Для школьников (по материалам учебной литературы).
Продолжаем рассматривать геометрическую оптику, в основе которой лежат четыре ЗАКОНА:
-закон прямолинейного распространения света в однородной среде,
-закон независимости световых лучей,
-закон отражения света,
-закон преломления света.
Сейчас будем говорить в основном о явлении ПРЕЛОМЛЕНИЯ света и о ЗАКОНЕ ПРЕЛОМЛЕНИЯ света.
Преломлением света называется изменение направления светового пучка при его прохождении через границу раздела двух прозрачных сред.
Пусть световой луч падает под углом "альфа" на границу раздела двух сред воздух - вода.
Частично он будет отражаться под углом "бетта" от поверхности воды, а частично, преломляясь под углом "гамма", пройдёт в воду.
ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ говорит о том, что преломлённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и перпендикуляр, восстановленный к поверхности раздела сред; что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух прозрачных сред есть величина постоянная, не зависящая от угла падения луча и его интенсивности (если интенсивность света не очень большая):
Представленное отношение характеризует оптические свойства сред и называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой.
В свою очередь относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:
В нашем случае первая среда воздух, а для воздуха показатель преломления равен единице (п1 = 1).
Тогда закон преломления света запишется так:
Отсюда следует, что измерив углы падения и преломления светового луча, из опыта можно найти абсолютный показатель преломления воды.
Так можно определять абсолютные показатели преломления разных прозрачных сред и составлять таблицы.
Из таблицы следует, что абсолютный показатель преломления воды равен 1,33, абсолютный показатель преломления стекла 1,55.
Согласно предыдущей статье, эти цифры говорят о том, что скорость света в воде в 1,33 раза меньше скорости света в воздухе, а скорость света в стекле меньше скорости света в воздухе в 1,55 раза.
Так как под световым лучом мы понимаем направление светового пучка, а световой пучок несёт энергию, то процесс отражения и преломления света означает, что не вся энергия падающего светового пучка отражается от границы раздела сред. Часть этой энергии переходит во вторую среду.
Сумма энергий отражённого и преломлённого пучков света равна энергии падающего пучка света.
Энергия, переносимая светом в единицу времени через единицу площади, называется интенсивностью света.
Относительные интенсивности отражённого и преломлённого пучков зависят от угла падения света, от абсолютных показателей преломления сред и поляризации света в падающем пучке (понятие о поляризации света будет дано в волновой оптике).
Доля отражённой энергии сильно зависит от угла падения светового пучка. Например, если свет падает на стеклянную пластинку перпендикулярно к её поверхности (угол падения равен нулю), то отражается всего 5% световой энергии, а 95% энергии проходит через границу раздела воздух-стекло.
С увеличением угла падения доля отражённой энергии сильно возрастает. При угле падения близком к 90 градусам, 90% энергии отражается, а 10% энергии проходит в пластинку с преломлённым пучком света.
Обратимость световых лучей
Обратимость световых лучей продемонстрируем следующим рисунком.
На рис а) показан падающий на границу раздела сред луч АВ и отражённый от неё луч ВС.
Опыты показывают, если падающий луч направить вдоль отражённого, то отражённый луч пойдёт вдоль падающего (рис. б), т. е. падающий и отражённый лучи поменяются местами.
То же самое справедливо для падающего АВ и преломлённого ВС лучей (рис. в).
Если падающий луч направить вдоль преломлённого, то преломлённый луч пойдёт вдоль падающего, т. е. падающий и преломлённый лучи поменяются местами (рис. г).
Рассмотренное явление называется ОБРАТИМОСТЬЮ световых лучей.
Обратимость падающего и преломлённого лучей наглядно можно продемонстрировать следующим рисунком, когда человек, находящийся в воде, и человек, находящийся над водой, видят друг друга, то есть до их глаза доходит луч, исходящий от другого человека и проходящий одинаковое расстояние в обоих направлениях.
При переходе светового луча из оптически более плотной среды (воды) в оптически менее плотную среду (воздух) угол преломления i больше угла падения r луча.
При увеличении угла падения растёт и угол преломления. При некотором угле падения преломлённый луч будет скользить по поверхности воды. При дальнейшем увеличении угла падения преломлённого луча не будет
Следствием проявления законов отражения и преломления света в атмосфере являются миражи.
Почему возникникают миражы?
Мираж - это оптическое явление в атмосфере, когда вместе с отдалённым предметом (или участком неба) видно его изображение, смещённое относительно предмета.
