Абсолютний показник заломлення середовища дорівнює. Закон заломлення світла

Заломлення світла- явище, у якому промінь світла, переходячи з одного середовища до іншого, змінює напрямок межі цих середовищ.

Заломлення світла відбувається за таким законом:
Падаючий і заломлений промені та перпендикуляр, проведений до межі розділу двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для двох середовищ:
,
де α - кут падіння,
β - кут заломлення,
n - постійна величина, яка залежить від кута падіння.

При зміні кута падіння змінюється кут заломлення. Чим більший кут падіння, тим більший кут заломлення.
Якщо світло йде з середовища оптично менш щільного в більш щільне середовище, то кут заломлення завжди менше кута падіння: β < α.
Промінь світла, спрямований перпендикулярно до межі поділу двох середовищ, проходить з одного середовища до іншого без заломлення.

абсолютний показник заломлення речовини- величина, що дорівнює відношенню фазових швидкостей світла (електромагнітних хвиль) у вакуумі та в даному середовищі n=c/v
Величина n, що входить до закону заломлення, називається відносним показником заломлення для пари середовищ.

Величина n є відносний показник заломлення середовища по відношенню до середовища А, а n" = 1/n є відносний показник заломлення середовища А по відношенню до середовища.
Ця величина за інших рівних умов більша одиниці при переході променя з середовища більш щільного в середовище менш щільного, і менше одиниці при переході променя з середовища менш щільного в середовище більш щільного (наприклад, з газу або з вакууму в рідину або тверде тіло). Є винятки з цього правила, і тому прийнято називати середовище оптично більш менш щільним, ніж інше.
Промінь, що падає з безповітряного простору на поверхню якого-небудь середовища, переломлюється сильніше, ніж при падінні на неї з іншого середовища А; показник заломлення променя, що падає на середовище безповітряного простору, називається його абсолютним показником заломлення.

(Абсолютний – щодо вакууму.
Відносний - щодо будь-якої іншої речовини (того ж повітря, наприклад).
Відносний показник двох речовин є відношення їх абсолютних показників.

Повне внутрішнє відображення- внутрішнє відбиток, за умови, що кут падіння перевершує певний критичний кут. При цьому падаюча хвиля відбивається повністю, і значення коефіцієнта відображення перевершує його найбільші значення для полірованих поверхонь. Коефіцієнт відбиття при повному внутрішньому відбитку залежить від довжини хвилі.

В оптиці це явище спостерігається широкого спектра електромагнітного випромінювання, включаючи рентгенівський діапазон.

У геометричній оптиці явище пояснюється рамках закону Снелла. Враховуючи, що кут заломлення не може перевищувати 90°, отримуємо, що при вугіллі падіння, синус якого більший за відношення меншого показника заломлення до більшого показника, електромагнітна хвиля повинна повністю відображатися в першу середу.

Відповідно до хвильової теорії явища, електромагнітна хвиля все ж таки проникає в друге середовище - там поширюється так звана «неоднорідна хвиля», яка експоненційно згасає і енергію з собою не забирає. Характерна глибина проникнення неоднорідної хвилі у друге середовище порядку довжини хвилі.

Закони заломлення світла.

З усього сказаного укладаємо:
1 . На межі розділу двох середовищ різної оптичної щільності промінь світла при переході з одного середовища до іншого змінює свій напрямок.
2. При переході променя світла в середу з більшою оптичною щільністю кут заломлення менший від кута падіння; при переході променя світла з оптично більш щільного середовища в середовище менш щільне кут заломлення більше кута падіння.
Заломлення світла супроводжується відображенням, причому зі збільшенням кута падіння яскравість відбитого пучка зростає, а заломленого слабшає. Це можна побачити, проводячи досвід, зображений на малюнку. Отже, відбитий пучок забирає із собою тим більше світлової енергії, чим більше кут падіння.

