Що таке відносний показник заломлення. Явище заломлення. Показник заломлення повітря

Урок 25/III-1 Поширення світла у різних середовищах. Заломлення світла межі розділу двох середовищ.

Вивчення нового матеріалу.

Досі ми розглядали поширення світла в одному середовищі, як завжди – у повітрі. Світло може поширюватися в різних середовищах: переходити з одного середовища до іншого; у точках падіння промені не лише відбиваються від поверхні, а й частково проходять через неї. Такі переходи викликають чимало гарних та цікавих явищ.

Зміна напряму поширення світла, що проходить через кордон двох середовищ, називають заломленням світла.

Частина світлового променя, що падає на межу розділу двох прозорих середовищ, відбивається, а частина переходить в інше середовище. При цьому напрям світлового променя, який перейшов в інше середовище, змінюється. Тому явище називається заломленням, а промінь – заломленим.

1 - падаючий промінь

2 - відбитий промінь

3 – заломлений промінь α β

ГО 1 – межа поділу двох середовищ

MN - перпендикуляр ПРО 1

Кут, утворений променем та перпендикуляром до межі розділу двох середовищ, опущеним у точку падіння променя, називається кутом заломлення γ (гама).

Світло у вакуумі поширюється зі швидкістю 300 000 км/с. У будь-якому середовищі швидкість світла завжди менша, ніж у вакуумі. Тому при переході світла з одного середовища до іншого, його швидкість зменшується і це є причиною заломлення світла. Чим менше швидкість поширення світла в даному середовищі, тим більшою оптичною щільністю має це середовище. Так, наприклад, повітря має більшу оптичну щільність, ніж вакуум, тому що в повітрі швидкість світла дещо менша, ніж у вакуумі. Оптична щільність води більша, ніж оптична щільність повітря, оскільки швидкість світла у повітрі більша, ніж у воді.

Чим більше відрізняються оптичні щільності двох середовищ, тим більше світло переломлюється на межі їх розділу. Чим більше змінюється швидкість світла межі розділу двох середовищ, тим більше воно заломлюється.

Для кожної прозорої речовини існує така важлива фізична характеристикаяк показник заломлення світла n.Він показує, у скільки разів швидкість світла в цій речовині менша, ніж у вакуумі.

Показник заломлення світла

Речовина		Речовина		Речовина
		Кам'яна сіль		Скіпідар
		Кедрова олія		Спирт етиловий
Гліцерин		Плексиглас		Скло (легке)
		Сірковуглець

Співвідношення значень кута падіння та кута заломлення залежить від оптичної щільності кожної із середовища. Якщо промінь світла переходить із середовища з меншою оптичною щільністю в середовище з більшою оптичною щільністю, то кут заломлення буде меншим, ніж кут падіння. Якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною щільністю, то кут заломлення буде меншим, ніж кут падіння. Якщо промінь світла переходить із середовища з більшою оптичною щільністю в середовище з меншою оптичною щільністю, то кут заломлення більше, ніж кут падіння.

Тобто якщо n 1 γ; якщо n 1 >n 2 то α<γ.

Закон заломлення світла :

Промінь, що падає, промінь заломлений і перпендикуляр до межі розділу двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині.

Співвідношення кута падіння та кута заломлення визначаються формулою.

де - синус кута падіння, - синус кута заломлення.

Значення синусів та тангенсів для кутів 0 – 900

Градуси			Градуси			Градуси

Закон заломлення світла вперше сформулював голландський астроном і математик В. Снеліус близько 1626, професор Лейденського університету (1613).

Для XVI століття оптика була ультрасучасною наукою. Зі скляної кулі, наповненої водою, якою користувалися як лінзою, виникло збільшувальне скло. А з нього винайшли підзорну трубу та мікроскоп. На той час Нідерландам були потрібні підзорні труби для розгляду берега і своєчасно втекти від ворогів. Саме оптика забезпечила успіх та надійність навігації. Тому в Нідерландах дуже багато вчених цікавилося саме оптикою. Голландець Скель Ван Ройєн (Снеліус) спостерігав, як тонкий промінь світла відбивався в дзеркалі. Він вимірював кут падіння та кут відображення і встановив: кут відображення дорівнює куту падіння. Йому належать закони відображення світла. Він вивів закон заломлення світла.

Розглянемо закон заломлення світла.

