2.10. Закони заломлення світла


Досі ми розглядали поширення світла в якомусь одному середовищі (зазвичай — у повітрі). Проте кожен із нас добре знає, що світло може переходити з одного середовища в інше: сонячне світло доходить до нас через віконне скло, освітлює дно неглибоких водоймищ тощо. Виявляється, що такі переходи світла спричиняють багато цікавих явищ.
Якщо взяти олівець і занурити його в склянку з водою, ви побачите, що олівець нібито «заломився» на межі «повітря — вода».        У тому, що насправді олівець залишився прямим, можна переконатися, провівши по ньому пальцем.
Причина вдаваного «зламу» олівця — заломлення світла на межі двох середовищ.
Заломлення світла — зміна напрямку поширення світла під час переходу  з одного середовища до іншого.
Передусім з'ясуємо, що таке «різні середовища » для світла. Нині відомо, що головна відмінність між двома оптичними середовищами — це різні швидкості поширення світла.  Ви вже знаєте, що швидкість світла становить 300 000 км/с. Проте такою вона є лише у вакуумі, тобто в просторі, у якому практично немає речовини: атомів і молекул (наприклад, між Сонцем та Землею). Швидкість світла у вакуумі прийнято позначати літерою с (це).
с=300 000 км/с – швидкість світла у вакуумі.
Якщо світло поширюється в середовищі, воно взаємодіє з молекулами цього середовища. Унаслідок цього швидкість світла зменшується. Це означає, що в будь-якому середовищі швидкість світла менша, ніж у вакуумі.
Кожне прозоре середовище по-різному впливає на швидкість світла в ньому, тому прозорі речовини характеризуємо показником заломлення. 

Показник заломлення світла позначає, у скільки разів швидкість світла у вакуумі більша за швидкість світла в певному середовищі.
Розглянемо випадок, коли світло падає на прозору речовину перпендикулярно до її поверхні.
Досягнувши речовини, світло рухається в ній із меншою швидкістю, однак напрямок його поширення не змінюється.
Іншою буде картина, коли світло падатиме з повітря на прозору поверхню під кутом.
Унаслідок того, що світло переходить у середовище з іншою швидкістю, воно змінює напрямок поширення — заломлюється. 

Чим меншою є швидкість світла у другому середовищі, тим більшим буде показник заломлення 
Кут заломлення — це кут між перпендикуляром і променем у середовищі, до якого переходить світло.


Світло не завжди переходить із вакууму (або повітря) в інше середовище. Часом трапляється так, що світло переходить у повітря з води або скла. Тоді промінь переходить із середовища з меншою швидкістю в середовище з більшою (швидкість світла у вакуумі майже не відрізняється від швидкості в повітрі).
У цьому випадку світло зазнає заломлення, але кут заломлення більший за кут падіння.
Середовище, швидкість світла в якому є меншою, називають більш оптично густим.
Під час переходу світла з більш оптично густого середовища до менш оптично густого кут заломлення більший від кута падіння.

Як й у випадку відбивання світла, за його заломлення також існують певні залежності між кутом падіння і кутом заломлення. їх називають законами заломлення.
Перший закон заломлення
Промінь, що падає, заломлений промінь і перпендикуляр до точки падіння лежать в одній площині.


Другий закон заломлення світла встановлює зв'язок між кутами падіння, заломлення та показником заломлення, але в ньому фігурують не кути, а інші величини, що відповідають цим кутам.
Другий закон заломлення світла:
Якщо світло переходить із менш оптично густого середовища в більш оптично густе, відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення дорівнює показнику заломлення світла:  .

Цікаві факти
Повне внутрішнє відбивання
Цікаво простежити, що відбуватиметься із заломленим променем у разі збільшення кута падіння до 90°. Адже кут заломлення не може бути більшим від 90°. 

Збільшуючи кут падіння, можна помітити, що інтенсивність заломленого променя зменшується. А для досить великих кутів падіння заломлений промінь зовсім зникає: залишається тільки відбитий промінь!
Це явище називають повним внутрішнім відбиванням.
Наприклад, для променя, що йде з води в повітря, повне внутрішнє відбивання відбуватиметься для кутів, більших за 49°.
Повне внутрішнє відбивання використовують у сучасній техніці для передавання світлових сигналів тонкими скляними нитками — світловодами (так звана «волоконна оптика»). Хід променя світла у світловоді схематично показано на відео 

Джгутом завтовшки з волосину, звитим із тонких скляних ниток, передають сигнали до телевізорів, телефонів і комп'ютерів. Світловоди використовують і для подавання світла від джерела до панелей приладів в автомобілях.
Оптичні волокна використовують і в медицині. За їх допомогою зображення внутрішніх органів передають на телекамеру, що дозволяє ретельно їх обстежувати.
Міражі
У неоднорідному нагрітому повітрі промені світла не поширюються прямолінійно, а плавно викривляються. Унаслідок цього виникають міражі. Наприклад, коли посередині пекучої пустелі мандрівникові привиджується озеро. 
Удень у пустелі нижні шари повітря сильно нагріваються від гарячого піску унаслідок чого повітря стає неоднорідним. Проходячи крізь таке середовище, промінь світла плавно викривляється (рис. 19.10 підручника). У результаті цього промінь, що йде зверху від блакитного неба, потрапляє в око мандрівника знизу. І людині, знеможеній спрагою, здається, ніби попереду є озеро, що відбиває блакитне небо. Мандрівник прямує до «озера», але відстань до нього не зменшується!
У середніх широтах також можна спостерігати подібний міраж: у спекотний літній день водію або пасажиру здається, що він бачить «калюжі» на сухому шосе. 

Завдання для самоперевірки


Немає коментарів:

Дописати коментар