Нехай MN-кордон розділу двох прозорих середовищ, наприклад, повітря та води, АТ-падаючий промінь, ОВ- Заломлений промінь, - Кут падіння, - Кут заломлення, - Швидкість поширення світла в першому середовищі, - Швидкість поширення світла в другому середовищі.

Урок 25/III-1 Поширення світла у різних середовищах. Заломлення світла межі розділу двох середовищ.

Вивчення нового матеріалу.

Досі ми розглядали поширення світла в одному середовищі, як завжди – у повітрі. Світло може поширюватися в різних середовищах: переходити з одного середовища до іншого; у точках падіння промені не лише відбиваються від поверхні, а й частково проходять через неї. Такі переходи викликають чимало гарних та цікавих явищ.

Зміна напряму поширення світла, що проходить через кордон двох середовищ, називають заломленням світла.

Частина світлового променя, падаючого межу розділу двох прозорих середовищ, відбивається, а частина перетворюється на іншу середу. При цьому напрям світлового променя, який перейшов в інше середовище, змінюється. Тому явище називається заломленням, а промінь – заломленим.

1 - падаючий промінь

2 - відбитий промінь

3 – заломлений промінь α β

ГО 1 – межа поділу двох середовищ

MN - перпендикуляр ПРО 1

Кут, утворений променем та перпендикуляром до межі розділу двох середовищ, опущеним у точку падіння променя, називається кутом заломлення γ (гама).

Світло у вакуумі поширюється зі швидкістю 300 000 км/с. У будь-якому середовищі швидкість світла завжди менша, ніж у вакуумі. Тому при переході світла з одного середовища до іншого, його швидкість зменшується і це є причиною заломлення світла. Чим менше швидкість поширення світла в даному середовищі, тим більшою оптичною щільністю має це середовище. Так, наприклад, повітря має більше оптичну щільність, ніж вакуум, тому що в повітрі швидкість світла дещо менша, ніж у вакуумі. Оптична щільність води більша, ніж оптична щільність повітря, оскільки швидкість світла у повітрі більша, ніж у воді.

Чим більше відрізняються оптичні щільності двох середовищ, тим більше світло переломлюється на межі їх розділу. Чим більше змінюється швидкість світла межі розділу двох середовищ, тим більше воно заломлюється.

Для кожної прозорої речовини існує така важлива фізична характеристика, як показник заломлення світла n.Він показує, у скільки разів швидкість світла в цій речовині менша, ніж у вакуумі.

Показник заломлення світла

Співвідношення значень кута падіння та кута заломлення залежить від оптичної щільності кожної із середовища. Якщо промінь світла переходить із середовища з меншою оптичною щільністю в середовище з більшою оптичною щільністю, то кут заломлення буде меншим, ніж кут падіння. Якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною щільністю, то кут заломлення буде меншим, ніж кут падіння. Якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною щільністю в середовище з меншою оптичною щільністю, то кут заломлення більше, ніж кут падіння.

Тобто якщо n 1 γ; якщо n 1 >n 2 то α<γ.

Закон заломлення світла :

Промінь, що падає, промінь заломлений і перпендикуляр до межі розділу двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині.

Співвідношення кута падіння та кута заломлення визначаються формулою.

де - синус кута падіння, - синус кута заломлення.

Значення синусів та тангенсів для кутів 0 – 900

Закон заломлення світла вперше сформулював голландський астроном і математик В. Снеліус близько 1626, професор Лейденського університету (1613).

Для XVI століття оптика була ультрасучасною наукою. Зі скляної кулі, наповненої водою, якою користувалися як лінзою, виникло збільшувальне скло. А з нього винайшли підзорну трубу та мікроскоп. На той час Нідерландам були потрібні підзорні труби для розгляду берега і своєчасно втекти від ворогів. Саме оптика забезпечила успіх та надійність навігації. Тому в Нідерландах дуже багато вчених цікавилося саме оптикою. Голландець Скель Ван Ройєн (Снеліус) спостерігав, як тонкий промінь світла відбивався в дзеркалі. Він вимірював кут падіння та кут відображення і встановив: кут відображення дорівнює куту падіння. Йому належать закони відображення світла. Він вивів закон заломлення світла.

