n — коэффициент преломления, c — скорость света в вакууме (или воздухе) и v — скорость света в среде (вода, оливковое масло и т.д.).
Частная школа. 9 класс
Геометрическая оптика основана на четырех законах, три из которых — закон линейного распространения света в однородной среде, закон отражения света от зеркальной поверхности и закон независимости лучей. Рассмотрим четвертый закон, закон преломления света в пределе двух прозрачных сред.
Вы уже знаете, что свет частично отражается, когда он попадает на границу раздела двух сред. Если среда прозрачна, часть света может проходить через нее. В этом случае наблюдается явление преломления света. Мы часто наблюдаем преломление света в нашей жизни. Ложка или шланг, опущенный в стакан с водой, кажется, ломается на границе воды и воздуха. Причина этого заключается в том, что световые лучи меняют направление при переходе из одной среды в другую. Преломление — это изменение направления света при переходе из одной среды в другую.
В отличие от законов линейного распространения света и отражения света, закон преломления света стал известен человечеству гораздо позже. Сначала греки, а затем арабские ученые пытались открыть его. Автором закона преломления считается голландец Виллеброд Снеллиус, который открыл его экспериментально в 1621 году. Сам ученый не опубликовал свою работу, что видно из трудов Рене Декарта, который самостоятельно сформулировал тот же закон.
Проведите эксперимент с оптическим диском со стеклянной пластиной в центре. В отличие от эксперимента с зеркальной пластиной, световой луч не отражается на границе раздела двух сред (воздух — стекло). Луч проходит через стекло и меняет направление своего распространения.
В этом эксперименте можно также проверить закон обратимости световых лучей. Если вы переместите лампу вдоль края оптического диска и оставите луч света в направлении луча ОС, вы получите луч света, который после преломления совпадает с лучом ОС.
Граница раздела двух сред (воздух и вода) представлена MN. Луч света падает из точки S на поверхность. Его направление задается лучом SO. Луч SO является падающим лучом. Когда луч света попадает на границу раздела, он преломляется. Луч OB называется преломленным лучом. Из точки воздействия луча C на поверхность раздела проводится перпендикуляр OS. Угол между падающим лучом и углом, перпендикулярным к границе раздела в точке падения, называется углом падения (угол a).
Угол между преломленным лучом и углом, перпендикулярным отражающей поверхности в точке удара, называется углом преломления (угол c).
Из опыта работы с оптическими дисками можно сделать следующие выводыВыводы.:.
- чем больше угол падения, тем больше угол преломления;
- при переходе луча света из воздуха в стекло угол преломления меньше угла падения;
- при переходе луча света из стекла в воздух угол преломления больше угла падения.
ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ СРЕДЫ
Разница между углом падения и углом преломления обусловлена тем, что скорость распространения света в разных средах различна.
Чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше ее оптическая плотность. Оптическая плотность стекла и воздуха различна. Это означает, что скорость распространения света в стекле медленнее, чем в воздухе. Поэтому оптическая плотность стекла больше, чем оптическая плотность воздуха. Оптическая плотность воды также больше, чем у воздуха.
ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
Только в середине XVII века стало ясно, что преломление света на границе между двумя средами обусловлено разницей в их оптических плотностях.
Если луч света проходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду, угол преломления меньше угла падения: α>γ.
Если луч света проходит из оптически плотной среды в оптически менее плотную среду, угол преломления больше угла падения.< γ.
При изменении угла падения угол преломления также изменяется. Однако эксперименты показывают, что отношение синуса к углу падения и углу преломления остается постоянным, хотя угловые коэффициенты не одинаковы.
Таким образом, для любой пары материалов с различной оптической плотностью можно записать следующее, где n — относительный показатель преломления двух сред.
Принимая во внимание вышесказанное, можно сформулировать закон преломления света следующим образом: падающий и преломленный лучи, а также лучи, перпендикулярные границе раздела в точке удара, находятся в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно в обеих средах.
При определении глубины водоема или лодки на глаз следует учитывать, что из-за преломления света вода кажется мельче, чем она есть на самом деле. Это явление можно легко подтвердить экспериментальным путем. Наблюдатель помещает контейнер (чашку), содержащий предмет (монету), на дно так, чтобы дно или предмет не были видны с края контейнера. Затем в емкость наливают воду, не меняя направления взгляда, и через некоторое время объект становится видимым.
Если луч проходит из воздуха в воду, относительный показатель преломления этих сред равен 1,33. Относительный коэффициент преломления воздуха и некоторых видов стекла составляет около 1,5.
