Є ніщо інше, як відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення

Показник заломлення залежить від властивостей речовини та довжини хвилі випромінювання, для деяких речовин показник заломленнядосить сильно змінюється при зміні частоти електромагнітних хвиль від низьких частотдо оптичних і далі, а також може ще різкіше змінюватися в певних областях частотної шкали. За умовчанням зазвичай мають на увазі оптичний діапазон або діапазон, що визначається контекстом.

Величина n, за інших рівних умов, зазвичай менше одиниці при переході променя з середовища більш щільного в середовище менш щільне, і більше одиниці при переході променя з середовища менш щільного в середовище більш щільного (наприклад, газу або вакууму в рідину або тверде тіло ). Є винятки з цього правила, і тому прийнято називати середовище оптично більш менш щільним, ніж інше (не плутати з оптичною щільністю як мірою непрозорості середовища).

У таблиці наведено деякі значення показника заломлення для деяких середовищ:

Середовище, що має великий показник заломлення, називається оптично більш щільним. Зазвичай вимірюється показник заломлення різних середовищ щодо повітря. Абсолютний показник заломлення повітря дорівнює. Таким чином, абсолютний показник заломлення будь-якого середовища пов'язаний з її показником заломлення щодо повітря формулою:

Показник заломлення залежить від довжини хвилі світла, тобто від кольору. Різним кольорам відповідають різні показники заломлення. Це явище, яке називається дисперсією, відіграє важливу роль в оптиці.

Звернемося до докладнішому розгляду показника заломлення, введеного нами в §81 під час формулювання закону заломлення.

Показник заломлення залежить від оптичних властивостей і того середовища, з якого промінь падає, і того середовища, в яке він проникає. Показник заломлення, отриманий у тому випадку, коли світло з вакууму падає на якесь середовище, називається абсолютним показником заломлення даного середовища.

Мал. 184. Відносний показникзаломлення двох середовищ:

Нехай абсолютний показник заломлення першого середовища є другий середовища - . Розглядаючи заломлення на межі першої та другої середовищ, переконаємося, що показник заломлення при переході з першого середовища в друге, так званий відносний показник заломлення, дорівнює відношенню абсолютних показників заломлення другої та першої середовищ:

(Рис. 184). Навпаки, при переході з другого середовища до першого маємо відносний показник заломлення

Встановлений зв'язок між відносним показником заломлення двох середовищ та їх абсолютними показниками заломлення міг би бути виведений і теоретичним шляхом, без нових дослідів, подібно до того, як це можна зробити для закону оборотності (§82),

Середовище, що має великий показник заломлення, називається оптично більш щільним. Зазвичай вимірюється показник заломлення різних середовищ щодо повітря. Абсолютний показник заломлення повітря дорівнює. Таким чином, абсолютний показник заломлення будь-якого середовища пов'язаний з її показником заломлення щодо повітря формулою

Таблиця 6. Показник заломлення різних речовинщодо повітря

Показник заломлення залежить від довжини хвилі світла, тобто його кольору. Різним кольорам відповідають різні показники заломлення. Це явище, яке називається дисперсією, відіграє важливу роль в оптиці. Ми неодноразово матимемо справу з цим явищем у наступних розділах. Дані, наведені у табл. 6, відносяться до жовтого світла.

Цікаво відзначити, що закон відображення може бути формально записаний у тому вигляді, як і закон заломлення. Згадаймо, що ми домовилися завжди вимірювати кути від перпендикуляра до відповідного променя. Отже, слід вважати кут падіння і кут відображення мають протилежні знаки, тобто. закон відображення можна записати у вигляді

Порівнюючи (83.4) із законом заломлення, ми бачимо, що закон відображення можна розглядати як окремий випадок закону заломлення при . Ця формальна подібність законів відображення та заломлення приносить велику користь при вирішенні практичних завдань.

У попередньому викладі показник заломлення мав сенс константи середовища, що не залежить від інтенсивності світла, що проходить через неї. Таке тлумачення показника заломлення цілком природно, проте у разі більших інтенсивностей випромінювання, досяжних під час використання сучасних лазерів, воно виправдовується. Властивості середовища, якою проходить сильне світлове випромінювання, у разі залежить від його інтенсивності. Як кажуть, середовище стає нелінійним. Нелінійність середовища проявляється, зокрема, у цьому, що світлова хвиля великий інтенсивності змінює показник заломлення. Залежність показника заломлення від інтенсивності випромінювання має вигляд

Тут – звичайний показник заломлення, а – нелінійний показник заломлення, – множник пропорційності. Додатковий член у цій формулі може бути як позитивним, і негативним.