Розглянемо закон заломлення світла.

У ньому - відносний показник заломлення другої середовища щодо першої, у разі, коли другий має велику оптичну щільність. Якщо світло заломлюється і проходить із середовище з меншою оптичною щільністю, тоді α< γ, тогда

Якщо першим середовищем є вакуум, то n 1 =1 .

Цей показник називають абсолютним показником заломлення другого середовища:

де - швидкість світла у вакуумі, швидкість світла у цьому середовищі.

Наслідком заломлення світла в атмосфері Землі є той факт, що ми бачимо Сонце і зірки трохи вищі за їх реальне становище. Заломленням світла можна пояснити виникнення міражів, веселки… Явище заломлення світла є основою принципу чисельних оптичних пристроїв: мікроскопа, телескопа, фотоапарата.

Світло за своєю природою поширюється у різних середовищах із різними швидкостями. Чим щільніше середовище, тим нижча швидкість поширення у ній світла. Була встановлена ​​відповідна міра, що стосується як щільності матеріалу, так і швидкості поширення світла в цьому матеріалі. Цей захід назвали показником заломлення. Для будь-якого матеріалу показник заломлення вимірюється щодо швидкості розповсюдження світла у вакуумі (вакуум часто називають вільним простором). Наступна формула визначає це ставлення.

Що показник заломлення матеріалу, то він щільніше. Коли промінь світла проникає з одного матеріалу до іншого (з іншим показником заломлення), кут заломлення відрізнятиметься від кута падіння. Промінь світла, що проникає в середу з меншим показником заломлення, виходитиме з кутом, більшим за кут падіння. Промінь світла, що проникає в середу з великим показником заломлення, виходитиме з кутом, меншим за кут падіння. Це показано на рис. 3.5.

Мал. 3.5.а. Промінь, що проходить із середовища з високим N 1 у середу з низьким N 2

Мал. 3.5.б. Промінь, що проходить із середовища з низьким N 1 у середу з високим N 2

В даному випадку 1 є кутом падіння, а 2 - кутом заломлення. Нижче перераховані деякі типові показники заломлення.

Цікаво відзначити, що для рентгенівських променів показник заломлення скла завжди менше, ніж для повітря, тому вони при проходженні з повітря в скло відхиляють убік від перпендикуляра, а не перпендикуляра, як світлові промені.

Заломлення або рефракція - це явище, при якому відбувається зміна спрямованості променя світла, або інших хвиль, коли вони переходять кордон, що розділяє два середовища, як прозорі (пропускають ці хвилі), так і всередині середовища, в якому безперервно змінюються властивості.

З явищем заломлення ми стикаємося досить часто й сприймаємо звичайним явищем: можемо побачити, що паличка, що у прозорому склянці з пофарбованої рідиною, «переломлена» у місці поділу повітря та води (рис. 1). При заломленні та відображенні світла під час дощу ми радіємо, побачивши веселку (рис. 2).

Показник заломлення – важлива характеристика речовини, пов'язана з її фізико-хімічними властивостями. Він залежить від значень температур, і навіть від довжини світлових хвиль, у яких проводиться визначення. За даними контролю якості у розчині на показник заломлення впливає концентрація розчиненої у ньому речовини, і навіть природа розчинника. Зокрема, на показник заломлення кров'яної сироватки впливає кількість білка, що міститься у ній. Якщо ми розділимо світлову швидкість у вакуумі на світлову швидкість у досліджуваній речовині, вийде абсолютний показник заломлення (індекс рефракції). Практично визначається показник заломлення відносний (n ), що є відношенням світлової швидкості в повітрі до світлової швидкості в досліджуваній речовині.

