Физика: Преломление света | Частная школа. 9 класс

Конспект по физике для 9 класса «Преломление света». Что такое преломление света. Как формулируются законы преломления света.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

В основе геометрической оптики лежат четыре закона, три из которых вы уже знаете: закон прямолинейного распространения света в однородной среде, закон отражения света от зеркальной поверхности и закон независимости световых лучей. Давайте рассмотрим четвёртый закон — закон преломления света на границе двух прозрачных сред.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Вы уже знаете, что свет, падая на границу раздела двух сред, частично отражается от неё. Если среда прозрачна, то часть света может пройти сквозь неё. В этом случае наблюдается явление преломления света. Преломление света мы часто наблюдаем в нашей жизни. Ложка или трубочка, опущенная в стакан с водой, кажется надломленной на границе воды и воздуха. Это объясняется тем, что световой пучок при переходе из одной среды в другую меняет своё направление. Преломление света — это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую.

Закон преломления света в отличие от законов прямолинейного распространения света и закона отражения света стал известен человечеству гораздо позднее. Его пытались открыть сначала греческие, а позже арабские учёные. Автором закона преломления считается голландец Виллеброрд Снеллиус, экспериментально открывший его в 1621 г. Сам учёный свой труд не опубликовал, о чём известно из сочинений Рене Декарта, независимо от него сформулировавшего тот же закон в 1637 г.

Проведём опыт, используя оптический диск, в центре которого установлена стеклянная пластина. В отличие от опыта с зеркальной пластиной теперь световой луч не отразится на границе раздела двух сред (воздух — стекло). Луч проникает внутрь стекла и меняет направление своего распространения.

В этом опыте также можно проверить выполнение закона обратимости световых лучей. Если передвинуть осветитель по краю оптического диска и пустить световой луч в направлении луча DO, то после преломления света мы получим световой луч, совпадающий с лучом ОС.

Обозначим линию раздела двух сред (воздух — вода) MN. Пусть на эту поверхность из точки S падает пучок света. Его направление задано лучом SO. Луч SO — падающий луч. При попадании светового луча на границу раздела двух сред наблюдается его преломление. Луч О В называют преломлённым лучом. Из точки падения луча О проведём перпендикуляр ОС к поверхности раздела двух сред. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к поверхности раздела двух сред в точке падения луча называют углом падения (угол α).

Угол между преломлённым лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения луча называют углом преломления (угол γ).

Из опыта с оптическим диском можно сделать следующие выводы:

• чем больше угол падения, тем больше угол преломления;
• при переходе луча света из воздуха в стекло угол преломления меньше угла падения;
• при переходе луча света из стекла в воздух угол преломления больше угла падения.

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ СРЕДЫ

Различие углов падения и преломления обусловлено тем, что скорость распространения света в различных средах различна.

Говорят, что чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность. Стекло и воздух имеют разную оптическую плотность, т. е. скорость распространения света в стекле меньше, чем в воздухе. Поэтому оптическая плотность стекла больше, чем оптическая плотность воздуха. Оптическая плотность воды также больше оптической плотности воздуха.

ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА

Только в середине XVII в. стало понятно, что преломление света на границе двух сред объясняется различием их оптических плотностей.

Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения: α > γ.

Если луч света переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения: α < γ.

При изменении угла падения меняется и угол преломления. При этом опытами установлено, что отношение между углами не сохраняется, а остаётся постоянным отношение синусов углов падения и преломления.

Таким образом, для любой пары веществ с различной оптической плотностью можно записать:где n — относительный показатель преломления для двух данных сред.

Учитывая вышесказанное, можно сформулировать закон преломления света следующим образом: лучи падающий, преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. При этом отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред.

