Заломлення світла на межі поділу двох середовищ. Закони заломлення світла

 
 

В одному з давньогрецьких трактатів описано дослід: «Потрібно стати так, щоб плоске кільце, покладене на дно посудини, сховалося за її краєм. Потім, не змінюючи положення очей, налити в посудину воду. Світло заломиться на поверхні води, і кільце стане видимим». Такий «фокус» ви можете показати своїм друзям і зараз (див. рис. 12.1), а от пояснити його зможете тільки після вивчення цього параграфа.

Установлюємо закони заломлення світла

Проведемо дослід (рис. 12.2). На плоску поверхню прозорого скляного півциліндра, закріпленого на оптичній шайбі, спрямуємо вузький пучок світла, — світло не тільки відіб’ється від поверхні циліндра, але й частково пройде крізь скло. Отже, під час переходу з повітря в скло напрямок поширення світла змінюється.

І Зміну напрямку поширення світла на межі поділу двох середовищ називають заломленням світла.

Кут у (гамма), утворений заломленим променем і перпендикуляром до межі поділу двох середовищ, проведеним із точки падіння променя, називають кутом заломлення.

Провівши низку дослідів з оптичною шайбою, помітимо, що зі збільшенням кута падіння кут заломлення теж збільшується, а зі зменшенням кута падіння кут заломлення зменшується (рис. 12.3). Якщо ж світло падає перпендикулярно до межі поділу двох середовищ (кут падіння а = 0), напрямок поширення світла не змінюється.



 

Першу згадку про заломлення світла можна знайти в працях давньогрецького філософа Арістотеля (IV ст. до н. е.), який замислювався: «Чому палиця у воді здається переламаною?». А от закон, який кількісно описує заломлення світла, був установлений лише в 1621 р. голландським природознавцем Віллебрордом Снелліусом (1580-1626).

Закони заломлення світла:

1. Промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, встановлений із точки падіння променя, лежать в одній площині.

2. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величиною незмінною:

де п2 ! — фізична величина, яку називають відносним показником заломлення середовища 2 (середовища, в якому світло поширюється після заломлення) відносно середовища 1 (середовища, із якого світло падає).

Дізнаємося про причину заломлення світла

Чому ж світло, переходячи з одного середовища в інше, змінює свій напрямок?

Річ у тім, що в різних середовищах світло поширюється з різною швидкістю, але завжди повільніше, ніж у вакуумі. Наприклад, у воді швидкість поширення світла в 1,33 разу менша, ніж у вакуумі; коли світло переходить із води в скло, швидкість поширення світла зменшується ще в 1,3 разу; у повітрі швидкість поширення світла в 1,7 разу більша, ніж у склі, й лише трохи менша (приблизно в 1,0003 разу), ніж у вакуумі.

Саме зміна швидкості поширення світла в разі переходу з одного прозорого середовища в інше є причиною заломлення світла.

Прийнято говорити про оптичну густину середовища: чим менша швидкість поширення світла в середовищі (чим більший показник заломлення), тим більшою є оптична густина середовища.

Як ви вважаєте, оптична густина якого середовища більша — води чи скла? оптична густина якого середовища менша — скла чи повітря?

З'ясовуємо фізичний зміст показника заломлення

відносний показник заломлення (п2 і) показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі 1 більша (або менша), ніж швидкість поширення світла в середовищі 2:

Згадавши другий закон заломлення світла:

маємо:


Проаналізувавши останню формулу, доходимо висновків:

1) чим більше на межі поділу двох середовищ змінюється швидкість поширення світла, тим більше світло заломлюється;

2) якщо промінь світла переходить у середовище з більшою оптичною густиною (тобто швидкість світла зменшується: v2 < v1), то кут заломлення є меншим від кута падіння: у<а (див., наприклад, рис. 12.2, 12.3);

3) якщо промінь світла переходить у середовище з меншою оптичною густиною (тобто швидкість світла збільшується: v2 > v1), то кут заломлення є більшим за кут падіння: у > а (рис. 12.4).

Зазвичай швидкість поширення світла в середовищі порівнюють зі швидкістю його поширення у вакуумі. Коли світло потрапляє в середовище з вакууму, показник заломлення п називають абсолютним показником заломлення.

Абсолютний показник заломлення показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі менша, ніж у вакуумі:

Швидкість поширення світла у вакуумі більша, ніж у будь-якому середовищі, тому абсолютний показник заломлення завжди більший за одиницю (див. таблицю).

Зверніть увагу: яповітря « 1, тому, розглядаючи перехід світла з повітря в середовище, вважають, що відносний показник заломлення середовища дорівнює абсолютному показнику.

Явище заломлення світла є основою роботи численних оптичних пристроїв, про деякі з яких ви дізнаєтеся пізніше.

Застосовуємо явище повного внутрішнього відбивання світла

Розглянемо випадок, коли світло переходить із середовища з більшою оптичною густиною в середовище з меншою оптичною густиною (рис. 12.5). Бачимо, що в разі збільшення кута падіння (а2 >а^ кут заломлення у наближається до 90°, яскравість заломленого пучка зменшується, а яскравість відбитого, навпаки, збільшується. Зрозуміло, якщо й далі збільшувати кут падіння, кут заломлення сягне 90°, заломлений пучок зникне, а падаючий пучок цілком (без втрат енергії) повернеться в перше середовище — світло повністю відіб’ється.