Відносні зміни показника заломлення порівняно невеликі. При нелінійний показник заломлення. Проте навіть такі невеликі зміни показника заломлення відчутні: вони виявляються у своєрідному явище самофокусування світла.

Розглянемо середовище із позитивним нелінійним показником заломлення. У цьому випадку області підвищеної інтенсивності світла є одночасною областями збільшеного показника заломлення. Зазвичай у реальному лазерному випромінюванні розподіл інтенсивності перерізу пучка променів неоднорідно: інтенсивність максимальна по осі і плавно спадає до країв пучка, як це показано на рис. 185 суцільними кривими. Подібний розподіл описує також зміну показника заломлення перерізу кювети з нелінійним середовищем, вздовж осі якої поширюється лазерний промінь. Показник заломлення, найбільший по осі кювети, плавно спадає до стінок (штрихові криві на рис. 185).

Пучок променів, що виходить з лазера паралельно осі, потрапляючи в середу зі змінним показником заломлення, відхиляється в той бік, де більше. Тому підвищена інтенсивність поблизу осп кювети призводить до концентрації світлових променів у цій галузі, показаної схематично в перерізах та на рис. 185, а це призводить до подальшого зростання. Зрештою ефективний переріз світлового пучка, що проходить через нелінійне середовище, суттєво зменшується. Світло проходить як би вузьким каналом з підвищеним показником заломлення. Таким чином, лазерний пучок променів звужується, нелінійне середовище під дією інтенсивного випромінювання діє як лінза, що збирає. Це явище називається самофокусування. Його можна спостерігати, наприклад, у рідкому нітробензолі.

Мал. 185. Розподіл інтенсивності випромінювання та показника заломлення по перерізу лазерного пучка променів на вході в кювету (а), поблизу вхідного торця (), у середині (), поблизу вихідного торця кювети ()

При вирішенні завдань з оптики часто потрібно знати показник заломлення скла, води чи іншої речовини. Причому в різних ситуаціяхможуть бути задіяні як абсолютні, і відносні значення цієї величини.

Два види показника заломлення

Спочатку про те, що це число показує: як змінює напрямок поширення світла те чи інше прозоре середовище. Причому електромагнітна хвиля може йти з вакууму, тоді показник заломлення скла або іншої речовини буде називатися абсолютним. Найчастіше його величина лежить у межах від 1 до 2. Тільки дуже рідкісних випадках показник заломлення виявляється більше двох.

Якщо перед предметом перебуває більш щільне, ніж вакуум, середовище, то говорять про відносному значенні. І розраховується як ставлення двох абсолютних величин. Наприклад, відносний показник заломлення вода-скло дорівнюватиме приватному абсолютних величин для скла і води.

У будь-якому випадку вона позначається латинською літерою"ен" - n. Ця величина виходить шляхом поділу один на одного однойменних величин, тому є просто коефіцієнтом, який не має найменування.

За якою формулою можна порахувати показник заломлення?

Якщо прийняти кут падіння за «альфа», а кут заломлення позначити «бета», формула абсолютного значення коефіцієнта заломлення виглядає так: n = sin α/sin β. В англомовній літературі часто можна зустріти інше позначення. Коли кут падіння виявляється i, а заломлення - r.

Існує ще інша формула того, як можна обчислити показник заломлення світла у склі та інших прозорих середовищах. Вона пов'язана зі швидкістю світла у вакуумі і нею ж, але вже в речовині, що розглядається.

Тоді вона має такий вигляд: n = c/νλ. Тут з – швидкість світла у вакуумі, ν – його швидкість у прозорому середовищі, а λ – довжина хвилі.

Від чого залежить показник заломлення?

Він визначається тією швидкістю, з якою світло поширюється в середовищі, що розглядається. Повітря в цьому відношенні дуже близьке до вакууму, тому світлові хвилі в ньому поширюються практично не відхиляються від свого початкового напряму. Тому, якщо визначається показник заломлення скло-повітря або будь-яка інша речовина, що межує з повітрям, останній умовно приймається за вакуум.

Будь-яке інше середовище має власні характеристики. Вони мають різні щільності, вони мають власну температуру, а також пружні напруги. Усе це позначається результаті заломлення світла речовиною.

Не останню роль зміні напрями поширення хвиль грають властивості світла. Білий світскладається з безлічі кольорів, від червоної до фіолетової. Кожна частина спектру заломлюється по-своєму. Причому значення показника хвилі червоної частини спектра завжди буде менше, ніж в інших. Наприклад, показник заломлення скла марки ТФ-1 змінюється від 1,6421 до 1,67298 відповідно від червоної до фіолетової частини спектра.