Когда мы пытаемся на глаз оценить глубину водоёма или сосуда с водой, необходимо учитывать, что из-за преломления света глубина кажется нам меньше, чем на самом деле. Это явление легко проверяется на опыте. Наблюдатель размещает сосуд (чашку) с лежащим на его дне предметом (монеткой) таким образом, чтобы края сосуда не позволяли увидеть ни дна, ни этот предмет. Затем, не меняя направление взгляда, в сосуд начинают наливать воду, и через некоторое время предмет становится видимым.

Если луч переходит из воздуха в воду, то относительный показатель преломления этих сред равен 1,33. Относительный показатель преломления для воздуха и некоторых сортов стекла составляет приблизительно 1,5.

Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Преломление света».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Закон преломления света — формулы, примеры, как найти?

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Мы уверены, что вы хотя бы раз в жизни задумывались, откуда берется радуга. Даже малышам известно, что она появляется на небе после дождя, но почему происходит это явление? А если вы посмотрите на свои ноги, погруженные в воду, то они будут казаться искаженными, словно волнистыми. И еще пример странности: если поставить ложку в прозрачный стакан с водой, на границе раздела двух сред она будет выглядеть согнутой.

Интересно, но все перечисленные выше явления происходят по одной и той же причине — преломление лучей света. Сегодня мы подробно изучим его, а также поговорим про оптическую плотность различных сред, законы оптики и даже применим знания тригонометрии к физическим процессам. Будет очень интересно, так что не переключайтесь!

Что такое преломление света в физике

Преломление света — это явление, при котором световые лучи изменяют направление движения при переходе из одной среды в другую.

Здесь мы будем говорить только о прозрачных средах и веществах. Например о воздухе, воде, стекле, прозрачных кристаллах. То есть если лучи света из одной прозрачной среды переходят в другую прозрачную среду, то луч света в месте их соприкосновения исказится. Он изменит направление, в котором распространяется его движение. При этом, скорость распространения в другой среде тоже изменится, но об этом поговорим чуть позже.

Полезные подарки для родителей

В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!

Дисперсия света и оптическая плотность среды

Теперь, когда вы знаете о преломлении лучей, попробуйте объяснить возникновение радуги. Верно! Солнечные лучи распространяются в воздухе и встречают на своем пути мельчайшие капельки воды. Когда лучи проходят через них, они преломляются. Помимо этого, преломляясь, белый луч света будто расщепляется на радужный спектр от красного до фиолетового цветов, рождая при этом радугу.

Явление разложения света на спектральные цвета при прохождении через оптически плотное вещество называется дисперсия.

Теперь вам может стать интересно, реально ли получить радугу самим, в условиях эксперимента. Если да, то нам нравится ваше научное любопытство! Самостоятельно получить радугу возможно, и впервые этот опыт проделал ученый Исаак Ньютон. Он направил световой луч через прозрачную стеклянную призму и получил радужный спектр.

Это интересно

Свет может давать разные цвета, которые зависят от длины его волны. Например, самые длинные волны красного цвета, а самые короткие — фиолетового.

Внимательно посмотрите на картинку. Световой луч, если бы не разница в оптической плотности между воздухом и стеклом, не изменил бы свое направление. Он продолжил бы двигаться, как ни в чем не бывало. Но по законам геометрической оптики, он был вынужден исказиться дважды: при переходе из воздуха в стекло и еще раз, при переходе из стекла в воздух. Этот излом луча происходит благодаря такому показателю, как оптическая плотность среды.

Запомните!

Среда, в которой скорость распространения света меньше, — это оптически более плотная среда, и наоборот.

Этот показатель можно сравнить с обыкновенной плотностью. Только представьте: луч света распространяется в воздухе. Воздух — это газ, он состоит из бесконечного множества молекул. Расстояние между ними достаточно велико, что позволяет свету распространяться без каких-либо помех. При переходе из воздуха в воду (или стекло, кристалл), луч «замечает»: вещество также состоит из мельчайших частиц, но они расположены друг к другу ближе. «Проталкиваясь» среди молекул, луч теряет свою скорость. Это можно сравнить с тем, как вы бы проходили через толпу на танцполе к сцене, где выступает ваша любимая группа. Быстро это сделать точно бы не получилось.

