Свет по своей природе распространяется в различных средах с различными скоростями. Чем плотнее среда, тем ниже скорость распространения в ней света. Была установлена соответствующая мера, имеющая отношение как к плотности материала, так и к скорости распространения света в этом материале. Эту меру назвали показателем преломления. Для любого материала показатель преломления измеряется относительно скорости распространения света в вакууме (вакуум часто называют свободным пространством). Следующая формула описывает это отношение.
Чем выше показатель преломления материала, тем он плотнее. Когда луч света проникает из одного материала в другой (с другим показателем преломления), угол преломления будет отличаться от угла падения. Луч света, проникающий в среду с меньшим показателем преломления, будет выходить с углом, большим угла падения. Луч света, проникающий в среду с большим показателем преломления, будет выходить с углом, меньшим угла падения. Это показано на рис. 3.5.
Рис. 3.5.а. Луч, проходящий из среды с высоким N 1 в среду с низким N 2
Рис. 3.5.б. Луч, проходящий из среды с низким N 1 в среду с высоким N 2
В данном случае θ 1 является углом падения, а θ 2 - углом преломления. Ниже пеоечислены некоторые типичные показатели преломления.
Любопытно отметить, что для рентгеновских лучей показатель преломления стекла всегда меньше, чем для воздуха, поэтому они при прохождении из воздуха в стекло отклоняют в сторону от перпендикуляра, а не к перпендикуляру, как световые лучи.
В курсе физики 8 класса вы познакомились с явлением преломления света. Теперь вы знаете, что свет представляет собой электромагнитные волны определенного диапазона частот. Опираясь на знания о природе света, вы сможете понять физическую причину преломления и объяснить многие другие связанные с ним световые явления.
Рис. 141. Переходя из одной среды в другую, луч преломляется, т. е. меняет направление распространения
Согласно закону преломления света (рис. 141):
- лучи падающий, преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред
где n 21 - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то
где n - абсолютный показатель преломления (или просто показатель преломления) второй среды. В этом случае первой «средой» является вакуум, абсолютный показатель которого принят за единицу.
Закон преломления света был открыт опытным путём голландским учёным Виллебордом Снеллиусом в 1621 г. Закон был сформулирован в трактате по оптике, который нашли в бумагах учёного после его смерти.
После открытия Снеллиуса несколькими учёными была выдвинута гипотеза о том, что преломление света обусловлено изменением его скорости при переходе через границу двух сред. Справедливость этой гипотезы была подтверждена теоретическими доказательствами, выполненными независимо друг от друга французским математиком Пьером Ферма (в 1662 г.) и голландским физиком Христианом Гюйгенсом (в 1690 г.). Разными путями они пришли к одному и тому же результату, доказав, что
- отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:
Из уравнения (3) следует, что если угол преломления β меньше угла падения а, то свет данной частоты во второй среде распространяется медленнее, чем в первой, т. е. V 2 Взаимосвязь величин, входящих в уравнение (3), послужила веским основанием для появления ещё одной формулировки определения относительного показателя преломления: n 21 = v 1 / v 2 (4) Пусть луч света переходит из вакуума в какую-либо среду. Заменив в уравнении (4) v1 на скорость света в вакууме с, а v 2 на скорость света в среде v, получим уравнение (5), являющееся определением абсолютного показателя преломления: Согласно уравнениям (4) и (5), n 21 показывает, во сколько раз меняется скорость света при его переходе из одной среды в другую, a n - при переходе из вакуума в среду. В этом заключается физический смысл показателей преломления. Значение абсолютного показателя преломления п любого вещества больше единицы (в этом убеждают данные, содержащиеся в таблицах физических справочников). Тогда, согласно уравнению (5), c/v > 1 и с > v, т. е. скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Не приводя строгих обоснований (они сложны и громоздки), отметим, что причиной уменьшения скорости света при его переходе из вакуума в вещество является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем больше оптическая плотность вещества, тем сильнее это взаимодействие, тем меньше скорость света и тем больше показатель преломления. Таким образом, скорость света в среде и абсолютный показатель преломления определяются свойствами этой среды. По числовым значениям показателей преломления веществ можно сравнивать их оптические плотности. Например, показатели преломления различных сортов стекла лежат в пределах от 1,470 до 2,040, а показатель преломления воды равен 1,333. Значит, стекло - среда оптически более плотная, чем вода. Обратимся к рисунку 142, с помощью которого можно пояснить, почему на границе двух сред с изменением скорости меняется и направление распространения световой волны. Рис. 142. При переходе световых волн из воздуха в воду скорость света уменьшается, фронт волны, а вместе с ним и её скорость меняют направление