Явище, за якого заломлення світла відсутнє (світло повністю відбивається від середовища з меншою оптичною густиною), називають повним внутрішнім відбиванням світла.

Явище повного внутрішнього відбивання добре знайоме тим, хто хоча б раз плавав під водою з розплющеними очима (рис. 12.6).

Ювеліри протягом сторіч використовують явище повного внутрішнього відбивання, щоб підвищити привабливість коштовних каменів. Природні камені огранюють — надають їм форми багатогранників: грані каменя виконують роль «внутрішніх дзеркал», і камінь «грає» в променях світла, що падає на нього.

Повне відбивання світла застосовують в оптичній техніці (рис. 12.7). Проте головне застосування цього явища пов’язане з волоконною оптикою. Якщо в торець суцільної «скляної нитки» спрямувати пучок світла, то після багаторазового відбивання світло вийде на її протилежному кінці незалежно від того, якою буде трубка — вигнутою чи прямою. Таку «нитку» називають світловодом (рис. 12.8).

Світловоди застосовують у медицині для дослідження внутрішніх органів (ендоскопія); у техніці, зокрема для виявлення несправностей усередині двигунів без їх розбирання; для освітлення сонячним світлом закритих приміщень; у декоративних світильниках тощо (рис. 12.9).

Однак найчастіше світловоди використовують як кабелі для передачі інформації (рис. 12.10). «Скляний кабель» є набагато дешевшим, він легший за мідний, практично не змінює своїх властивостей під впливом навколишнього середовища, дозволяє передавати сигнали на великі відстані без підсилення. Сьогодні волоконно-оптичні лінії зв’язку стрімко витісняють традиційні. Коли ви будете дивитися телевізор або користуватися Інтернетом, згадайте, що більшу частину свого «шляху» сигнал долає «скляною дорогою».


Учимося розв'язувати задачі

Задача. Світловий промінь переходить із середовища 1 у середовище 2 (рис. 12.11, а). Швидкість поширення світла в середовищі 1 становить 2,4 · 108 м/с. Визначте абсолютний показник заломлення середовища 2 і швидкість поширення світла в цьому середовищі.

Аналіз фізичної проблеми. Із рис. 12.11, а бачимо, що на межі поділу двох середовищ світло заломлюється, отже, швидкість його поширення змінюється.

Виконаємо пояснювальний рисунок (рис. 12.11, б), на якому:

1) зобразимо промені, наведені в умові задачі;

2) проведемо через точку падіння променя перпендикуляр до межі поділу двох середовищ;

3) позначимо а кут падіння і у — кут заломлення.

Абсолютний показник заломлення — це показник заломлення відносно вакууму. Тому для розв’язання задачі слід згадати значення швидкості поширення світла у вакуумі та знайти швидкість поширення світла в середовищі 2 (и2).

Для знаходження v2 визначимо синуси кута падіння та кута заломлення.

Аналіз розв’язання. За умовою задачі кут падіння більший, ніж кут заломлення, і це означає, що швидкість світла в середовищі 2 менша від швидкості світла в середовищі 1. Отже, отримані результати є реальними.

Підбиваємо підсумки

Світловий пучок, падаючи на межу двох середовищ, поділяється на два пучки. Один із них — відбитий — відбивається від поверхні, підпорядковуючись законам відбивання світла. Другий — заломлений — проходить у друге середовище, змінюючи свій напрямок.

Закони заломлення світла:

1. Промінь падаючий, промінь заломлений і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.

2. Для двох даних середовищ відношення синуса кута падіння а до синуса кута заломлення у є незмінною величиною:

Причина заломлення світла — зміна швидкості його поширення в разі переходу з одного середовища в інше. Відносний показник заломлення п21 показує, у скільки разів швидкість поширення світла в середовищі 1 більша

(або менша), ніж швидкість поширення світла в середовищі 2:

У випадку коли світло потрапляє в середовище із вакууму, показник заломлення п називають абсолютним показником заломлення: п = с / V .

Якщо під час переходу світла із середовища 1 у середовище 2 швидкість поширення світла зменшилась (тобто показник заломлення середовища 2 більший за показник заломлення середовища 1: п2 > п1), то говорять, що світло перейшло із середовища з меншою оптичною густиною в середовище з більшою оптичною густиною (і навпаки).

Контрольні запитання

1. Які досліди підтверджують явище заломлення світла на межі поділу двох середовищ? 2. Сформулюйте закони заломлення світла. 3. У чому причина заломлення світла? 4. Що показує показник заломлення світла? 5. Як швидкість поширення світла пов’язана з оптичною густиною середовища? 6. Дайте означення абсолютного показника заломлення.

Вправа № 12

1. Перенесіть рис. 1 до зошита. Вважаючи, що середовище 1 має більшу оптичну густину, ніж середовище 2, для кожного випадку схематично побудуйте падаючий (або заломлений) промінь, позначте кут падіння та кут заломлення.