Урок физики 9: Мы наблюдали преломление света.
Кроме того, показатели преломления можно сравнивать в широком диапазоне концентраций. Эта зависимость используется для анализа многих материалов в различных отраслях промышленности. Далее приводится пример.
Кто открыл
Если свойства распространения солнечного излучения были частично сформулированы в 10 веке астрономом Ибн Салахом, то начала преломления лучей были впервые открыты в 17 веке благодаря законам физика У. Снелла. В это же время другой ученый, Р. Декарт, независимо от Снеллиуса, также открыл закон преломления света лучами.
Этот закон применим не только к свету, но и к радиоволнам и магнитному потоку.
Определение и формула коэффициента преломления
Преломление света представляет собой изменение направления амплитуды волн на границе раздела двух прозрачных сфер. Это означает, что луч, падающий из одного материала в другой, проходит через него под другим углом.
Принцип изменения орбиты объясняется двумя пунктами закона.
- Первый: свет который падает на поверхность раздела двух веществ, изменивший направление и перпендикулярная константа (нормаль) в точке искажения, находятся в одной плоскости по отношению друг к другу.
- Второй: отношение синуса угла падения к синусу угла измененного потока – постоянный показатель, который не зависит от направления луча и плотности среды.
Этот закон может быть выражен в форме типа ставки
Где a — угол падения волны.
n — относительный показатель преломления второй сферы относительно исходной сферы.
Рекомендуем посмотреть видеоролик «Преломление света».
Физический смысл показателя преломления
Показатель преломления — это отношение скорости волны в первой сфере ко второй сфере, где происходит изменение направления потока.
Каждый носитель обладает уникальными свойствами в плане изменения направления спектра. Их можно найти эмпирическим путем. Обычно в качестве опорной сферы рассматривается вакуум. В этом случае кривизна светового поля равна 1.
Согласно приведенному выше определению, физический смысл показателя преломления может быть выражен следующим образом Он показывает, распространяются ли волны в одной среде быстрее, чем в другой.
Интерференция света — это электромагнитные волны видимого света, которые чередуются по интенсивности, такие явления представляют собой узоры, изменяющиеся в видимом спектре, расположение.
Виды преломления
Наиболее распространенным типом является обычное преломление света, когда из-за различных свойств среды может наблюдаться некоторое явление искажения. Однако существуют и другие типы, которые появляются параллельно или могут рассматриваться как разные явления.
Полное преломление наблюдается, когда вертикально поляризованная волна ударяется о границу раздела двух сред под определенным углом (называемым углом Брюстера). В этом случае отраженная волна отсутствует.
Полное отражение может наблюдаться только тогда, когда излучение передается из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низкой плотностью. В этом случае угол преломления оказывается больше угла падения. Другими словами, существует обратная зависимость. По мере увеличения угла падения индекс становится равным 90 градусам, когда он достигает части своего значения.
Когда свет падает на края двух опор под определенным углом, он может просто отразиться.
При дальнейшем увеличении значения луч отражается от границ двух материалов и больше не проходит через другую среду. Это явление известно как полное отражение.
Поскольку формула отличается от стандартной, расчет значений объясняется здесь. В этом случае мы имеем следующее
Это явление привело к появлению волоконной оптики — материала, способного передавать большие объемы информации на неограниченные расстояния со скоростью, недостижимой при использовании других альтернатив. В отличие от зеркал в этом случае отражение происходит без потери энергии, даже если отражений несколько.
Структура оптического волокна проста.
- Светопропускающий сердечник изготавливается из пластика или стекла. Чем больше его поперечное сечение, тем больший объем информации может быть передан.
- Покрытие нужно для отражения светового потока в сердечнике, чтобы он рассеивался только вдоль него. Важно, чтобы в точке входа в волокно луч падал под углом, превышающим предел, поэтому он будет отражаться без потерь энергии.
- Защитная изоляция предотвращает повреждение волокна и защищает его от неблагоприятных воздействий. Благодаря этой детали кабель также можно прокладывать под землей.
Волоконная оптика позволила передавать информацию на совершенно новом уровне.
Как был открыт закон преломления
Это открытие было сделано голландским математиком Виллебрордом Снеллиусом в 1621 году. Проведя серию экспериментов, он смог сформулировать фундаментальные аспекты, которые остались практически неизменными и по сей день. Он первым заметил устойчивость речи между углом падения и углом отражения.
Французский ученый Рене Декарт был первым, кто опубликовал свои выводы. Некоторые считают, что он использовал материал Снелла, другие убеждены, что он открыл его сам.
Определение и формула коэффициента преломления
Радиус падения, радиус преломления и перпендикулярное направление через точку пересечения двух сред находятся в одной плоскости. Синус угла падения относительно синуса угла преломления постоянен. Это отголосок определения, которое может быть выражено по-разному, но смысл всегда один и тот же. На рисунке ниже показана иллюстрация и формула.
Формула универсальна и подходит для широкого спектра сред.
Обратите внимание, что показатель преломления не имеет единицы измерения. Когда-то давно два ученых, Христиан Гюйгенс в Нидерландах и Пьер Вермер во Франции, пришли к такому же выводу, изучив природную основу этого явления. Согласно ему, синус падения и синус преломления равны отношению скоростей среды, через которую проходит волна. Если свет проходит через одну среду быстрее, чем через другую, визуальная плотность ниже.
Поговорите об этом! Скорость света в вакууме больше, чем в любом другом веществе.
Физический смысл «Закона Снеллиуса»
Когда свет переходит из пустоты в другое вещество, он неизбежно взаимодействует с его молекулами. Чем выше визуальная плотность среды, тем сильнее взаимодействие между светом и человеком и тем ниже скорость диффузии, но показатель преломления также увеличивается с ростом плотности.
Абсолютное преломление символизируется буквами и позволяет нам понять, как меняется скорость света в вакууме и любой среде.
Относительная рефракция (N21) представляет собой параметры изменения скорости прохождения света из одной среды в другую.
В видеоролике закон 8 класса объясняется очень просто, с использованием графики и мультфильмов.
Более старые органы, такие как рефракторы ABBE, должны быть помещены в жидкостный термостат. В большинстве современных цифровых рефракторов температура оптической системы контролируется элементом Пельтье. Такая конструкция позволяет быстро и точно измерить коэффициент преломления.
Полное внутреннее отражение и критический угол
Общее внутреннее отражение происходит, когда весь свет, направленный из визуально плотной среды в визуально менее плотную среду, отражается обратно в визуально плотную среду. Чтобы понять этот феномен, рассмотрите изображение слева.
Синие стрелки: лучи света преломляются при прохождении через визуально плотную среду (n2) визуально менее плотные (n1).
Угол A увеличивается (зеленая стрелка): для угла A1), но отражается вдоль межвоенной границы между двумя СМИ. Этот угол падения называется критическим углом полного внутреннего отражения. В этом случае угол отражения b = 90°.
Угол падения больше критического значения. Когда угол падения превышает критическое значение, свет полностью отражается в визуально плотной среде (n2). Это явление называется общим внутренним отражением (2).
Показатель преломления N1 рассчитывается по критическому углу A, когда β = 90° — >sinβ= 1.
Внимание! Свет в случае 1 (зеленая стрелка) падает под критическим углом, но полное внутреннее отражение происходит в случае 2 (синяя стрелка).
Закон преломления света и устройство рефрактометра
Отражатели — приборы для измерения показателя преломления и самой вязкости — были разработаны на основе упомянутых выше законов фоторефракции.
На рисунке представлена схема строения измерительной ячейки цифрового рефрактора, использующего закон фоторефракции. Процесс измерения связан с критическими значениями полного внутреннего отражения и угла падения света. Принцип работы:.
Источник света (1) представляет собой светоизлучающий тракт (LED). Световой пучок от светодиода проходит через поляризационный фильтр (2), интерференционный фильтр (3) и фокусирующую линзу (4) и через сапфировый отпечаток (5) на образце.
Когда угол падения превышает критическое значение, отраженный свет попадает на визуальный датчик (7), соединенный с грузом через линзу (6), который определяет критический угол. Кроме того, современные цифровые рефрактометры автоматически контролируют температуру интерфейса PRISM/образец для повышения точности измерения.
Измерение показателя преломления: что измеряет рефрактометр?
Цифровой рефрактометр предназначен для измерения показателя преломления и соответствующих свойств жидкости путем общего внутреннего отражения. Процесс измерения автоматизирован, поэтому точность результатов не зависит от оператора. Измерения выполняются за считанные секунды с высокой точностью на небольших образцах (0,5-1 мл).
Также используются ручные рефрактометры, такие как настольный рефрактометр зрительного нерва ABBE и обычные ручные рефрактометры. Узнайте больше об их преимуществах и недостатках.