Приклади значень для різних речовин

Тут наведено значення абсолютних величин, тобто коефіцієнт заломлення при проходженні променя з вакууму (що дорівнює повітря) через іншу речовину.

Ці цифри будуть потрібні, якщо потрібно буде визначити показник заломлення скла щодо інших середовищ.

Які ще величини використовуються під час вирішення завдань?

Повне відбиття. Воно спостерігається при переході світла з більш щільного середовища в менш щільне. Тут за певного значення кута падіння заломлення відбувається під прямим кутом. Тобто промінь ковзає вздовж межі двох середовищ.

Граничний кут повного відображення- це його мінімальне значення, при якому світло не виходить у менш щільне середовище. Менше за нього — відбувається заломлення, а більше — віддзеркалення в те саме середовище, з якого світло переміщалося.

Завдання №1

Умови. Показник заломлення скла має значення 1,52. Необхідно визначити граничний кут, який повністю відбивається світло від розділу поверхонь: скла з повітрям, води з повітрям, скла з водою.

Потрібно скористатися даними показником заломлення води, даним у таблиці. Він для повітря приймається рівним одиниці.

Рішення у всіх трьох випадках зводиться до розрахунків за формулою:

sin α 0 /sin β = n 1 /n 2 , де n 2 відноситься до того середовища, з якого поширюється світло, а n 1 куди проникає.

Літерою α 0 позначений граничний кут. Значення кута β дорівнює 90 градусів. Тобто його синус буде одиницею.

Для першого випадку: sin 0 = 1 /n скла, тоді граничний кут виявляється рівним арксинусу від 1 /n скла. 1/1,52 = 0,6579. Кут дорівнює 41,14 º.

У другий випадок щодо арксинусу необхідно підставити значення показника заломлення води. Дроб 1 /n води набуде значення 1/1,33 = 0,7519. Це арксинус кута 48,75 º.

Третій випадок описується ставленням n води та n скла. Арксинус потрібно обчислити для дробу: 1,33/1,52, тобто числа 0,875. Знаходимо значення граничного кута за його арксинусом: 61,05 º.

Відповідь: 41,14 º, 48,75 º, 61,05 º.

Завдання № 2

Умови. У посудину з водою занурено скляну призму. Її показник заломлення дорівнює 1,5. В основі призми лежить прямокутний трикутник. Більший катет розташований перпендикулярно дну, а другий йому паралельний. Промінь світла падає нормально на верхню грань призми. Яким має бути найменший кут між горизонтально розташованим катетом і гіпотенузою, щоб світло досягло катета, розташованого перпендикулярно до дна судини, і вийшло з призми?

Для того, щоб промінь вийшов із призми описаним чином, йому необхідно впасти під граничним кутом на внутрішню грань (ту, яка в перерізі призми є гіпотенузою трикутника). Цей граничний кут виявляється за побудовою рівним шуканому куту прямокутного трикутника. З закону заломлення світла виходить, що синус граничного кута, поділений на синус 90 градусів, дорівнює відношенню двох показників заломлення води до скла.

Розрахунки призводять до такого значення для граничного кута: 62º30´.

Закон заломлення світла. Абсолютний та відносний показники (коефіцієнти) заломлення. Повне внутрішнє відображення

Закон заломлення світлабуло встановлено досвідченим шляхом у XVII столітті. При переході світла з одного прозорого середовища в інший напрямок світла може змінюватися. Зміна напряму світла межі різних середовищ називається заломленням світла. Завдання заломлення відбувається зміну форми предмета, що здається. (Приклад: ложка в склянці з водою). Закон заломлення світла: На межі 2ух середовищ заломлений промінь лежить у площині падіння і утворює з нормальню до межі розділу, відновленої в точці падіння, кут приломлення, такий, що: = 1-падіння, 2 відбиття, n-показник заломлення (ф. Снеліуса) - відносний показникПоказник заломлення променя, що падає на середовище з безповітряного простору, називається його абсолютним показникомзаломлення.Кут падіння, при якому заломлений промінь починає ковзати по межі розділу двох середовищ без переходу в більш щільне оптично середовище – граничний кут повного внутрішнього відбиття. Повне внутрішнє відображення- внутрішнє відбиток, за умови, що кут падіння перевершує певний критичний кут. При цьому падаюча хвиля відбивається повністю, і значення коефіцієнта відображення перевершує його найбільші значення для полірованих поверхонь. Коефіцієнт відбиття при повному внутрішньому відображенніне залежить від довжини хвилі. В оптиці це явище спостерігається широкого спектра електромагнітного випромінювання, включаючи рентгенівський діапазон. У геометричній оптиці явище пояснюється рамках закону Снелла. Враховуючи, що кут заломлення не може перевищувати 90°, отримуємо, що при вугіллі падіння, синус якого більше відношення меншого коефіцієнта заломлення до більшого коефіцієнта, Електромагнітна хвиля повинна повністю відображатися в першу середу. Приклад: Яскравий блиск багатьох природних кристалів, а особливо - огранених дорогоцінних і напівдорогоцінних каменів пояснюється повним внутрішнім відображенням, в результаті якого кожен промінь, що увійшов у кристал, утворює велику кількість досить яскравих променів, що вийшли, пофарбованих в результаті дисперсії.