Угол падения и угол преломления луча

Давайте посмотрим на процесс преломления с точки зрения геометрии. Для этого обратимся к схеме ниже.

Угол α на картинке — угол падения — это угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения луча на границу раздела сред. Угол γ — угол преломления — это угол между преломленным лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения луча на границу раздела сред.

Теперь рассмотрим картинку ниже и разберемся, как меняется угол преломления света при переходе в вещества разной плотности оптической среды.

Из иллюстрации можно сделать такие выводы:

1. При переходе света из менее плотной оптической среды в более плотную, скорость уменьшается, и угол преломления меньше угла падения.

2. При переходе света из более плотной оптической среды в менее плотную, скорость увеличивается, и угол преломления больше угла падения.

3. При переходе света из одной среды в другую с такой же оптической плотностью, скорость распространения не изменяется, и угол падения равен углу преломления.

Показатель преломления лучей света

Сейчас вы можете задуматься о том, относительно чего искажается луч света. Может, есть какие-то физические величины или показатели, которые показывают степень излома луча? Да, такие в физике имеются. За эти характеристики отвечают показатели преломления: абсолютный и относительный. Рассмотрим их все.

Абсолютный показатель преломления света

Абсолютный показатель преломления — безразмерная величина, показывающая отношение скорости света в вакууме к скорости распространения в среде.

Абсолютный показатель преломления обозначается буквой [n]. Его можно рассчитать по формуле:

Эта величина показывает, во сколько раз меняется скорость света при переходе из вакуума в воздух, воду, стекло и т. д. Абсолютный показатель преломления n некоторых веществ можно найти в таблице ниже.

Как мы видим, абсолютный показатель преломления воздуха равен 1. Это означает, что при переходе из вакуума в воздух, луч света никак не искажается. А вот при переходе из вакуума в алмаз, скорость распространения света уменьшается почти в 2,5 раза!

Относительный показатель преломления

Относительный показатель преломления — безразмерная величина, показывающая отношение абсолютных показателей преломления двух сред.

Этот показатель указывает на то, во сколько раз изменится скорость распространения луча при переходе из одной среды в другую. Его можно рассчитать по такой формуле:

Закон преломления света

Давайте разберемся, как мы можем найти угол преломления и угол падения, если знаем относительный или абсолютный показатель. В этом нам помогут законы преломления света. В свое время их изучал голландский математик Виллеброрд Снелл, именно поэтому их часто называют законами Снеллиуса или Снелла.

Рассмотрим формулировку законов преломления.

1. Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

2. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ — это постоянная величина для двух данных сред:

Благодаря этой формуле мы можем найти угол преломления и угол падения. Круто, правда?

Если вы не сильно дружны с математикой, а от синусов и косинусов хочется упасть в обморок — не расстраивайтесь! Чтобы решать задачи о преломлении света, вам не нужно знать мельчайшие нюансы тригонометрии. Достаточно запомнить формулу, а также иметь при себе великую таблицу Брадиса. Это такая таблица, в которой записаны все значения тригонометрических функций углов от нуля до 90 градусов. А значит, не нужно ничего заучивать и запоминать — можно просто воспользоваться готовыми данными.

Мнимое изображение, которое образовано преломлением лучей

Давайте вспомним еще пару примеров, о которых говорили ранее: об «изломанной» ложке и «волнистых» ногах в бассейне. Давайте попытаемся объяснить их с точки зрения законов физики.

Преломление лучей, как и отражение света плоским зеркалом, создает обманчивое изменение положения источника света. Причем оно будет различным для лучей, которые падают на границу раздела двух сред под разными углами. Именно поэтому нам только кажется, что ложка сломана — такой ее делают преломляющиеся лучи света.

В разных устройствах применяют эти свойства преломления, когда пропускают лучи света через стеклянную призму и через их сочетания. Например, как это делал Исаак Ньютон в эксперименте, который мы рассмотрели ранее. Ниже — схема преломления лучей через разные виды призм.

Полное внутреннее отражение

Последнее, что мы обсудим сегодня, касается процесса полного внутреннего отражения. Давайте разберемся, как он связан с преломлением.

Полное внутреннее отражение – это явление, при котором свет, падающий на границу двух сред из среды с большим показателем преломления под углом, превышающим предельный угол α пр, не преломляется, а полностью отражается, так что энергия падающего света отражается в первую среду.

Интересно, что явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике — для передачи световых сигналов на большие расстояния.

В свою очередь, волоконную оптику используют во многих отраслях науки и искусства: в медицине, телекоммуникациях, датчиках различного спектра и освещении.

Примеры задач

Теперь попробуем решить задачку и заодно повторим все, о чем сегодня поговорили.

Задание № 1

Известно, что показатель преломления воздуха и некоторой среды равен 3. Если угол между лучом и границей двух сред 30°, то каким будет угол преломления?

Решение

1. Воспользуемся формулой, описанной во втором законе преломления:

2. Проанализировав текст задачи, мы видим, что нам дано значение угла между лучом и границей, а не угол падения. Найдем угол падения:

   ∠α = 90 – 30 = 60.

3. Выразим из формулы:

   sin(y) = sinα / n₂₁.

4. Подставим значения и рассчитаем угол преломления:

Ответ: 30°.

Если вы хотите детально разобраться в законах отражения и преломления света, а также попрактиковаться в решении задач, приходите на онлайн-курсы физики в школу Skysmart! Там вы не только станете экспертом в школьных темах, но еще подготовитесь к экзаменам, а также превратитесь в настоящих ученых с нашими опытами и лабораторными работами. Ждем вас, юные ученые, и до новых встреч!

Дарья Вишнякова

К предыдущей статье

Сила

К следующей статье

Оптическая сила линзы

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

Оптическая плотность и скорость света

Преломление — это искривление пути световой волны при переходе из одного материала в другой. Преломление происходит на границе и обусловлено изменением скорости световой волны при пересечении границы. Тенденция луча света изгибаться в том или ином направлении зависит от того, ускоряется или замедляется световая волна при пересечении границы. Поскольку основное внимание в нашем исследовании будет уделено направлению изгиба, важно понять факторы, влияющие на скорость, с которой световая волна распространяется через среду.

Распространение света через среду

Механизм, с помощью которого световая волна распространяется через среду, происходит аналогично тому, как распространяется любая другая волна, — взаимодействием частиц. В Разделе 10 Учебного пособия по физике подробно обсуждался механизм взаимодействия частиц, с помощью которого механическая волна переносит энергию. В Разделе 12 учебника по физике кратко обсуждался механизм переноса энергии электромагнитной волной. Здесь мы рассмотрим этот метод более подробно.

Электромагнитная волна (то есть световая волна) создается вибрирующим электрическим зарядом. Когда волна движется через вакуум пустого пространства, она движется со скоростью c (3 x 10 ⁸ м/с). Это значение является скоростью света в вакууме. Когда волна сталкивается с частицей материи, энергия поглощается и приводит электроны внутри атомов в колебательное движение. Если частота электромагнитной волны не совпадает с резонансной частотой колебаний электрона, то энергия переизлучается в виде электромагнитной волны. Эта новая электромагнитная волна имеет ту же частоту, что и первоначальная волна, и она тоже будет двигаться со скоростью c через пустое пространство между атомами. Вновь испущенная световая волна продолжает двигаться в межатомном пространстве, пока не столкнется с соседней частицей. Энергия поглощается этой новой частицей и приводит электроны ее атомов в колебательное движение. И еще раз, если нет соответствия между частотой электромагнитной волны и резонансной частотой электрона, энергия переизлучается в виде новой электромагнитной волны. Цикл поглощения и переизлучения продолжается по мере того, как энергия передается от частицы к частице через объем среды. Каждый фотон (сгусток электромагнитной энергии) перемещается между межатомными пустотами со скоростью с ; тем не менее временная задержка, связанная с процессом поглощения и повторного излучения атомами материала, снижает чистую скорость переноса от одного конца среды к другому. Следовательно, результирующая скорость электромагнитной волны в любой среде несколько меньше ее скорости в вакууме — c (3 х 10 ⁸ м/с).

Оптическая плотность и показатель преломления

Как и любая волна, скорость световой волны зависит от свойств среды. В случае электромагнитной волны скорость волны зависит от оптической плотности этого материала. Оптическая плотность среды не совпадает с ее физической плотностью. Физическая плотность материала относится к соотношению массы и объема. Оптическая плотность материала связана с вялой тенденцией атомов материала поддерживать поглощенную энергию электромагнитной волны в форме вибрирующих электронов, прежде чем повторно излучать ее в виде нового электромагнитного возмущения. Чем оптически плотнее материал, тем медленнее волна будет проходить через него.

Одним из показателей оптической плотности материала является показатель преломления материала. Значения показателя преломления (представленные символом n ) представляют собой числовые значения показателя, которые выражаются относительно скорости света в вакууме. Показатель преломления материала — это число, указывающее, во сколько раз световая волна будет медленнее в этом материале, чем в вакууме. Вакууму присваивается значение n, равное 1,0000. № 9Значения 0008 других материалов находятся из следующего уравнения:

В таблице ниже приведены значения индекса преломления для различных сред. Материалы, перечисленные в верхней части таблицы, — это те, через которые свет распространяется быстрее всего; это наименее оптически плотные материалы. Материалы, перечисленные в нижней части таблицы, — это те, через которые свет распространяется медленнее всего; это наиболее оптически плотные материалы. Таким образом, по мере увеличения значения показателя преломления оптическая плотность увеличивается, а скорость света в этом материале уменьшается.

Используйте виджет Index of Refraction для поиска показателя преломления данного материала. Введите название материала и нажмите кнопку Submit , чтобы найти его показатель преломления.

Значения показателя преломления обеспечивают меру относительной скорости световой волны в конкретной среде. Знание таких относительных скоростей позволяет изучающему физику предсказать, в какую сторону искривится луч света при переходе из одной среды в другую. В следующей части Урока 1 будут подробно рассмотрены правила направления изгиба.

 

 

Мы хотели бы предложить …

Зачем просто читать об этом и когда вы могли бы взаимодействовать с ним? Взаимодействие — это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного метода преломления или интерактивного принципа наименьшего времени. Вы можете найти их в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Эти интерактивы предоставляют учащимся интерактивную среду для изучения преломления и/или отражения света на границе двух материалов.

Посетите:  Интерактивное преломление  || Принцип наименьшего времени Интерактивный

 

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

Руководство для покупателей | Что такое лазерная безопасность OD (оптическая плотность)?

Руководство для покупателей | Что такое лазерная безопасность OD (оптическая плотность)?

 

Оптическая плотность (OD) в области лазерной безопасности — это количество света, ослабленного[i] линзой с определенной измеряемой длиной волны. Требуемая OD, определенная World Laser Safety в США и указанная в ANSI Z136.1, зависит от нескольких факторов, включая длину волны лазера. Стандарты были созданы в результате исследований, основанных на том, как разные длины волн оказывают различное биологическое воздействие.

Ниже приведен пример того, как расшифровывается сокращенное обозначение оптической плотности и ослабления энергии, проходящей через данный фильтр.

Обратите внимание, что каждая длина волны будет иметь разную оптическую плотность. Для простоты он указывается как диапазон длин волн.

Длина волны — это первый параметр, необходимый для начала оценки необходимого типа защиты от лазерного излучения.

