границу раздела двух сред под разными углами. Именно поэтому нам только кажется, что ложка сломана — такой ее делают преломляющиеся лучи света.

В разных устройствах применяют эти свойства преломления, когда пропускают лучи света через стеклянную призму и через их сочетания. Например, как это делал Исаак Ньютон в эксперименте, который мы рассмотрели ранее. Ниже — схема преломления лучей через разные виды призм.

Виды призм

Полное внутреннее отражение

Последнее, что мы обсудим сегодня, касается процесса полного внутреннего отражения. Давайте разберемся, как он связан с преломлением.

Полное внутреннее отражение – это явление, при котором свет, падающий на границу двух сред из среды с большим показателем преломления под углом, превышающим предельный угол α пр, не преломляется, а полностью отражается, так что энергия падающего света отражается в первую среду.

Полное внутреннее отражение

Интересно, что явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике — для передачи световых сигналов на большие расстояния.

Оптоволокно

В свою очередь, волоконную оптику используют во многих отраслях науки и искусства: в медицине, телекоммуникациях, датчиках различного спектра и освещении.

Измерение показателя преломления: что измеряет рефрактометр?

Преломление света для тех, кто запутался

Цифровой рефрактометр предназначен для измерения показателя преломления и связанных с ним характеристик жидкостей по методу полного внутреннего отражения. Процедура измерения автоматизирована, благодаря чему точность результатов не зависит от оператора. Измерение выполняется в течение нескольких секунд с высокой точностью на небольших образцах (объемом от 0,5 до 1 мл).

Также для измерения показателя преломления используются ручные рефрактометры, например оптический настольный рефрактометр Аббе или обычный переносной рефрактометр. Подробнее об их достоинствах и недостатках.

Наблюдение преломления света

Благодаря преломлению предметы, погруженные в воду, кажутся нам ближе. Мы видим дно водоемов и предметы в воде словно приподнятыми почти на треть глубины.

Карандаш выглядит изломанным, и часть под водой немного увеличена.

Монета в воде выглядит более крупной.

Причиной миражей является преломление световых лучей в неравномерно нагретых слоях воздуха. Корабль кажется парящим над поверхностью воды из-за температурной инверсии, когда слой холодного воздуха собирается прямо над морской поверхностью, а над ним проходит волна теплого воздуха. Холодный воздух более плотный, и разница в плотности слоев вызывает преломление света.

Показатель преломления: применение на практике

Преломление света для тех, кто запутался

Любой материал, который взаимодействует со светом, можно характеризовать показателем преломления. Во многих отраслях промышленности измерение показателя преломления используется для проверки чистоты и концентрации жидких, высоковязких и твердых образцов. Показатель преломления жидких и высоковязких материалов измеряется с высокой точностью (погрешность от ± 0,00002).

Кроме того, показатель преломления можно сопоставлять с широким диапазоном концентраций. Эту зависимость используют для анализа многих материалов в разных отраслях, например:

  • Производство пищевых продуктов и напитков: плотность (содержание сахара) по шкале Брикса для безалкогольных напитков или плотность виноградного сусла по шкале Эксле.
  • Химическая промышленность: температура замерзания (°C или °F), концентрация кислоты/щелочи, содержание органических растворителей или неорганических солей в объемных или весовых процентах.
  • Производство и клинические исследования лекарств: содержание перекиси или метилового спирта, концентрация различных веществ в моче.

В некоторых случаях измерение показателя преломления сочетают с измерением плотности, получая простой и эффективный метод контроля. Такой анализ можно полностью автоматизировать.

Рекомендации по измерению показателя преломления

Современные цифровые приборы легко определяют показатели преломления жидкостей с высокой точностью. Тем не менее сами приборы с высоким разрешением еще не гарантируют получения точных результатов. Необходимо придерживаться правильной методики измерения.

Например, если плохо очистить призму или просто стереть предыдущий образец салфеткой, в следующем измерении может возникнуть существенная ошибка.

Поскольку рефрактометр измеряет угол полного отражения от поверхности призмы, даже самый тонкий слой оставшегося вещества сильно повлияет на измерение показателя преломления любого нового образца.

Скачайте руководство по измерению показателя преломления и изучите рекомендации, чтобы избежать ошибок в определении показателя преломления жидкостей.

Предыдущая
ОсвещениеЕстественные и искусственные источники света
Следующая
ТеорияМожно ли преодолеть скорость света?
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Electroinfo.net  онлайн журнал
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять