Отражение и преломление света
⚡ Физика · 11 класс
Законы отражения и преломления, показатель преломления и явление полного внутреннего отражения.
Законы геометрической оптики
Геометрическая оптика рассматривает свет как пучок лучей и описывает их поведение на границе двух сред. Два основных явления — отражение и преломление света.
При попадании света на границу раздела часть света отражается обратно, а часть проходит во вторую среду, меняя направление, — преломляется.
Закон отражения
Луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости. Угол отражения равен углу падения:
α = β
Все углы отсчитываются от перпендикуляра (нормали), а не от поверхности.
Закон преломления
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:
sinα / sinγ = n₂ / n₁ = n
где n — относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в среде:
n = c / v
| Среда | Примерный показатель преломления |
|---|---|
| Вакуум | 1 |
| Вода | около 1,33 |
| Стекло | около 1,5 |
| Алмаз | около 2,42 |
Полное внутреннее отражение
Если свет идёт из оптически более плотной среды в менее плотную, при некотором угле падения преломлённый луч скользит вдоль границы. Этот угол называют предельным углом αₚₙ:
sinαₚₙ = n₂ / n₁
При углах больше предельного свет полностью отражается обратно — это полное внутреннее отражение. На нём основана работа оптоволокна.
Разобранный пример
Луч падает из воздуха на поверхность воды под углом α = 45°. Показатель преломления воды n = 1,33. Найдём синус угла преломления:
sinγ = sinα / n = sin45° / 1,33 ≈ 0,707 / 1,33 ≈ 0,53
Значит, γ ≈ 32° — луч в воде идёт ближе к перпендикуляру, чем в воздухе. Это объясняет, почему предметы в воде кажутся смещёнными, а ложка в стакане выглядит «переломленной».
Применение полного отражения
Полное внутреннее отражение широко применяется в технике. На нём основана работа световодов (оптоволокна): свет, попав внутрь тонкого стеклянного волокна, многократно отражается от его стенок и проходит большие расстояния практически без потерь. По таким волокнам передают сигналы интернета и телефонной связи, а также используют их в медицине для осмотра внутренних органов (эндоскопия). На полном отражении работают и стеклянные призмы в биноклях, разворачивающие ход лучей.
Световой луч и среда
Скорость света в среде всегда меньше, чем в вакууме, поэтому показатель преломления любого вещества больше единицы. Чем плотнее оптически среда, тем сильнее она преломляет свет и тем меньше в ней скорость света. Именно различием скоростей объясняются все эффекты преломления.
Частые ошибки. Углы всегда отсчитывают от нормали, а не от поверхности. Полное внутреннее отражение возможно только при переходе из плотной среды в менее плотную.
Кратко о главном
- При отражении угол отражения равен углу падения.
- Закон преломления:
sinα / sinγ = n. - Показатель преломления
n = c / v. - При углах больше предельного наступает полное внутреннее отражение.