На рисунке изображена световая волна, переходящая из воздуха в воду и падающая на границу раздела этих сред под углом а. В воздухе свет распространяется со скоростью v 1 , а в воде - с меньшей скоростью v 2 . Первой до границы доходит точка А волны. За промежуток времени Δt точка В, перемещаясь в воздухе с прежней скоростью v 1 , достигнет точки В". За то же время точка А, перемещаясь в воде с меньшей скоростью v 2 , пройдёт меньшее расстояние, достигнув только точки А". При этом так называемый фронт волны А"В" в воде окажется повёрнутым на некоторый угол по отношению к фронту АВ волны в воздухе. А вектор скорости (который всегда перпендикулярен к фронту волны и совпадает с направлением её распространения) поворачивается, приближаясь к прямой ОО", перпендикулярной к границе раздела сред. При этом угол преломления β оказывается меньше угла падения α. Так происходит преломление света. Из рисунка видно также, что при переходе в другую среду и повороте волнового фронта меняется и длина волны: при переходе в оптически более плотную среду уменьшается скорость, длина волны тоже уменьшается (λ 2 < λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны. Обратимся
к более подробному рассмотрению показателя преломления, введенного нами в §81 при
формулировке закона преломления. Показатель
преломления зависит от оптических свойств и той среды, из которой луч падает, и
той среды, в которую он проникает. Показатель преломления, полученный в том
случае, когда свет из вакуума падает на какую-либо среду, называется абсолютным
показателем преломления данной среды. Рис. 184. Относительный показатель
преломления двух сред: Пусть
абсолютный показатель преломления первой среды есть а второй среды - . Рассматривая
преломление на границе первой и второй сред, убедимся, что показатель
преломления при
переходе из первой среды во вторую, так называемый относительный показатель
преломления, равен отношению абсолютных показателей преломления второй и первой
сред: (рис. 184). Наоборот, при переходе из
второй среды в первую имеем относительный показатель преломления Установленная
связь между относительным показателем преломления двух сред и их абсолютными
показателями преломления могла бы быть выведена и теоретическим путем, без
новых опытов, подобно тому, как это можно сделать для закона обратимости (§82), Среда,
обладающая большим показателем преломления, называется оптически более плотной.
Обычно измеряется показатель преломления различных сред относительно воздуха.
Абсолютный показатель преломления воздуха равен . Таким образом, абсолютный
показатель преломления какой-либо среды связан с ее показателем преломления
относительно воздуха формулой Таблица
6. Показатель преломления различных веществ относительно воздуха Жидкости Твердые
вещества Вещество Вещество Спирт
этиловый Сероуглерод Глицерин Стекло
(легкий крон) Жидкий
водород Стекло
(тяжелый флинт) Жидкий
гелий Показатель
преломления зависит от длины волны света, т. е. от его цвета. Различным цветам
соответствуют различные показатели преломления. Это явление, называемое дисперсией,
играет важную роль в оптике. Мы неоднократно будем иметь дело с этим явлением в
последующих главах. Данные, приведенные в табл. 6, относятся к желтому свету. Интересно
отметить, что закон отражения может быть формально записан в том же виде, что и
закон преломления. Вспомним, что мы условились всегда измерять углы от
перпендикуляра к соответствующему лучу. Следовательно, мы должны считать угол
падения и
угол отражения имеющими
противоположные знаки, т.е. закон отражения можно записать в виде Сравнивая
(83.4) с законом преломления, мы видим, что закон отражения можно рассматривать
как частный случай закона преломления при . Это формальное сходство законов
отражения и преломления приносит большую пользу при решении практических задач. В
предыдущем изложении показатель преломления имел смысл константы среды, не
зависящей от интенсивности проходящего через нее света. Такое истолкование показателя
преломления вполне естественно, однако в случае больших интенсивностей
излучения, достижимых при использовании современных лазеров, оно не
оправдывается. Свойства среды, через которую проходит сильное световое
излучение, в этом случае зависят от его интенсивности. Как говорят, среда
становится нелинейной. Нелинейность среды проявляется, в частности, в том, что
световая волна большой интенсивности изменяет показатель преломления. Зависимость
показателя преломления от интенсивности излучения имеет вид Здесь - обычный
показатель преломления, а - нелинейный показатель преломления,
-
множитель пропорциональности. Добавочный член в этой формуле может быть как
положительным, так и отрицательным. Относительные
изменения показателя преломления сравнительно невелики. При нелинейный
показатель преломления . Однако даже такие небольшие
изменения показателя преломления ощутимы: они проявляются в своеобразном явлении
самофокусировки света. Рассмотрим
среду с положительным нелинейным показателем преломления. В этом случае области
повышенной интенсивности света являются одновременной областями увеличенного
показателя преломления. Обычно в реальном лазерном излучении распределение
интенсивности по сечению пучка лучей неоднородно: интенсивность максимальна по
оси и плавно спадает к краям пучка, как это показано на рис. 185 сплошными
кривыми. Подобное распределение описывает также изменение показателя
преломления по сечению кюветы с нелинейной средой, вдоль оси которой
распространяется лазерный луч. Показатель преломления, наибольший по оси
кюветы, плавно спадает к ее стенкам (штриховые кривые на рис. 185). Пучок
лучей, выходящий из лазера параллельно оси, попадая в среду с переменным
показателем преломления , отклоняется в ту сторону, где больше. Поэтому
повышенная интенсивность вблизи осп кюветы приводит к концентрации световых
лучей в этой области, показанной схематически в сечениях и на рис. 185, а это приводит
к дальнейшему возрастанию . В конечном итоге эффективное сечение
светового пучка, проходящего через нелинейную среду, существенно уменьшается.
Свет проходит как бы по узкому каналу с повышенным показателем преломления.
Таким образом, лазерный пучок лучей сужается, нелинейная среда под действием
интенсивного излучения действует как собирающая линза. Это явление носит
название самофокусировки. Его можно наблюдать, например, в жидком нитробензоле. Рис. 185. Распределение интенсивности излучения
и показателя преломления по сечению лазерного пучка лучей на входе в кювету
(а), вблизи входного торца (), в середине (), вблизи выходного торца
кюветы () Процессы, которые связаны со светом, являются важной составляющей физики и окружают нас в нашей обыденной жизни повсеместно. Самые важные в данной ситуации являются законы отражения и преломления света, на которых зиждется современная оптика. Преломление света является важной составляющей частью современной науки. Эффект искажения Эта статья расскажет вам, что собой представляет явление преломления света, а также как выглядит закон преломления и что из него вытекает. При падении луча на поверхность, которая разделяется двумя прозрачными веществами, имеющими разную оптическую плотность (к примеру, разные стекла или в воде), часть лучей будет отражена, а часть – проникнет во вторую структуру (например, пойдет распространяться в воде или стекле). При переходе из одной среды в другую для луча характерно изменение своего направления. Это и есть явление преломления света. Эффект искажения в воде Смотря на вещи, находящиеся в воде, они кажутся искаженными. Особенно это сильно заметно на границе между воздухом и водой. Визуально кажется, что подводные предметы слегка отклонены. В описываемом физическом явлении как раз и кроется причина того, что в воде все объекты кажутся искаженными. При попадании лучей на стекло, данный эффект менее заметен. Прохождение луча Этот же показатель характерен и для других сред. Установлено, что данный показатель зависит от плотности вещества. Если падение луча происходит из менее плотной в более плотную структуру, то угол создаваемого искажения будет больше. А если наоборот – то меньше. Для определения этого физического явления и был создан закон преломления. Закон преломления световых потоков позволяет определить характеристики прозрачных веществ. Сам закон состоит из двух положений: Описание закона При этом в момент выхода луча из второй структуры в первую (например, при прохождении светового потока из воздуха, через стекло и обратно в воздух), также будет возникать эффект искажения. Основной показатель в данной ситуации — это соотношение синуса угла падения к аналогичному параметру, но для искажения. Как следует из закона, описанного выше, данный показатель являет собой постоянную величину. Показатели для разных объектов Благодаря этому параметру можно довольно эффективно различать виды стекол, а также разнообразные драгоценные камни. Также он важен для определения скорости перемещения света в различных средах. Обратите внимание! Наивысшая скорость светового потока – в вакууме. При переходе из одного вещества в другие, его скорость будет уменьшаться. К примеру, у алмаза, который обладает самым большим показателем преломляемости, скорость распространения фотонов будет в 2,42 раза выше, чем у воздуха. В воде же они будут распространяться медленнее в 1,33 раза. Для разных видов стекол данный параметр колеблется в диапазоне от 1,4 до 2,2. Обратите внимание! Некоторые стекла имеют показатель преломляемости 2,2, что очень близко к алмазу (2,4). Поэтому не всегда получится отличить стекляшку от реального алмаза. Свет может проникать через разные вещества, которые характеризуются различными показателями оптической плотности. Как мы уже говорили ранее, используя данный закон можно определить характеристику плотности среды (структуры). Чем более плотной она будет, тем с меньшей скоростью в ней будет распространяться свет. Например, стекло или вода будут более оптически плотными, чем воздух. Данный показатель говорит, каким образом изменяется скорость распространения фотонов при переходе из одного вещества в другое. При перемещении светового потока через прозрачные объекты возможна его поляризация. Она наблюдается при прохождении светового потока от диэлектрических изотропных сред. Поляризация возникает при прохождении фотонов через стекло. Эффект поляризации Частичная поляризация наблюдается, когда угол падения светового потока на границе двух диэлектриков будет отличаться от нуля.
