Закон преломления света - формулировка и физический смысл

Геометрическая оптика

Оптика — огромный раздел в физике, включающий в себя изучение происхождения лучей и контакт полос света с веществами различной природы. Часть оптики, рассматривающая принципы направления солнечного света в гомогенной среде, называется лучевой. Чтобы тщательно разобраться в закономерностях распределения полос, необходимо определить предмет изучения геометрической оптики.

Термин «свет»

Предметы, которые доступны человеческому глазу без дополнительных оптических приборов, находятся в узком диапазоне видимого света. Близкие по частоте длины волн принадлежат ультрафиолетовому и инфракрасному излучениям. Например, семейство пчелиных распознают колебания ультрафиолетовых волн.

Световые лучи имеют различное происхождение. Тепловые материалы достигают температуры 1000−1600 градусов Цельсия, а также способны изменять цвет в зависимости от термического градиента. Источники люминесцентного свечения (экраны смартфонов, некоторые семейства насекомых, газоразрядные лампы) выделяют «холодный свет», поэтому пользуются большим спросом в быту.

Потоки обладают отражательными и преломляющими способностями. В повседневной жизни человек непременно сталкивается с доказательствами законов лучевой оптики. Самые популярные примеры:

• свойство водоемов искажать солнечные потоки;
• получение бликов на металлической поверхности с помощью портативных генераторов;
• освещение дорожного пути фарами автомобилей;
• изменение формы предметов, погруженных в емкости с водой;
• построение изображений с помощью зеркал.

Существует две теории происхождения световых потоков. Согласно волновому принципу, лучи в физике — волны электрической или магнитной природы. Представители корпускулярной доктрины считают, что солнечные полосы — это множество частиц, которые обладают значительной энергией и способны перемещаться в вакууме.

Принципы распространения лучей

Изучение формулировок законов, связанных с перемещением света в пространстве, начинают ещё в 10−11-м классе. Учителя физики используют для наглядных примеров стеклянную емкость с водой и портативный генератор. Направляя луч лазера через призму, ученики убедятся в том, что пучки перемещаются прямолинейно.

В геометрической оптике выделяют четыре главных правила перемещения световых полос:

1. Явление распределения света — в гомогенной среде лучи распространяются прямолинейно. Ученый, раскрывший законы распространения света, — Евклид, который жил в Древней Греции в III веке до нашей эры.
2. Правило отражения световых полос — нисходящий и отраженный лучи находятся в единой плоской поверхности, называемой поверхностью падения. Угол, образованный нисходящей линией и серединным отрезком, равен величине угла, созданным отраженным полосой и серединным отрезком. В физических формулах значение углов обозначают греческими буквами γ и α.
3. Закон преломления света в физике — нисходящий и искаженный лучи располагаются в единой плоскости. Результатом искажения световых полос является деформация формы или размеров различных предметов.
4. Явление независимости солнечных потоков — это действие, которое осуществляется одним из пучков, не оказывает влияния на оставшиеся лучи. Доказательством закона служит разбиение полос на единичные линии света благодаря специальным чертежам.

Явление искажения световых полос открыл голландский математик и астроном Виллеброрд Снелл в XVII веке. Но многие физики считают, что закон был открыт намного раньше (в X веке) арабским ученым Сахль ибн Бишром. Экспериментально закон подтвердил французский механик Декарт, поэтому в литературных источниках Франции часто встречается словосочетание «закон Декарта».

Искажение световых потоков

Доказано, что полосы, проходя из воздушной среды в стекло, сильно искажается. Луч, попавший в воду из воздуха, лишь немного изменяет угол наклона. Для удобства определения коэффициента преломления был введен специальный термин — относительный параметр искажения. Условный параметр характеризует состояние воздуха и воды при прохождении солнечного отрезка через их границы. Коэффициент высчитывается по определенному математическому соотношению, но нет необходимости делать это самостоятельно, так как готовые таблицы есть в книгах по физике.

Доказательства закона

Искажение лучей при попадании из одной оптически однородной среды в другую зависит от скорости распределения света между средами. Изменение параметров движения в воздухе изображают через U1, а скорость в водной среде — U2. Предположим, что на поверхность водной глади попадает световой луч А1 с углом α между преломленной линией и перпендикуляром. С1 — отраженная часть луча с углом α между отраженной полосой и серединным отрезком.

Луч В1 попадает на границу раздела двух сред через время Δ t. Чтобы определить значение времени, за которое световой пучок попадет на водную гладь, необходимо отрезок СВ разделить на U1.

Когда напряжение дойдет до момента В, вторая электромагнитная волна в воде примет форму шара. Радиус сферы равен U2 Δ t. Чтобы выяснить, как будет двигаться световой луч в дальнейшем, необходимо провести специальный отрезок ВD.

Нисходящая полоса А1А образует предельный угол α, который равен по величине углу САВ в фигуре АВС. Отсюда следует, что сторона СВ равна U1 Δ t или же стороне треугольника АВ*sinα.

Угол искажения β равен углу АВD. Следовательно, сторона треугольника АD равна радиусу сферы. Разделив первое равенство на второе, легко понять, в чем физический смысл преломления света:

sin α / sin β = n1/n2 = n21

При увеличении или уменьшении нисходящего угла происходят изменения относительно угла искажения. Если величина нисходящего угла повышается, то второй угол также возрастает. Если пучок падает на поверхность емкости с достаточной плотностью, то искажающий угол, как правило, намного меньше падающего угла. Параметр рефракции среды относительно вакуума — абсолютный коэффициент искажения.

Формула закона преломления света имеет различные формы записи:

n1*sin θ = n2*sin θ

Связь выражения n1*sin θ c n2*sin θ заключается в полном внутреннем отражении. Искажающая полоса исчезает, а нисходящий луч отражается от поверхности среды. Формулу закона Снелла часто используют, если длина электромагнитной волны небольшой величины.

Практическое применение

Искажение световых полос является основой для создания оптических телескопов, в которых для оформления пучков света применяют специальные линзы. Рефракторы используют в научной работе в качестве телескопов, зрительных труб, приборов для приближения дальних объектов.

Спектрографы и другие зрительные инструменты применяются для визуального наблюдения спектра излучения. В биофизике углубленно рассматривают геометрическую оптику, чтобы правильно понимать акустические параметры. В устройствах для воспроизведения звуков очень важен показатель рефракции при изучении распределения звуков.

Явление искажения пучков света применяется во многих медицинских сферах. Особенно при изучении строения и функционирования глаз человека, а также для лечения и корректировки таких заболеваний, как близорукость и дальнозоркость. Чтобы выписать пациенту рецепт на очки, офтальмолог обязан проверить зрение с помощью фороптора.

Проведение диагностики позволяет выявить патологии искажения пучков света в глазу человека. Тест на форопторе включает в себя работу с линзами, которые имеют различную преломляющую способность. Для лечения и дальнейшей корректировки зрения специалисты назначают контактные линзы или очки.