Заломлення світла- явище, у якому промінь світла, переходячи з одного середовища до іншого, змінює напрямок межі цих середовищ.

Заломлення світла відбувається за таким законом:
Падаючий і заломлений промені та перпендикуляр, проведений до межі розділу двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для двох середовищ:
,
де α - кут падіння,
β - кут заломлення,
n - постійна величина, яка залежить від кута падіння.

При зміні кута падіння змінюється кут заломлення. Чим більший кут падіння, тим більший кут заломлення.
Якщо світло йде з середовища оптично менш щільного в більш щільне середовище, то кут заломлення завжди менше кута падіння: β < α.
Промінь світла, спрямований перпендикулярно до межі поділу двох середовищ, проходить з одного середовища до іншого без заломлення.

абсолютний показник заломлення речовини- величина, що дорівнює відношенню фазових швидкостей світла (електромагнітних хвиль) у вакуумі та в даному середовищі n=c/v
Величина n, що входить до закону заломлення, називається відносним показником заломлення для пари середовищ.

Величина n є відносний показник заломлення середовища по відношенню до середовища А, а n" = 1/n є відносний показник заломлення середовища А по відношенню до середовища.
Ця величина за інших рівних умов більша одиниці при переході променя з середовища більш щільного в середовище менш щільного, і менше одиниці при переході променя з середовища менш щільного в середовище більш щільного (наприклад, з газу або з вакууму в рідину або тверде тіло). Є винятки з цього правила, і тому прийнято називати середовище оптично більш менш щільним, ніж інше.
Промінь, що падає з безповітряного простору на поверхню якого-небудь середовища, переломлюється сильніше, ніж при падінні на неї з іншого середовища А; показник заломлення променя, що падає на середовище безповітряного простору, називається його абсолютним показником заломлення.

(Абсолютний – щодо вакууму.
Відносний - щодо будь-якої іншої речовини (того ж повітря, наприклад).
Відносний показник двох речовин є відношення їх абсолютних показників.

Повне внутрішнє відображення- внутрішнє відбиток, за умови, що кут падіння перевершує певний критичний кут. При цьому падаюча хвиля відбивається повністю, і значення коефіцієнта відображення перевершує його найбільші значення для полірованих поверхонь. Коефіцієнт відбиття при повному внутрішньому відбитку залежить від довжини хвилі.

В оптиці це явище спостерігається широкого спектра електромагнітного випромінювання, включаючи рентгенівський діапазон.

У геометричній оптиці явище пояснюється рамках закону Снелла. Враховуючи, що кут заломлення не може перевищувати 90°, отримуємо, що при вугіллі падіння, синус якого більший за відношення меншого показника заломлення до більшого показника, електромагнітна хвиля повинна повністю відображатися в першу середу.

Відповідно до хвильової теорії явища, електромагнітна хвиля все ж таки проникає в друге середовище - там поширюється так звана «неоднорідна хвиля», яка експоненційно згасає і енергію з собою не забирає. Характерна глибина проникнення неоднорідної хвилі у друге середовище порядку довжини хвилі.

Закони заломлення світла.

З усього сказаного укладаємо:
1 . На межі розділу двох середовищ різної оптичної щільності промінь світла при переході з одного середовища до іншого змінює свій напрямок.
2. При переході променя світла в середу з більшою оптичною щільністю кут заломлення менший від кута падіння; при переході променя світла з оптично більш щільного середовища в середовище менш щільне кут заломлення більше кута падіння.
Заломлення світла супроводжується відображенням, причому зі збільшенням кута падіння яскравість відбитого пучка зростає, а заломленого слабшає. Це можна побачити, проводячи досвід, зображений на малюнку. Отже, відбитий пучок забирає із собою тим більше світлової енергії, чим більше кут падіння.

Нехай MN-кордон розділу двох прозорих середовищ, наприклад, повітря та води, АТ-падаючий промінь, ОВ- Заломлений промінь, - Кут падіння, - Кут заломлення, - Швидкість поширення світла в першому середовищі, - Швидкість поширення світла в другому середовищі.