У ній - відносний показник заломлення другої середовища щодо першої, у разі, коли другий має більшу оптичну густину. Якщо світло переломлюється та проходить із середовище з меншою оптичною щільністю, тоді α< γ, тогда

Якщо першим середовищем є вакуум, то n 1 =1 .

Цей показник називають абсолютним показником заломлення другого середовища:

де - швидкість світла у вакуумі, швидкість світла у цьому середовищі.

Наслідком заломлення світла в атмосфері Землі є той факт, що ми бачимо Сонце і зірки трохи вищі за їх реальне становище. Заломленням світла можна пояснити виникнення міражів, веселки… Явище заломлення світла є основою принципу чисельних оптичних пристроїв: мікроскопа, телескопа, фотоапарата.

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 щільніше 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.

Закони фізики відіграють дуже важливу роль при проведенні розрахунків для планування певної стратегії виробництва будь-якого товару або при складанні проекту спорудження різного призначення. Багато величин є розрахунковими, отже перед стартом робіт із планування виробляються вимірювання та обчислення. Наприклад, показник заломлення скла дорівнює відношенню синуса кута падіння до синуса кута заломлення.

Так що спочатку йде процес вимірювання кутів, потім обчислюють їх синус, а вже потім можна отримати шукане значення. Незважаючи на наявність табличних даних, варто щоразу проводити додаткові розрахунки, оскільки в довідниках найчастіше використовуються ідеальні умови, яких досягти реального життя практично неможливо. Тому насправді показник обов'язково відрізнятиметься від табличного, а в деяких ситуаціях це має важливе значення.

Абсолютний показник

Абсолютний показник заломлення залежить від марки скла, тому що на практиці є безліч варіантів, що відрізняються за складом і ступенем прозорості. У середньому він становить 1,5 і коливається навколо цього значення на 0,2 у той чи інший бік. В окремих випадках можуть бути відхилення від цієї цифри.

Знову ж таки, якщо важливий точний показник, то без додаткових вимірів не обійтися. Але і вони не дають стовідсотково достовірного результату, тому що на підсумкове значення впливатиме положення сонця на небосхилі та хмарність у день вимірювань. На щастя, в 99,99% випадку досить просто знати, що показник заломлення такого матеріалу, як скло більше одиниці і менше двійки, а решта десятих і сотих частин не відіграють ролі.

На форумах, які займаються допомогою у вирішенні завдань з фізики, часто з'являється питання, який показник заломлення скла та алмазу? Багато хто думає, що якщо ці дві речовини схожі зовні, то й властивості у них мають бути приблизно однаковими. Але це помилка.

Максимальне заломлення у скла перебуватиме на рівні близько 1,7, тоді як у алмазу цей показник досягає позначки 2,42. Даний дорогоцінний камінь є одним з небагатьох матеріалів на Землі, рівень заломлення перевищує позначку 2. Це пов'язано з його кристалічною будовою і великим рівнем розкиду світлових променів. Огранювання грає у змінах табличного значення мінімальну роль.

Відносний показник

Відносний показник для деяких середовищ можна охарактеризувати так:

• - показник заломлення скла щодо води становить приблизно 1,18;
• - показник заломлення цього матеріалу відносно повітря дорівнює значенню 1,5;
• - показник заломлення щодо спирту – 1,1.

Вимірювання показника та обчислення відносного значення проводяться за відомим алгоритмом. Щоб знайти відносний параметр, потрібно розділити одне табличне значення інше. Або ж зробити дослідні розрахунки для двох середовищ, а потім уже ділити отримані дані. Такі операції часто проводяться на лабораторних заняттях з фізики.

Визначення показника заломлення

Визначити показник заломлення скла практично досить складно, оскільки потрібні високоточні прилади для вимірювання початкових даних. Будь-яка похибка зростатиме, оскільки під час обчислення використовуються складні формули, які потребують відсутності помилок.

Взагалі цей коефіцієнт показує, у скільки разів уповільнюється швидкість поширення світлових променів при проходженні через певну перешкоду. Тому він характерний лише для прозорих матеріалів. За еталонне значення, тобто за одиницю, взято показник заломлення газів. Це було зроблено для того, щоб можна відштовхуватися від якогось значення при розрахунках.

Якщо сонячний промінь падає на поверхню скла з показником заломлення, що дорівнює табличному значенню, то можна змінити його кількома способами:

• 1. Поклеїти зверху плівку, у якої коефіцієнт заломлення буде вищим, ніж у скла. Цей принцип використовується в тонуванні вікон автомобіля, щоб покращити комфорт пасажирів та дозволити водію чіткіше спостерігати за дорожньою обстановкою. Також плівка стримуватиме і ультрафіолетове випромінювання.
• 2. Пофарбувати скло фарбою. Так роблять виробники дешевих сонцезахисних окулярів, але варто врахувати, що це може бути шкідливим для зору. У хороших моделях скла відразу виробляються кольоровими за спеціальною технологією.
• 3. Завантажити скло в будь-яку рідину. Це корисно винятково для дослідів.

Якщо промінь світла переходить зі скла, то показник заломлення на наступному матеріалі розраховується за допомогою відносного коефіцієнта, який можна отримати, зіставивши між собою табличні значення. Ці обчислення дуже важливі при проектуванні оптичних систем, які мають практичне або експериментальне навантаження. Помилки тут неприпустимі, тому що вони призведуть до неправильної роботи всього приладу, і тоді будь-які отримані дані будуть марні.

Щоб визначити швидкість світла у склі з показником заломлення, потрібно абсолютне значення швидкості у вакуумі розділити на величину заломлення. Вакуум використовується як еталонне середовище, тому що там не діє заломлення через відсутність будь-яких речовин, які могли б заважати безперешкодному руху світлових променів по заданій траєкторії.

У будь-яких розрахункових показниках швидкість буде меншою, ніж у еталонному середовищі, оскільки коефіцієнт заломлення завжди більше одиниці.

Квиток 75.

Закон відображення світла: падаючий і відбитий промені, і навіть перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, відновлений у точці падіння променя, лежать у одній площині (площина падіння). Кут відображення γ дорівнює куту падіння α.

Закон заломлення світла: падаючий та заломлений промені, а також перпендикуляр до межі розділу двох середовищ, відновлений у точці падіння променя, лежать в одній площині. Відношення синуса кута падіння α до синуса кута заломлення є величина, постійна для двох даних середовищ:

Закони відображення та заломлення знаходять пояснення у хвильовій фізиці. Згідно з хвильовими уявленнями, заломлення є наслідком зміни швидкості поширення хвиль при переході з одного середовища в інше. Фізичний зміст показника заломлення– це відношення швидкості поширення хвиль у першому середовищі 1 до швидкості їх поширення у другому середовищі 2:

Рис 3.1.1 ілюструє закони відображення та заломлення світла.

Середовище з меншим абсолютним показником заломлення називають оптично менш щільним.

При переході світла з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільне n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явище повного відображеннятобто зникнення заломленого променя. Це явище спостерігається при кутах падіння, що перевищують деякий критичний кут пр, який називається граничним кутом повного внутрішнього відбиття(Див. рис. 3.1.2).

Для кута падіння α = α пр sin β = 1; значення sin α пр = n 2 / n 1< 1.

Якщо другим середовищем є повітря (n 2 ≈ 1), формулу зручно переписати у вигляді

Явище повного внутрішнього відбиття знаходить застосування у багатьох оптичних пристроях. Найбільш цікавим і практично важливим застосуванням є створення волоконних світловодів, які є тонкими (від кількох мікрометрів до міліметрів) довільно вигнуті нитки з оптично прозорого матеріалу (скло, кварц). Світло, що потрапляє на торець світловода, може поширюватися на великі відстані за рахунок повного внутрішнього відбиття від бічних поверхонь (рис 3.1.3). Науково-технічний напрямок, що займається розробкою та застосуванням оптичних світловодів, називається волоконною оптикою.

Дисперсія світла (розкладання світла)- це явище, обумовлене залежністю абсолютного показника заломлення речовини від частоти (або довжини хвилі) світла (частотна дисперсія), або, те саме, залежність фазової швидкості світла в речовині від довжини хвилі (або частоти). Експериментально відкрита Ньютоном близько 1672 року, хоча теоретично досить добре пояснена значно пізніше.

Просторова дисперсіяназивається залежність тензора діелектричної проникності середовища від вектора хвильового. Така залежність викликає ряд явищ, які називаються ефектами просторової поляризації.