Степень поляризации зависит от того, каковы были углы падения (закон Брюстера). Завершая наш небольшой экскурс, еще необходимо рассмотреть такой эффект, как полноценное внутреннее отражение. Явление полноценного отображения Для появления данного эффекта необходимо увеличение угла падения светового потока в момент его перехода из более плотного в менее плотную среду в границе раздела между веществами. В ситуации, когда данный параметр будет превосходить определенное предельное значение, тогда фотоны, падающие на границу этого раздела будут полностью отражаться. Собственно это и будет наше искомое явление. Без него невозможно было сделать волоконную оптику.
Практическое применение особенностей поведения светового потока дали очень многое, создав разнообразные технические приспособления для улучшения нашей жизни. При этом свет открыл перед человечеством далеко не все свои возможности и его практический потенциал еще полностью не реализован.
Как сделать бумажный светильник своими руками
Как проверить работоспособность светодиодной ленты
Преломления показатель
Показа́тель преломле́ния
вещества - величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде . Также о показателе преломления иногда говорят для любых других волн, например, звуковых, хотя в таких случаях, как последний, определение, конечно, приходится как-то модифицировать. Показатель преломления зависит от свойств вещества и длины волны излучения, для некоторых веществ показатель преломления достаточно сильно меняется при изменении частоты электромагнитных волн от низких частот до оптических и далее, а также может еще более резко меняться в определенных областях частотной шкалы. По умолчанию обычно имеется в виду оптический диапазон или диапазон, определяемый контекстом. Wikimedia Foundation
.
2010
.
Относительный двух сред n21, безразмерное отношение скоростей распространения оптического излучения (с в е т а) в первой (c1) и во второй (с2) средах: n21=с1/с2. В то же время относит. П. п. есть отношение синусов у г л а п а д е н и я j и у г л… … Физическая энциклопедия
См. Показатель преломления … См. Показатель преломления. * * * ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ, см. Показатель преломления (см. ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ) … Энциклопедический словарь
- ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, величина, характеризующая среду и равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в среде (абсолютный показатель преломления). Показатель преломления n зависит от диэлектрической e и магнитной m проницаемостей… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (см. ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
См. Преломления показатель … Большая советская энциклопедия
Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде (абсолютный показатель преломления). Относительный показатель преломления 2 сред отношение скорости света в среде, из которой свет падает на границу раздела, к скорости света по второй… … Большой Энциклопедический словарь
Вопросы
Упражнение
Основы физического явления
Особенно хорошо отражение и преломление света видно в воде.
Преломление света представляет собой физическое явление, которое характеризуется изменением направления движения солнечного луча в момент перемещения из одной среды (структуры) в другую.
Для улучшения понимания данного процесса, рассмотрим пример попадания луча из воздуха в воду (аналогично для стекла). При проведении перпендикуляра вдоль границы раздела можно измерить угол преломления и возвращения светового луча. Данный показатель (угол преломления) будет изменяться при проникновении потока в воду (внутрь стекла).
Обратите внимание! Под данным параметром понимается угол, который образует перпендикуляр, проведенный к разделу двух веществ при проникновении луча из первой структуры во вторую.
При этом изменение наклона падения также скажется и на данном показателе. Но отношение между ними не остается постоянным. В то же время, отношение их синусов останется постоянной величиной, которую отображает следующая формула: sinα / sinγ = n, где:Физический закон
Важный параметр для разных объектов
При этом при изменении значения наклона падения, такая же ситуация будет характерна и для аналогичного показателя. Данный параметр имеет большое значение, поскольку является неотъемлемой характеристикой прозрачных веществ.Оптическая плотность веществ
Кроме того, что данный параметр является постоянной величиной, он еще и отражает отношение скорости света в двух веществах. Физический смысл можно отобразить в виде следующей формулы:Еще один важный показатель
Полноценное внутреннее отражение
Заключение
Ссылки
Смотреть что такое "Преломления показатель" в других словарях: