Закони відбивання та заломлення світла

Розділ V. Електромагнітні хвилі, 11 клас

Розробиввчитель вищої категорії Канівської ЗОШ І-ІІІ ступенів №4Шатило Сергій Сергійович

Історична довідка Питання про природу світла та закони його

поширення цікавили грецьких філософів ще до нашої ери.Так, у трактатах Евкліда „Оптика” і „Катоприка” (3 ст. до н. е. ) на основі уявлень про світло як промені, що виходять з ока, сформульовано закони прямолінійного поширення світла та рівності кутів падіння та відбивання.

Протилежну думку про природу світла висловив Лукрецій (бл. 96 – 55 до н. е. ) у поемі „Про природу речей” . Він вважав, що світло випускається світними тілами у вигляді досить малих зліпків.

Клавдій Птолемей (2 ст. до н. е.) встановив, що для малих кутів падіння відношення кута падіння до кута заломлення є величина стала. Але сформулювати закон заломлення світла вони так і не змогли.

У 1621 р. В. Снелліус (1580 - 1626) встановив кількісно закон заломлення світла, що проходить плоску межу двох середовищ.

А Рене Декарт (1596 – 1650 ) математично записав цей закон у вигляді відношення синусів кутів падіння і заломлення.

На початку 17 ст. було винайдено мікроскоп і зорову трубу, які широко застосовуються і зараз. Для вдосконалення цих приладів треба було знати не тільки закони відбивання, а й заломлення світла.

Розрізнені відомості про природу світла було систематизовано, на основі чого створено теорію про корпускулярну природу світла, основоположником якої є Ісаак Ньютон.

Саме в той час перед фізиками постав ряд питань: що являє собою світло; що саме поширюється по прямій лінії, відбивається,

заломлюється; що надає тілам колір, несе із собою тепло; що утворює, пройшовши через лінзу, зображення; що діє на сітківку ока?

Р. Декарт при виведенні законів відбивання і заломлення ввжав, що світло являє собою потік частинок.

Р.Гук (1635-1703) вважав, що світло - це процес поширення імпульсів деформацій стиску раптово або з досить великою швидкістю.

Й.Марці і Ф.Грімальді також вважали, що світло являє собою процес поширення хвиль із великою швидкістю.

Внесок Гюйгенса у розвиток хвильової теорії світла

Христиан Гюйгенс брав участь у сучасних йому диспутах про природу світла.

У 1678 р. він випустив «Трактат про світло» — нарис хвильової теорії світла.

Інший твір він видав у 1690 р.; там він виклав якісну теорію відбиття, заломлення і подвійного променезаломлення в ісландському шпаті у тому самому вигляді, як викладається нині у підручниках фізики.

Він сформулював так званий принцип Гюйгенса, що дозволяє досліджувати рух хвильового фронту.

Розвинутий далі Френелем цей принцип зіграв значну роль у хвильовій теорії світла і теорії дифракції.

Перший закон відбивання світла:

Промені падаючий і відбитий лежать в одній площині з перпендикуляром до відбиваючої поверхні, проведеним з точки падіння

Закони відбивання світла

Падаючий промінь і перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, поставлений у точці падіння, лежить в одній площині, а кут падіння α дорівнює куту відбивання β (Рис.1).

Кут між напрямом падаючого променя і нормаллю NN1 до межі поділу називають кутом падіння α,

кут між відбитим променем і нормаллю NN1 – кутом відбивання β.

Рис.1

Пучок світла на межі між повітрям і водою одночасно відбивається і заломлюється.

Другий закон відбивання світла:

Кут відбивання дорівнює куту падіння.

Закони відбивання світла

При переході світлових променів з одного прозорого середовища в інше напрями променів змінюються (світло заломлюється).Перший закон заломлення світла:

Заломлений промінь лежить у тій самій площині, в якій лежать падаючий промінь і перпендикуляр, поставлений у точці падіння променя до межі поділу двох середовищ

Закони заломлення світла

,sin

sinn

При всіх змінах кутів падіння і заломлення відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для даних двох середовищ є величина стала, яка називається показником заломлення другого середовища відносно першого.

де n – величина, яка залежить від властивостей середовищ, на межі поділу яких відбувається заломлення світла, і називається показником заломлення другого середовища відносно першого.

Оскільки першим середовищем звичайно буває повітря, то прийнято визначати показник заломлення даної речовини відносно повітря.

Цей відносний показник заломлення мало відрізняється від абсолютного, оскільки абсолютний показник заломлення повітря дуже близький до одиниці і дорівнює за нормальних умов 1, 00029.

Фізичний зміст показника заломлення визначили лише після того, як закони заломлення були отримані за принципом Гюйгенса. Відносний показник заломлення показує у скільки разів швидкість світла в одному середовищі є більшою за швидкість в другому. Тепер закон заломлення можна записати таким чином:

Якщо першим середовищем є вакуум, то показник заломлення називають абсолютним. Абсолютні показники заломлення визначено для всіх середовищ і занесено до таблиць.

Показники переломлення різних середовищПовітря ( при звичайних умовах) 1,0002926Вода 1,332986Гліцерин 1,4729Бензол 1,500Органічне скло 1,51Фіаніт (CZ) 2,15–2,18Кремній 4,010Алмаз 2,419Кварц 1,544Кіновар 3,02Топаз 1,63Лід 1,31Масло маслинове 1,46Цукор 1,56Спирт етиловий 1,36

З двох речовин оптично більш густою називається та, яка має більший абсолютний показник заломлення.

Різні випадки заломлення та відбивання світла

Закріплення Розв’язування вправ

Вправа 1.

Світловий промінь, який перейшов із повітря у скло, зазнав заломлення. Порівняйте кути падіння та заломлення променя.

Розв'язання

Кут падіння більший, аніж кут заломлення, оскільки скло - більш оптично густе середовище (швидкість світла в повітрі більша, аніж у склі).

Закріплення Розв’язування вправ

Вправа 2.

Світловий промінь переходить із повітря у прозору рідину. Якщо кут падіння променя становить 45°, то кут заломлення дорівнює 30°. На який кут відхиляється промінь від початкового напряму? Знайдіть показник заломлення рідини.

(як вертикальні)

Кут відхилення:

Розв'язання

Закріплення Розв’язування вправ

Вправа 3.

Знайдіть за рисунком показник заломлення середовища, до якого переходить світло з вакууму. Чи правильно показано відбитий промінь?

Проведемо з точок перетину падаючого променя і кола та заломленого променя і кола перпендикуляри АВ і СD до вертикалі:

Розв'язання

Отже, рідина - вода.