Один із найнаочніших прикладів дисперсії - Розкладання білого світлапри проходженні через призму (досвід Ньютона) . Сутністю явища дисперсії є відмінність швидкостей поширення променів світла з різною довжиною хвилі в прозорій речовині - оптичному середовищі (тоді як у вакуумі швидкість світла завжди однакова, незалежно від довжини хвилі і відтак кольору). Зазвичай чим більше частота світлової хвилі, тим більший показник заломлення середовища для неї і тим менша швидкість хвилі в середовищі:

Досвіди Ньютона Досвід розкладання білого світла в спектр: Ньютон спрямував промінь сонячного світла через маленький отвір на скляну призму. Потрапляючи на призму, промінь заломлювався і давав на протилежній стіні подовжене зображення з райдужним чергуванням кольорів – спектр. Досвід проходження монохроматичного світла через призму: Ньютон на шляху сонячного променя поставив червоне скло, за яким отримало монохроматичне світло (червоне), далі призму і спостерігав на екрані тільки червону пляму від променя світла. Досвід із синтезу (одержання) білого світла:Спочатку Ньютон спрямував сонячний промінь на призму. Потім, зібравши кольорові промені, що вийшли з призми, за допомогою збираючої лінзи, Ньютон на білій стіні отримав замість пофарбованої смуги біле зображення отвору. Висновки Ньютона:- призма не змінює світло, а тільки розкладає його на складові - світлові промені, що відрізняються за кольором, відрізняються за ступенем заломлюваності; найбільш сильно заломлюються фіолетові промені, менш сильно - червоні - червоне світло, яке менше заломлюється, має найбільшу швидкість, а фіолетовий - найменшу, тому призма і розкладає світло. Залежність показника заломлення світла від його кольору називається дисперсією.

Висновки:- призма розкладає світло - біле світло є складним (складеним) - фіолетові промені заломлюються сильніше за червоні. Колір променя світла визначається його частотою коливань. При переході з одного середовища до іншого змінюються швидкість світла і довжина хвилі, а частота, що визначає колір залишається постійною. Межі діапазонів білого світла та її складових прийнято характеризувати їх довжинами хвиль у вакуумі. Біле світло – це сукупність хвиль довжинами від 380 до 760 нм.

Квиток 77.

Поглинання світла. Закон Бугера

Поглинання світла в речовині пов'язане з перетворенням енергії електромагнітного поля хвилі на теплову енергію речовини (або в енергію вторинного фотолюмінесцентного випромінювання). Закон поглинання світла (закон Бугера) має вигляд:

I=I 0 exp(- x),(1)

де I 0 , I-інтенсивності світла на вході (х = 0)та виході з шару середовища товщини х, - коефіцієнт поглинання, він залежить від  .

Для діелектриків  =10 -1  10 -5 м -1 для металів =10 5  10 7 м -1 , тому метали непрозорі світла.

Залежністю  ( ) пояснюється забарвлення поглинаючих тіл. Наприклад, скло, що слабко поглинає червоне світло, при освітленні білим світлом здаватиметься червоним.

Розсіювання світла. Закон Релею

Дифракція світла може відбуватися в оптично неоднорідному середовищі, наприклад, у каламутному середовищі (дим, туман, запилене повітря тощо). Дифрагуючи на неоднорідностях середовища, світлові хвилі створюють дифракційну картину, що характеризується досить рівномірним розподілом інтенсивності в усіх напрямках.

Таку дифракцію на дрібних неоднорідностях називають розсіянням світла.

Це явище спостерігається, якщо вузький пучок сонячних променів проходить через запилене повітря, розсіюється на порошинках і стає видимим.

Якщо розміри неоднорідностей малі в порівнянні з довжиною хвилі (не більше ніж 0,1  ), то інтенсивність розсіяного світла виявляється обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі, тобто.

I розс ~ 1/  4 , (2)

ця залежність зветься закону Релея.

Розсіювання світла спостерігається також і в чистих середовищах, які не містять сторонніх частинок. Наприклад, воно може відбуватися на флуктуаціях (випадкових відхиленнях) густини, анізотропії або концентрації. Таке розсіювання називають молекулярним. Воно пояснює, наприклад, блакитний колір неба. Дійсно, згідно (2) блакитні та сині промені розсіюються сильніше, ніж червоні та жовті, т.к. мають меншу довжину хвилі, зумовлюючи цим блакитний колір неба.

Квиток 78.

Поляризація світла- Сукупність явищ хвильової оптики, в яких проявляється поперечність електромагнітних світлових хвиль. Поперечна хвиля- Частки середовища коливаються в напрямках, перпендикулярних до напряму поширення хвилі ( рис.1).

Рис.1 Поперечна хвиля

Електромагнітна світлова хвиля плоскополяризована(лінійна поляризація), якщо напрямки коливань векторів E та B строго фіксовані та лежать у певних площинах ( рис.1). Плоскополяризована світлова хвиля називається плоскополяризованим(лінійнополяризованим) світлом. Неполяризована(природна) хвиля - електромагнітна світлова хвиля, в якій напрямки коливань векторів E і B у цій хвилі можуть лежати в будь-яких площинах, перпендикулярних до вектора швидкості v . Неполяризоване світло- світлові хвилі, у яких напрямки коливань векторів E і B хаотично змінюються так, що рівноймовірні усі напрямки коливань у площинах, перпендикулярних до променя поширення хвилі ( рис.2).

Рис.2 Неполяризоване світло

Поляризовані хвилі- у яких напрями векторів E та B зберігаються незмінними у просторі або змінюються за певним законом. Випромінювання, у якого напрям вектора Е змінюється хаотично - неполяризоване. Прикладом такого випромінювання може бути теплове випромінювання (хаотично розподілені атоми та електрони). Площина поляризації- це площина, перпендикулярна до напряму коливань вектора Е. Основний механізм виникнення поляризованого випромінювання - розсіювання випромінювання на електронах, атомах, молекулах, порошинках.

1.2. Види поляризаціїІснує три види поляризації. Дамо їм визначення. 1. Лінійна Виникає, якщо електричний вектор Е зберігає своє становище у просторі. Вона хіба що виділяє площину, у якій коливається вектор Е. 2. Кругова Це поляризація, що виникає, коли електричний вектор Е обертається навколо напряму поширення хвилі з кутовою швидкістю, що дорівнює кутової частоти хвилі, і зберігає при цьому свою абсолютну величину. Така поляризація характеризує напрямок обертання вектора Е в площині, перпендикулярній до променя зору. Прикладом є циклотронне випромінювання (система електронів, що обертаються в магнітному полі). 3. Еліптична Виникає тоді, коли величина електричного вектора Е змінюється отже він описує еліпс (обертання вектора Е). Еліптична і кругова поляризація буває правою (обертання вектора Е відбувається за годинниковою стрілкою, якщо дивитися назустріч хвилі, що поширюється) і лівою (обертання вектора Е відбувається проти годинникової стрілки, якщо дивитися назустріч хвилі, що розповсюджується) .

Реально, найчастіше зустрічається часткова поляризація (частково поляризовані електромагнітні хвилі). Кількісно вона характеризується якоюсь величиною, званою ступенем поляризації Ряка визначається як: P = (Imax – Imin) / (Imax + Imin)де Imax,Imin- найбільша та найменша щільність потоку електромагнітної енергії через аналізатор (поляроїд, призму Ніколя…). Насправді, поляризацію випромінювання часто описують параметрами Стокса (визначають потоки випромінювання із заданим напрямом поляризації).

Квиток 79.

Якщо природне світло падає на межу розділу двох діелектриків (наприклад, повітря та скла), то частина його відбивається, а частина переломлюється в поширюється в другому середовищі. Встановлюючи на шляху відбитого та заломленого променів аналізатор (наприклад, турмалін), переконуємось у тому, що відбитий та заломлений промені частково поляризовані: при повертанні аналізатора навколо променів інтенсивність світла періодично зменшується та слабшає (повного гасіння не спостерігається!). Подальші дослідження показали, що у відбитому промені переважають коливання, перпендикулярні до площини падіння (на рис. 275 вони позначені точками), у заломленому - коливання, паралельні площині падіння (зображені стрілками).

Ступінь поляризації (ступінь виділення світлових хвиль з певною орієнтацією електричного (і магнітного) вектора) залежить від кута падіння променів та показника заломлення. Шотландський фізик Д. Брюстер(1781-1868) встановив закон, згідно з яким при вугіллі падіння i B (кут Брюстера), що визначається співвідношенням

(n 21 - показник заломлення другого середовища щодо першої), відбитий промінь є плоскополяризованим(містить лише коливання, перпендикулярні до площини падіння) (рис. 276). Заломлений промінь при вугіллі падінняi B поляризується максимально, але не повністю.

Якщо світло падає на межу розділу під кутом Брюстера, то відбитий і заломлений промені взаємно перпендикулярні(tg i B = sin i B /cos i B, n 21 = sin i B / sin i 2 (i 2 - кут заломлення), звідки cos i B = sin i 2). Отже, i B + i 2 =  /2, але i’ B = i B (закон відображення), тому i’ B + i 2 =  /2.

Ступінь поляризації відбитого та заломленого світла при різних кутах падіння можна розрахувати з рівнянь Максвелла, враховуючи граничні умови для електромагнітного поля на межі розділу двох ізотропних діелектриків (так звані формули Френеля).

Ступінь поляризації заломленого світла може бути значно підвищена (багаторазовим заломленням за умови падіння світла щоразу на межу розділу під кутом Брюстера). Якщо, наприклад, для скла ( п= 1,53) ступінь поляризації заломленого променя становить 15%, то після заломлення на 8-10 накладених один на одного скляних пластинок світло, що вийшло з такої системи, буде практично повністю поляризованим. Така сукупність платівок називається стопою.Стопа може бути аналізу поляризованого світла як із його відбитті, і при його заломленні.

Квиток 79 (для шпори)

Як показує досвід при заломленні та відображенні світла заломлене і відбите світло виявляється поляризованим, причому відбиток. світло може бути повністю поляризоанним при деякому куті падіння, а прилом. світло завжди є частково поляризованим. На підставі формул Фрінеля можна показати, що відбиток. світло поляризоване в площині перпендикулярної площині падіння, а прелом. світло поляризоване в площині паралельної площині падіння.

Кут падіння у якому отраж. світло є повністю поляризованим називається кутом Брюстера. Кут Брюстера визначається із закону Брюстера: - Закон Брюстера. У цьому випадку кут між відбит. та прелом. променями дорівнюватиме. Для системи повітря-скло кут Брюстера дорівнює. Для отримання хорошої поляризації, тобто. ,при заломленні світла використовують багато поїлом-х поверхонь, які звуться Стопа Столетова.

Квиток 80.

Досвід показує, що при взаємодії світла з речовиною основна дія (фізіологічна, фотохімічна, фотоелектрична та ін) викликається коливаннями вектора, який у зв'язку з цим іноді називають світловим вектором. Тому для опису закономірностей поляризації світла стежать за поведінкою вектора.

Площина, утворена векторами і називається площиною поляризації.

Якщо коливання вектора відбуваються в одній фіксованій площині, то таке світло (промінь) називається лінійно-поляризованим. Його умовно позначають так. Якщо промінь поляризований у перпендикулярній площині (у площині хоzдив. рис. 2 у другій лекції), його позначають.

Природне світло (від традиційних джерел, сонця), складається з хвиль, мають різні, хаотично розподілені площині поляризації (див. рис. 3).

Природне світло іноді умовно позначають так. Його називають також неполяризованим.

Якщо при поширенні хвилі вектор повертається і при цьому кінець вектора описує коло, то таке світло називається поляризованим по колу, а поляризацію – круговою або циркулярною (правою чи лівою). Існує також еліптична поляризація.

Існують оптичні пристрої (плівки, пластини тощо) – поляризаториякі з природного світла виділяють лінійно поляризоване світло або частково поляризоване світло.

Поляризатори, що використовуються для аналізу поляризації світла, називаються аналізаторами.

Площиною поляризатора (або аналізатора) називається площина поляризації світла, що пропускається поляризатором (або аналізатором).

Нехай на поляризатор (або аналізатор) падає лінійно поляризоване світло з амплітудою Е 0 . Амплітуда минулого світла дорівнюватиме Е=Е 0 сos j, а інтенсивність I=I 0 сos 2 j.

Ця формула висловлює закон Малюса:

Інтенсивність лінійно поляризованого світла, що пройшов аналізатор, пропорційна квадрату косинуса кута. jміж площиною коливань падаючого світла та площиною аналізатора.

Квиток 80 (для шпори)

Поляризатори-прилади дають можливість отримати поляризоване світло.Аналізатори-це прилади за допомогою яких можна проаналізувати чи є світло поляризованим чи ні.Конструктивно поляризатор і аналізатор це одне й теж. Кожен вектор можна розкласти на дві взаємно перпендикулярні складові: одна з яких паралельна площині поляризації поляризатора, а інша їй перпендикулярна.

Очевидно інтенсивність світла, що вийшов з поляризатора, буде рівна. Позначимо інтенсивність світла, що вийшов з поляризатора через ().

Квиток 81.

Вивчаючи свічення розчину солей урану під дією променів радію, радянський фізик П. А. Черенков звернув увагу на те, що світиться і сама вода, в якій солей урану немає. Виявилося, що при пропущенні променів (див. Гамма-випромінювання) через чисті рідини всі вони починають світитися. С. І. Вавілов, під керівництвом якого працював П. А. Черенков, висловив гіпотезу, що світіння пов'язане з рухом електронів, що вибиваються-квантами радію з атомів. Справді, світіння сильно залежало від напрямку магнітного поля в рідині (це наводило на думку, що його причина - рух електронів).

