Отражение и преломление света

Законы геометрической оптики

Геометрическая оптика рассматривает свет как пучок лучей и описывает их поведение на границе двух сред. Два основных явления — отражение и преломление света.

При попадании света на границу раздела часть света отражается обратно, а часть проходит во вторую среду, меняя направление, — преломляется.

Закон отражения

Луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плоскости. Угол отражения равен углу падения:

α = β

Все углы отсчитываются от перпендикуляра (нормали), а не от поверхности.

Закон преломления

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:

sinα / sinγ = n₂ / n₁ = n

где n — относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в среде:

n = c / v

Полное внутреннее отражение

Если свет идёт из оптически более плотной среды в менее плотную, при некотором угле падения преломлённый луч скользит вдоль границы. Этот угол называют предельным углом αₚₙ:

sinαₚₙ = n₂ / n₁

При углах больше предельного свет полностью отражается обратно — это полное внутреннее отражение. На нём основана работа оптоволокна.

Разобранный пример

Луч падает из воздуха на поверхность воды под углом α = 45°. Показатель преломления воды n = 1,33. Найдём синус угла преломления:

sinγ = sinα / n = sin45° / 1,33 ≈ 0,707 / 1,33 ≈ 0,53

Значит, γ ≈ 32° — луч в воде идёт ближе к перпендикуляру, чем в воздухе. Это объясняет, почему предметы в воде кажутся смещёнными, а ложка в стакане выглядит «переломленной».

Применение полного отражения

Полное внутреннее отражение широко применяется в технике. На нём основана работа световодов (оптоволокна): свет, попав внутрь тонкого стеклянного волокна, многократно отражается от его стенок и проходит большие расстояния практически без потерь. По таким волокнам передают сигналы интернета и телефонной связи, а также используют их в медицине для осмотра внутренних органов (эндоскопия). На полном отражении работают и стеклянные призмы в биноклях, разворачивающие ход лучей.

Световой луч и среда

Скорость света в среде всегда меньше, чем в вакууме, поэтому показатель преломления любого вещества больше единицы. Чем плотнее оптически среда, тем сильнее она преломляет свет и тем меньше в ней скорость света. Именно различием скоростей объясняются все эффекты преломления.

Частые ошибки. Углы всегда отсчитывают от нормали, а не от поверхности. Полное внутреннее отражение возможно только при переходе из плотной среды в менее плотную.

Кратко о главном

• При отражении угол отражения равен углу падения.
• Закон преломления: sinα / sinγ = n.
• Показатель преломления n = c / v.
• При углах больше предельного наступает полное внутреннее отражение.