Кількісно показник заломлення визначають, використовуючи спеціальний прилад рефрактометр.

Рефрактометрія - один із найлегших методів фізичного аналізу і може застосовуватися в лабораторіях контролю якості при виробництві хімічної, харчової, біологічно активних добавок до їжі, косметичної та інших видів продукції з мінімальними витратами часу та кількості досліджуваних проб.

Конструкція рефрактометра полягає в тому, що промені світла повністю відбиваються, коли переходять через межу двох середовищ (одне їх – це призма зі скла, інша – досліджуваний розчин) (рис. 3).

Мал. 3. Схема рефрактометра

Від джерела (1) світловий промінь падає на дзеркальну поверхню (2), потім, відбиваючись, переходить у верхню призму освітлювальну (3), потім у нижню вимірювальну призму (4), яка виготовлена ​​зі скла, що володіє великим показником заломлення. Між призмами (3) та (4) за допомогою капіляра наносять 1–2 крапельки проби. Щоб не завдати призмі механічних пошкоджень, необхідно не торкатися капіляром поверхні.

В окулярі (9) бачать поле з перехрещеними лініями, щоб встановити межу розділу. Переміщуючи окуляр, точку перетину полів потрібно поєднати з межею розділу (рис. 4). Площина призми (4) відіграє роль межі розділу, на поверхні якої заломлюється світловий промінь. Так як промені розсіюються, межа світла і тіні виходить розпливчастою, райдужною. Це усувається компенсатором дисперсії (5). Потім промінь пропускається об'єктивом (6) та призмою (7). На пластині (8) є візирні штрихи (дві прямі лінії, пересічені хрестоподібно), а також шкала з показниками заломлення, яка спостерігається в окуляр (9). Нею і відраховується показник заломлення.

Лінія поділу меж полів буде відповідати куту внутрішнього повного відображення, що залежить від показника заломлення проби.

Рефрактометрія застосовується з метою встановлення чистоти та справжності речовини. Цей метод застосовується також, щоб при контролі якості визначити концентрацію речовин у розчинах, яку обчислюють за градуювальним графіком (графік, що показує залежність показника заломлення проби від її концентрації).

У компанії «КорольовФарм» показник заломлення визначається згідно із затвердженою нормативною документацією при вхідному контролі сировини, в екстрактах власного виробництва, а також при випуску готової продукції. Визначення проводиться кваліфікованими співробітниками акредитованої фізико-хімічної лабораторії за допомогою рефрактометра ІРФ – 454 Б2М.

Якщо за результатами вхідного контролю сировини показник заломлення відповідає необхідним вимогам, відділом контролю якості оформляється Акт про невідповідність, виходячи з якого дана партія сировини повертається постачальнику.

Методика визначення

1. Перед початком вимірювань перевіряється чистота поверхонь призм, що стикаються між собою.

2. Перевірка точки нуля. На поверхню призми вимірювальної наносимо 2÷3 краплі дистильованої води, обережно закриваємо призмою освітлювальної. Відкриваємо освітлювальне віконце і, застосовуючи дзеркало, встановлюємо світлове джерело найбільш інтенсивно. Обертаючи гвинти окуляра, отримуємо в його полі зору чітке, різке розмежування темного та світлого полів. Обертаємо гвинт і наводимо лінію тіні і світла так, щоб вона збіглася з точкою, в якій перетинаються лінії у верхньому вікні окуляра. На вертикальній лінії в нижньому вікні окуляра бачимо потрібний результат – показник заломлення дистильованої води при 20 ° С (1,333). Якщо показання інші, встановлюємо гвинтом показник заломлення значення 1,333, і за допомогою ключа (зняти гвинт регулювальний) наводимо межу тіні і світла до місця точки перетину ліній.

3. Визначаємо коефіцієнт заломлення. Піднімаємо камеру призми освітлювальним і папером фільтрувальним або марлевою серветкою знімаємо воду. Далі наносимо 1-2 краплі випробуваного розчину на поверхню вимірювальної призми і закриваємо камеру. Обертаємо гвинти до моменту, поки межі тіні і світла не збігатимуться з точкою перетину ліній. На вертикальній лінії в нижньому вікні окуляра бачимо потрібний результат - показник заломлення досліджуваної проби. Проводимо підрахунок коефіцієнта заломлення за шкалою в нижньому вікні окуляра.

4. Використовуючи градуювальний графік, встановлюємо взаємозв'язок між концентрацією розчину та показником заломлення. Щоб побудувати графік, необхідно приготувати стандартні розчини кількох концентрацій, використовуючи препарати хімічно чистих речовин, виміряти їх показники заломлення і відкласти отримані значення на осі ординат, на осі абсцис відкласти відповідні концентрації розчинів. Необхідно вибирати інтервали концентрацій, при яких між концентрацією та показником заломлення спостерігається лінійна залежність. Вимірюємо показник заломлення досліджуваної проби та за допомогою графіка визначаємо його концентрацію.

Процеси, пов'язані зі світлом, є важливою складовою фізики і оточують нас у нашому повсякденному житті повсюдно. Найважливіші в цій ситуації є закони відображення та заломлення світла, на яких ґрунтується сучасна оптика. Заломлення світла є важливим складником сучасної науки.

Ефект спотворення

Ця стаття розповість вам, що є явищем заломлення світла, а також як виглядає закон заломлення і що з нього випливає.

Основи фізичного явища

При падінні променя на поверхню, яка розділяється двома прозорими речовинами, що мають різну оптичну густину (наприклад, різне скло або у воді), частина променів буде відображена, а частина – проникне у другу структуру (наприклад, піде поширюватися у воді чи склі). При переході з одного середовища до іншого для променя характерна зміна свого напряму. Це і є явище заломлення світла.
Особливо добре відображення та заломлення світла видно у воді.

Ефект спотворення у воді

Дивлячись на речі, що у воді, вони здаються спотвореними. Особливо це дуже помітно на межі між повітрям та водою. Візуально здається, що підводні предмети трохи відхилені. У фізичному явищі, що описується, якраз і криється причина того, що у воді всі об'єкти здаються спотвореними. При попаданні променів на скло цей ефект менш помітний.
Заломлення світла є фізичне явище, яке характеризується зміною напрямку руху сонячного променя в момент переміщення з одного середовища (структури) в інше.
Для покращення розуміння даного процесу, розглянемо приклад попадання променя з повітря у воду (аналогічно до скла). Під час проведення перпендикуляра вздовж межі розділу можна виміряти кут заломлення та повернення світлового променя. Цей показник (кут заломлення) змінюватиметься при проникненні потоку у воду (всередину скла).
Зверніть увагу! Під даним параметром розуміється кут, який утворює перпендикуляр, проведений до розділу двох речовин при проникненні променя першої структури в другу.

Проходження променя

Цей показник характерний й інших середовищ. Встановлено, що цей показник залежить від густини речовини. Якщо падіння променя відбувається з менш щільною в щільнішу структуру, то кут створюваного спотворення буде більшим. А якщо навпаки – то менше.
При цьому зміна нахилу падіння також позначиться на даному показнику. Але відношення між ними не залишається незмінним. У той же час, відношення їхніх синусів залишиться постійною величиною, яку відображає така формула: sinα / sinγ = n, де:

• n – стала величина, яка описана для кожної конкретної речовини (повітря, скла, води і т.д.). Тому, якою буде дана величина можна визначити за спеціальними таблицями;
• α – кут падіння;
• γ – кут заломлення.

Для визначення цього фізичного явища і було створено закон заломлення.

Фізичний закон

Закон заломлення світлових потоків дає змогу визначити характеристики прозорих речовин. Сам закон складається з двох положень:

• перша частина. Промінь (падаючий, змінений) та перпендикуляр, який був відновлений у точці падіння на кордоні, наприклад, повітря та води (скла тощо), будуть розташовуватися в одній площині;
• друга частина. Показник співвідношення синуса кута падіння до синуса цього ж кута, що утворився під час переходу кордону, буде величиною постійної.

Опис закону

При цьому в момент виходу променя з другої структури в першу (наприклад, при проходженні світлового потоку з повітря через скло і назад в повітря) також буде виникати ефект спотворення.

Важливий параметр для різних об'єктів

Основний показник у цій ситуації — це співвідношення синуса кута падіння до аналогічного параметра, але спотворення. Як випливає із закону, описаного вище, цей показник являє собою постійну величину.
При цьому при зміні значення нахилу падіння така ж ситуація буде характерна і для аналогічного показника. Цей параметр має велике значення, оскільки є невід'ємною характеристикою прозорих речовин.

Показники для різних об'єктів

Завдяки цьому параметру можна досить ефективно розрізняти види скла, а також різноманітні дорогоцінні камені. Також він важливий визначення швидкості переміщення світла у різних середовищах.

Зверніть увагу! Найвища швидкість світлового потоку – у вакуумі.

При переході з однієї речовини в інші його швидкість буде зменшуватися. Наприклад, у алмазу, який має найбільший показник заломлюваності, швидкість поширення фотонів буде в 2,42 рази вищою, ніж у повітря. У воді вони поширюватимуться повільніше в 1,33 рази. Для різних видів скла цей параметр коливається в діапазоні від 1,4 до 2,2.

Зверніть увагу! Деякі скла мають показник заломлення 2,2, що дуже близько до алмазу (2,4). Тому не завжди вдасться відрізнити скло від реального алмазу.

Оптична густина речовин

Світло може проникати через різні речовини, що характеризуються різними показниками оптичної густини. Як ми вже говорили раніше, використовуючи цей закон можна визначити характеристику густини середовища (структури). Чим щільнішою вона буде, тим з меншою швидкістю в ній поширюватиметься світло. Наприклад, скло або вода будуть більш оптично щільними, ніж повітря.
Крім того, що цей параметр є постійною величиною, він ще й відображає відношення швидкості світла у двох речовинах. Фізичний зміст можна відобразити у вигляді наступної формули:

Цей показник каже, як змінюється швидкість поширення фотонів під час переходу з однієї речовини до іншого.

Ще один важливий показник

При переміщенні світлового потоку через прозорі об'єкти можлива його поляризація. Вона спостерігається під час проходження світлового потоку від діелектричних ізотропних середовищ. Поляризація виникає під час проходження фотонів через скло.

Ефект поляризації

Часткова поляризація спостерігається, коли кут падіння світлового потоку на межі двох діелектриків відрізнятиметься від нуля. Ступінь поляризації залежить від того, якими були кути падіння (закон Брюстера).

Повноцінне внутрішнє відображення

Завершуючи наш невеликий екскурс, ще необхідно розглянути такий ефект як повноцінне внутрішнє відображення.

Явище повноцінного відображення

Для появи даного ефекту необхідно збільшення кута падіння світлового потоку в момент його переходу з більш щільного менш щільне середовище в межі розділу між речовинами. У ситуації, коли цей параметр перевищуватиме певне граничне значення, тоді фотони, що падають на межу цього розділу, будуть повністю відображатися. Власне, це і буде наше шукане явище. Без нього було неможливо зробити волоконну оптику.

Висновок

Практичне застосування особливостей поведінки світлового потоку дали дуже багато, створивши різноманітні технічні пристрої для покращення нашого життя. При цьому світло відкрило перед людством далеко не всі свої можливості та його практичний потенціал ще повністю не реалізовано.

Як зробити паперовий світильник своїми руками
Як перевірити працездатність світлодіодної стрічки