Рефракция и закон Снелла

Вы когда-нибудь замечали, как соломинка в стакане с водой выглядит согнутой или сломанной в месте, где она входит в воду? Это уникальное явление вызвано важной концепцией в физике, называемой рефракцией. Рефракция - это изменение направления волны, проходящей из одной среды в другую, вызванное изменением её скорости. В этом руководстве мы изучим, как работает рефракция и как она подчиняется закону Снелла.

Что такое рефракция?

Рефракция происходит, когда свет проходит через разные среды. Среда - это материал, через который может проходить свет, например, воздух, вода или стекло. Когда свет проходит из одной среды в другую, его скорость меняется. Это изменение скорости может вызвать изменение направления света. Эффект может быть тонким или довольно заметным, в зависимости от вовлеченных материалов.

Представьте себе лучи света, проходящие из воздуха в воду:
         Воздух
  ,
 ,
,
Вода
,
    

На диаграмме выше свет проходит через границу между воздухом и водой. Когда он входит в воду, свет замедляется и изменяет направление, изгибаясь к нормали (воображаемой линии, перпендикулярной поверхности).

Природа света

Перед углублением в рефракцию важно понять природу света. Свет ведет себя как волна и как частица. При обсуждении таких явлений, как рефракция, свет рассматривается как волна.

Световые волны путешествуют с наибольшей скоростью в вакууме, которая составляет около 299792 километров в секунду (км/с). Когда свет попадает в разные среды, его скорость уменьшается. Свет движется медленнее в воде, чем в воздухе, и еще медленнее в стекле. Это изменение скорости влияет на движение и изгиб световых волн.

Как работает рефракция

Чтобы понять рефракцию, рассмотрим простой пример. Представьте, что вы толкаете игрушечную машинку с гладкого деревянного пола на шероховатый ковер. Когда машинка движется по ковру, одно из её колес замедляется первым, заставляя её поворачиваться или наклоняться.

Дерево (быстро)
,
  (машинка
   изменяет)
    Ковер (медленно)
,
    

Таким же образом, когда световые волны движутся из более быстрой среды в более медленную (например, из воздуха в воду), одна сторона фронта волны замедляется раньше другой, заставляя световую волну изгибаться.

Закон Снелла: Закон рефракции

Изгиб света вследствие рефракции регулируется законом Снелла. Закон Снелла дает формулу для вычисления угла изгиба света при входе в новую среду. Он выражается как:

n₁ * sin(θ₁) = n₂ * sin(θ₂)
    

Где:

• n₁ это показатель преломления первой среды
• θ₁ это угол падения (угол, под которым входящий свет создает нормалью)
• n₂ это показатель преломления второй среды
• θ₂ это угол преломления (угол, под которым преломленный свет создает нормалью)

Понимание показателя преломления

Показатель преломления - это число, которое показывает, насколько быстро свет проходит через вещество. Он определяется как:

n = c / v
    

Где:

• n это показатель преломления
• c это скорость света в вакууме (299792 км/с)
• v это скорость света в веществе

Разные материалы имеют разные показатели преломления. Например, показатель преломления воздуха составляет около 1.0003, показатель преломления воды - около 1.33, а показатель преломления стекла варьируется от примерно 1.5 до 1.9 в зависимости от типа.

Пример: Вычисление рефракции с использованием закона Снелла

Давайте разберем пример с использованием закона Снелла. Допустим, световой луч входит в воду из воздуха под углом падения 30 градусов. Каков угол преломления?

n₁ = 1.0003 (воздух)
n₂ = 1.33 (вода)
θ₁ = 30 градусов
n₁ * sin(θ₁) = n₂ * sin(θ₂)
1.0003 * sin(30) = 1.33 * sin(θ₂)
решая для θ₂, sin(θ₂) = (1.0003 * 0.5) / 1.33
sin(θ₂) ≈ 0.3757
θ₂ ≈ sin⁻¹(0.3757)
θ₂ ≈ 22 градуса

    

Согласно нашим вычислениям, угол преломления составляет около 22 градусов.

Понимание углов

Угол падения - это угол, под которым входящий свет создает нормалью к поверхности. Угол преломления - это угол, под которым преломленный свет создает нормалью внутри второй среды.

    Общий
      ,
      ,
     ,
θ₁ /  θ₂
,
    ,
    

Как видно, углы измеряются от нормали, а не от поверхности. Это помогает точно определить изгиб света при переходе из одной среды в другую.

Значение и применение рефракции

Рефракция имеет много важных применений в повседневной жизни и технологии. Некоторые из основных областей следующие:

Линзы

Рефракция является принципом, лежащим в основе линз. Линзы используются для фокусировки или рассеивания света. Это важно в очках, камерах и телескопах, которые регулируют фокусировку света для формирования четких изображений.

Оптоволокно

Оптическое волокно использует рефракцию для передачи световых сигналов на большие расстояния, например, для передачи данных для Интернета. Внутри волокна свет постоянно преломляется так, чтобы оставаться внутри сердцевины, что делает возможным эффективный и высокоскоростной обмен информацией.

Мираж

Рефракция может вызвать естественные явления, такие как миражи. Когда свет проходит через слои воздуха с разной температурой (и, следовательно, разной плотностью), он изгибается и может создать иллюзию воды или далёких объектов.

Смотрим через призму закона Снелла

Понимая закон Снелла, мы можем предсказать, как свет будет вести себя при пересечении границы между двумя средами. Этот принцип позволяет учёным и инженерам разрабатывать многие оптические устройства и предсказывать природные явления.

Забавный эксперимент, который можно выполнить дома

Вы можете наблюдать рефракцию с помощью простого эксперимента. Всё, что вам нужно, это стакан воды и карандаш.

1. Наполните прозрачный стакан водой.
2. Поместите карандаш в стакан под углом.
3. Посмотрите со стороны стакана.
    

Вы заметите, что карандаш выглядит согнутым или переломленным на поверхности воды. Здесь свет, идущий от карандаша через воду к вашим глазам, преломляется, изгибается и заставляет карандаш казаться согнутым.

Заключение

Понимание рефракции и закона Снелла важно для понимания поведения света в разных средах. Рефракция не только объясняет повседневные явления, такие как изгиб света в воде, но и позволяет функционировать линзам и оптоволокнам, демонстрируя её важность как в естественных, так и в технологических областях. Применяя закон Снелла, мы можем предсказать, как будет изменяться направление света, что является важной концепцией в области оптики и имеет значение при разработке оптических устройств.

Комментарии