На представленном рисунке изображён человек, идущий по раскалённому песку пустыни и видящему впереди дерево, стоящему на берегу водоёма и отражающемуся в воде.
В действительности ничего этого в данном месте нет.
Это мираж, иллюзия, обман.
На самом деле предмет (дерево) есть, но оно находится где-то далеко (если дерево находится под горизонтом, то человек увидит только его мнимое изображение).
Почему появляется мираж?
Появление миража ОБЪЯСНЯЕТСЯ ИСКРИВЛЕНИЕМ ЛУЧЕЙ СВЕТА, идущих от предмета и попадающих в глаз человека.
Как объяснить искривление солнечных лучей в воздухе, когда известно, что световые лучи распространяются в воздухе прямолинейно?
Они и распространяются прямолинейно в однородном веществе (однородном воздухе). В нашем примере воздух неоднороден. Воздух, расположенный над поверхностью раскалённого песка, можно представить в виде слоёв, имеющих разную температуру, а значит и разную плотность, и разный показатель преломления.
Слой воздуха, соприкасающийся с поверхностью раскалённого песка, имеет самую высокую температуру, наименьшую плотность и НАИМЕНЬШИЙ показатель преломления.
Разность в температурах нижнего и следующего слоя воздуха очень большая. Чем выше расположен слой воздуха, тем больше его показатель преломления.
На следующем рисунке изображены слои воздуха, расположенные над раскалённой поверхностью песка.
Проследим, как происходит искривление светового луча, идущего от точки А дерева до глаза человека, учитывая, что С ВЫСОТОЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СЛОЯ ВОЗДУХА УВЕЛИЧИВАЕТСЯ.
Пусть от точки А дерева луч света падает на границу раздела слоёв воздуха под углом "альфа", а преломляется под углом "бетта". Угол преломления больше угла падения, так как луч идёт из более плотной среды в менее плотную.
Такая же картина наблюдается на границе следующего слоя воздуха, где угол преломления "гамма" больше угла падения "бетта".
Когда под углом "гамма" световой луч падает на границу самого горячего нижнего слоя воздута, то свет испытывает от него полное отражение (о явлении полного отражения будет говориться в следующей статье).
Отражённый под углом "гамма" луч падает на границу с соседним верхним слоем воздуха и преломляется на ней под углом "бетта", меньшим угла падения "гамма", так как теперь световой луч идёт из менее плотной среды в более плотную.
Далее луч, падающий на следующую границу под углом "бетта", преломляется под углом "альфа".
Сравните полученную кривую с криволинейным движением луча верхнего рисунка.
Итак, искривившийся луч света при прохождении слоёв воздуха попадает в глаз человека, который видит мнимое изображение точки А дерева (видит точку А штрих).
Водоём, который видит человек, есть мнимое изображение участка неба от которого лучи так же, как описано выше, приходят в глаза человека от точек неба, проходя слои воздуха с разными показателями преломления.
Так объясняется поведение миража в пустыне, он называется нижним миражом.Он может возникнуть, когда поверхность земли очень горячая.
На следующем рисунке тоже показан НИЖНИЙ мираж (что и на предыдущем рисунке), только здесь человек расположен слева (показан его глаз), а дерево справа.
НИЖНИЙ мираж можно наблюдать и на сильно разогретой асфальтированной дороге, когда кажется что на этой дороге видишь лужи. В действительности это мнимые изображения участков неба.
Нижние миражи самые распространённые. Есть ещё верхние миражи, когда, например, среди облаков видно какое-то здание и т. д.
На рисунке ниже показан ВЕРХНИЙ мираж.
ВЕРХНИЙ мираж может возникнуть там, где поверхность земли очень холодная, например, поверхность морского льда на севере.
При верхнем мираже тоже имеет место искривление светового луча, проходящего слои воздуха с разной плотностью. Но здесь, в отличие от нижнего миража, температура воздуха с высотой повышается.
Можно провести такие же рассуждения (как было сделано выше) и убедиться, что здесь искривление световых лучей идёт так, как показано на нижнем рисунке сплошными линиями.
Глаз человека, до которого дошли эти лучи, увидит изображение предмета вверху (верхний мираж).
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Развитие взглядов на природу света. Принцип Гюйгенса. Физический смысл показателя преломления.
Следующая запись: Явление полного внутреннего отражения света. Световоды. Понятие о волновых световодах.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70
Ссылки на статьи, начиная с оптики, будут даны в конце статьи "Оптика. Скорость света ...