Обычно лазер имеет две длины волны:

1. Длина волны прицельного луча — обычно «безопасна для глаз» | изображены на изображении ниже красным цветом.
2. Длина волны операционного луча — операционный луч требует надлежащей защиты от лазера | изображен на изображении ниже зеленым.

Лазер рабочего луча в сравнении с лазером целевого луча (обычно безопасный для глаз)

Направляющий луч помогает пользователю позиционировать рабочий лазерный луч. Как правило, прицельный луч будет маломощным и, как правило, красным. Не смотрите прямо на любой лазер, включая направляющий луч. Распространенным вариантом использования прицельного луча является лазерная указка. Для получения дополнительной информации о лазерной безопасности с рабочим лучом и прицельным лучом нажмите здесь.

Если вы сомневаетесь, безопасен ли ваш направляющий луч для глаз при рассеянном наблюдении, проконсультируйтесь со своим специалистом по лазерной безопасности или позвоните нам, прежде чем делать какие-либо предположения. Недавно наша команда столкнулась с длинами волн, используемыми для наведения лучей, которые не подходят без надлежащей защиты от лазерного излучения.

Никогда не смотрите прямо на какой-либо лазер (включая направляющий луч). Стойте позади луча, когда смотрите на него, и не приближайте глаза к оси во время юстировки или любых других операций с лазерами. Все средства индивидуальной защиты от лазерного излучения предназначены только для непреднамеренного прямого и рассеянного просмотра. Если вам попал лазер в глаз, немедленно отведите взгляд.

Если луч юстировки превышает MPE, используйте надлежащие очки для юстировки (где порог MPE не превышается с учетом соответствующей продолжительности экспозиции). Ослабление лазера до такой степени, что его нельзя увидеть, является проблемой. Итак, убедитесь, что вы правильно выровняли лазер. Необходимо всегда использовать защитные очки для лазерной юстировки. Всегда будьте в безопасности при работе с лазерами.

Наличие надлежащего персонала с соответствующей подготовкой и стандартными рабочими процедурами во время процесса юстировки является надлежащей лазерной безопасностью среди нескольких других средств контроля лазерной безопасности.

Многие лазеры находятся в пределах спектра видимого света 380 нм (фиолетовый) и 740 нм (красный). Людям также необходима защита от лазеров, которые излучают ультрафиолетовый свет (с меньшей длиной волны, чем видимый свет) и инфракрасный свет (с большей длиной волны, чем видимый свет в магнитном спектре). Важно знать длину волны лазера, с которым вы работаете — разные лазеры требуют разной степени защиты, как указано в ANSI.

---

[i] Вне контекста лазерной безопасности оптическая плотность чаще относится к показателю преломления, а термин «поглощение» используется вместо того, что мы называем здесь оптической плотностью.

Вопросы и ответы по теме

Вопрос: Если мои очки имеют оптическую плотность 7+ в диапазоне 190–385 нм, значит ли это, что они обеспечивают такую ​​защиту для длин волн ниже 190, например 110 нм?

Ответ: Нет, это неправильный подход к лазерной безопасности, защита от более низкой или более высокой длины волны за пределами указанного диапазона для продукта лазерной безопасности не является безопасным способом покупки.

Вопрос: Можете ли вы предоставить мне защитные очки или защитные очки, защищающие от любого лазера?

Ответ: Нет, заблокировав весь спектр видимого света, вы гарантируете, что никакой видимый свет не будет проходить через очки и, следовательно, не будет никакой видимости. Хотя материалы действительно блокируют несколько длин волн, блокирование всех длин волн видимого света лишило бы смысла носить очки, потому что вы ничего не смогли бы увидеть через них.

Однако некоторые очки обеспечивают защиту от нескольких длин волн. Кроме того, еще одним способом борьбы с несколькими лазерами может быть ношение нескольких очков для защиты от лазерного излучения.