Але чому електрони, що рухаються в рідині, випромінюють світло? Правильна відповідь на це питання у 1937 р. дали радянські фізики І. Є. Тамм та І. М. Франк.

Електрон, рухаючись у речовині, взаємодіє з оточуючими його атомами. Під дією його електричного поля атомні електрони та ядра зміщуються в протилежні сторони - середовище поляризується. Поляризуючись і потім повертаючись у вихідний стан, атоми середовища, розташовані вздовж траєкторії електрона, випускають електромагнітні світлові хвилі. Якщо швидкість електрона v менша за швидкість поширення світла в середовищі (- показник заломлення), то електромагнітне поле обганятиме електрон, а речовина встигне поляризуватися в просторі попереду електрона. Поляризація середовища перед електроном і його протилежна за напрямом, і випромінювання протилежно поляризованих атомів, «складаючись», «гасять» одне одного. Коли атоми, до яких ще не долетів електрон, не встигають поляризуватися, і виникає випромінювання, спрямоване вздовж вузького конічного шару з вершиною, що збігається з електроном, що рухається, і кутом при вершині с. Виникнення світлового «конуса» та умова випромінювання можна отримати із загальних принципів поширення хвиль.

Мал. 1. Механізм утворення хвильового фронту

Нехай електрон рухається по осі ОЕ (див. рис. 1) дуже вузького порожнього каналу в прозорій однорідній речовині з показником заломлення (порожній канал потрібен, щоб у теоретичному розгляді не враховувати зіткнень електрона з атомами). Будь-яка точка на лінії ОЕ, послідовно займана електроном, буде центром випромінювання світла. Хвилі, що виходять із послідовних точок О, D, Е, інтерферують один з одним і посилюються, якщо різниця фаз між ними дорівнює нулю (див. Інтерференція). Ця умова виконується для спрямування, що становить кут 0 з траєкторією руху електрона. Кут 0 визначається співвідношенням:.

Дійсно, розглянемо дві хвилі, випущені в напрямку під кутом 0 до швидкості електрона з двох точок траєкторії - точки і точки D, розділених відстанню . У точку В, що лежить на прямій BE, перпендикулярній ОВ, перша хвиля при-через час У точку F, що лежить на прямій BE, хвиля, випущена з точки, прийде в момент часу після випускання хвилі з точки О. Ці дві хвилі будуть у фазі, т. е. пряма буде хвильовим фронтом, якщо ці часи рівні:. Та як умова рівності часів дає. У всіх напрямках, для яких світло гаситиметься через інтерференцію хвиль, випущених з ділянок траєкторії, розділених відстанню Д. Величина Д визначається очевидним рівнянням, де Т - період світлових коливань. Це рівняння завжди має рішення, якщо.

Якщо , то напрями, у якому випромінювані хвилі, інтерферуючи, посилюються, немає, може бути більше 1.

Мал. 2. Розподіл звукових хвиль та формування ударної хвилі під час руху тіла

Випромінювання спостерігається тільки, якщо .

На досвіді електрони летять у кінцевому тілесному куті, з деяким розкидом по швидкостях, і в результаті випромінювання поширюється в конічному шарі біля основного напрямку, що визначається кутом.

У нашому розгляді ми знехтували уповільненням електрона. Це цілком припустимо, оскільки втрати на випромінювання Вавилова - Черенкова малі й у першому наближенні вважатимуться, що енергія, що втрачається електроном, не позначається на його швидкості і він рухається рівномірно. У цьому вся принципова відмінність і незвичність випромінювання Вавилова - Черенкова. Зазвичай випромінюють заряди, відчуваючи значні прискорення.

Електрон, що обганяє своє світло, подібний до літака, що летить зі швидкістю, більшої швидкості звуку. У цьому випадку перед літаком теж поширюється ударна конічна звукова хвиля, (див. рис. 2).

Оптика одна із старих розділів фізики. З часів античної Греції багатьох філософів цікавили закони руху та поширення світла в різних прозорих матеріалах, таких як вода, скло, алмаз і повітря. У цій статті розглянуто явище заломлення світла, акцентовано увагу на показнику заломлення повітря.

Ефект заломлення світлового променя

Кожен у своєму житті стикався сотні разів із проявом цього ефекту, коли дивився на дно водойми або на склянку з водою з поміщеним у неї якимось предметом. При цьому водоймище здавалося не таким глибоким, яким воно було насправді, а предмети в склянці з водою виглядали деформованими або зламаними.

Явище заломлення полягає у зламі його прямолінійної траєкторії, коли він перетинає поверхню розділу двох прозорих матеріалів. Узагальнюючи велику кількість даних експериментів, на початку XVII століття голландець Віллеброрд Снелл отримав математичний вираз, який точно описував це явище. Цей вираз прийнято записувати у такому вигляді:

n 1 * sin (θ 1) = n 2 * sin (θ 2) = const.

Тут n 1 , n 2 - абсолютні показники заломлення світла у відповідному матеріалі, θ 1 і θ 2 - кути між падаючим і заломленим променями і перпендикуляром до площини розділу середовищ, проведений через точку перетину променя і цієї площини.

Ця формула зветься закону Снелла або Снелла-Декарта (саме француз записав її у представленому вигляді, голландець же використовував не синуси, а одиниці довжини).

Крім цієї формули, явище заломлення описується ще одним законом, який має геометричний характер. Він полягає в тому, що зазначений перпендикуляр до площини і два промені (заломлений і падаючий) лежать в одній площині.

Абсолютний показник заломлення

Ця величина входить у формулу Снелла, та її значення відіграє важливу роль. Математично показнику заломлення n відповідає формула:

Символ c – це швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі. Вона становить приблизно 3*108 м/с. Величина v - це швидкість руху світла серед. Таким чином, показник заломлення відображає величину уповільнення світла в середовищі безповітряного простору.

З формули вище випливає два важливі висновки:

• величина n завжди більше 1 (для вакууму вона дорівнює одиниці);
• це безрозмірна величина.

Наприклад, показник заломлення повітря дорівнює 1,00029, а води він становить 1,33.

Показник заломлення не є постійною величиною для конкретного середовища. Він залежить від температури. Понад те, кожної частоти електромагнітної хвилі він має значення. Так, наведені вище цифри відповідають температурі 20 o C та жовтій частині видимого спектру (довжина хвилі – близько 580-590 нм).

Залежність величини n від частоти світла проявляється у розкладанні білого світла призмою на низку кольорів, і навіть у освіті веселки на небі під час зливи.

Показник заломлення світла у повітрі

Вище було наведено його значення (1,00029). Оскільки показник заломлення повітря відрізняється лише четвертому знаку після коми від нуля, то вирішення практичних завдань його вважатимуться рівним одиниці. Невелика відмінність n для повітря від одиниці говорить про те, що світло практично не сповільнюється молекулами повітря, що пов'язане з відносно невисокою щільністю. Так, середнє значення щільності повітря 1,225 кг/м 3 , тобто він більш ніж у 800 разів легший за прісну воду.

Повітря – це оптично нещільне середовище. Сам процес уповільнення швидкості світла в матеріалі носить квантовий характер і пов'язаний з актами поглинання та випромінювання фотонів атомами речовини.

Зміна складу повітря (наприклад, підвищення вмісту в ньому водяної пари) та зміна температури призводять до суттєвих змін показника заломлення. Яскравим прикладом є ефект міражу в пустелі, який виникає через відмінність показників заломлення повітряних шарів із різними температурами.

Кордон розділу скло - повітря

Скло є набагато більш щільним середовищем, ніж повітря. Його абсолютний показник заломлення лежить у межах від 1,5 до 1,66 залежно від сорту скла. Якщо взяти середнє значення 1,55, тоді заломлення променя на межі повітря – скло можна розрахувати за формулою:

sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1,55.

Розмір n 21 називається відносним показником заломлення повітря - скло. Якщо промінь виходить зі скла в повітря, тоді слід користуватися наступною формулою:

sin(θ 1)/sin(θ 2) = n 2 /n 1 = n 21 = 1/1,55 = 0,645.

Якщо кут заломленого променя в останньому випадку дорівнюватиме 90 o тоді йому відповідний, називається критичним. Для кордону скло - повітря він дорівнює:

θ 1 = arcsin(0,645) = 40,17 o .

Якщо промінь падатиме на кордон скло - повітря з більшими кутами, ніж 40,17 o , то він відобразиться повністю назад у скло. Це так і називається " повне внутрішнє відбиток " .

Критичний кут існує тільки при русі променя із щільного середовища (зі скла у повітря, але не навпаки).