2. Обчисліть швидкість поширення світла в алмазі; воді; повітрі.

3. Промінь світла падає з повітря у воду під кутом 60°. Кут між відбитим і заломленим променями становить 80°. Обчисліть кут заломлення променя.

4. Коли ми, стоячи на березі водойми, намагаємося на око визначити її глибину, вона завжди здається меншою, ніж є насправді. Скориставшись рис. 2, поясніть, чому так відбувається.

5. За який час світло доходить від дна озера глибиною 900 м до поверхні води?

6. Поясніть «фокус» із кільцем (монетою), згаданий на початку § 12 (див. рис. 12.1).

7. Світловий промінь переходить із середовища 1 у середовище 2 (рис. 3). Швидкість поширення світла в середовищі 1 становить 2,5 · 108 м/с. Визначте:

1) оптична густина якого середовища є більшою;

2) показник заломлення середовища 2 відносно середовища 1;

3) швидкість поширення світла в середовищі 2;

4) абсолютний показник заломлення кожного середовища.

8. Наслідком заломлення світла в атмосфері Землі є виникнення міражів, а також той факт, що ми бачимо Сонце й зорі трохи вище від їхнього реального положення. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про ці природні явища докладніше.

Експериментальні завдання

1. «Фокус із монетою». Продемонструйте кому-небудь зі своїх друзів чи близьких дослід із монетою (див. рис. 12.1). Поясніть його.

2. «Водяне дзеркало». Поспостерігайте повне відбивання світла. Для цього заповніть склянку приблизно наполовину водою. Опустіть у склянку якийсь предмет, наприклад корпус пластмасової ручки, бажано з написом. Тримаючи склянку в руці, розташуйте її приблизно на відстані 25-30 см від очей (див. рисунок). У ході досліду ви маєте стежити за корпусом ручки.

Спочатку, підвівши очі, ви будете бачити весь корпус ручки (як підводну, так і надводну частини). Повільно пересувайте від себе склянку, не змінюючи висоти її розташування. Коли склянка буде достатньо віддалена від ваших очей, поверхня води стане для вас дзеркальною — ви побачите дзеркальне відображення підводної частини корпусу ручки. Поясніть спостережуване явище.

лабораторна робота № 4

тема. Дослідження заломлення світла.

Мета: визначити показник заломлення скла від

носно повітря.

обладнання: скляна пластинка з паралельними гранями, олівець, косинець із міліметровою шкалою, циркуль.

вказівки до роботи

підготовка до експерименту

1. Перед тим як виконувати роботу, згадайте:

1) вимоги безпеки під час роботи зі скляними предметами;

2) закони заломлення світла;

3) формулу для визначення показника заломлення.

2. Підготуйте рисунки для виконання роботи (див. рис. 1). Для цього:

1) покладіть скляну пластинку на сторінку зошита і гостро заточеним олівцем окресліть контур пластинки;

2) на відрізку, що відповідає положенню верхньої заломної грані пластинки:

• позначте точку О;

• проведіть через точку О пряму &, перпендикулярну до даного відрізка;

• за допомогою циркуля побудуйте коло радіусом 2,5 см із центром у точці О;

3) під кутом приблизно 45° накресліть промінь, який задаватиме напрямок пучка світла, що падає в точку О; позначте точку перетину променя і кола літерою А;

4) повторіть дії, описані в пунктах 1-3, ще двічі (виконайте ще два рисунки), спочатку збільшивши, а потім зменшивши заданий кут падіння променя світла.

Експеримент

Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац підручника).

1. Накладіть скляну пластинку на перший контур.

2. Дивлячись на промінь АО крізь скло, поставте поряд із нижньою гранню пластинки точку М так, щоб вона здавалася розташованою на продовженні променя АО (рис. 2).

3. Повторіть дії, описані в пунктах 1 і 2, ще для двох контурів.

опрацювання результатів експерименту

Результати вимірювань і обчислень відразу заносьте до таблиці.

Для кожного досліду (див. рис. 3):

1) проведіть заломлений промінь OM;

2) знайдіть точку перетину променя ОМ із колом (точку Б);

3) із точок А і Б опустіть перпендикуляри на пряму &, виміряйте довжини а і Ь отриманих відрізків і радіус кола г;

4) визначте показник заломлення скла відносно повітря:

Аналіз експерименту та його результатів

Проаналізуйте експеримент і його результати. Сформулюйте висновок, у якому зазначте: 1) яку фізичну величину ви визначали; 2) який результат отримали; 3) чи залежить значення отриманої величини від кута падіння світла; 4) у чому причини можливої похибки експерименту.

творче завдання -

Скориставшись рис. 4, продумайте та запишіть план проведення експерименту з визначення показника заломлення води відносно повітря. За можливості проведіть експеримент.

Завдання «із зірочкою»

Для одного з дослідів оцініть відносну похибку експерименту, скориставшись формулою:

отримане під час експерименту значення показника заломлення скла відносно повітря; п — табличне значення абсолютного показника заломлення скла, з якого виготовлена пластинка (з’ясуйте у вчителя).

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.