Всё, что мы видим, вокруг нас - это результат взаимодействия светового луча с окружающей средой. Свет может общаться с предметами и физическими телами самым разным образом: отражаться, поглощаться и преломляться. Нас сейчас интересует именно преломление света.
Это крайне важное понятие, ведь оно присутствует везде. Где-то как паразитный эффект, а где-то напротив - как физическая основа работа какой-то установки.
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.
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.
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.
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.
Закон преломления света
Школьников часто пытают законом преломления. Это не очень полезно, потому, что без описанных выше знаний оно превращается в пустую трату времени. Проанализируем основные постулаты этого закона.
Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности раздела сред, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
Здесь, в общем-то, написано, что закон преломления работает только в одной рассматриваемой плоскости. Это сделано для того, чтобы ученик не пытался себе представить некоторого ёжика из лучей и потом применял там закон преломления или высчитывал показатель. Даже если рассматривать ёжика как набор лучей, то нужно так сгруппировать лучи, чтобы они из объема попадали только в одну плоскость.
Появилось ещё понятие нормаль. Это перпендикулярный границе раздела отрезок, который проведен в точку падения лучей. Это сделано для удобства и стандартизации подходов. Углы падения, отражения и преломления высчитываются относительно нормали.
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды.
Тут нет ничего сложного и работает простая геометрическая оптика. При этом взаимоотношения показателей преломления мы уже обсудили выше. Ещё бы стоило дописать про связь показателей преломления и скорость распространения света в рассматриваемой среде. Но и это мы уже обсудили. Просто обстоятельство такое нужно не забывать, так как оно поможет решить любую задачу.
Пожалуйста, подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Сейчас это очень важно для выживания проекта!
------
Полезный путеводитель по научно-популярным каналам ДЗЕНа: смотрите здесь
------
Ещё интересные статьи с моего канала:
------
