Світло і закони його розповсюдження в прозорих середовищах цікавили людину з античних часів. У цій статті розглянемо, що таке заломлення електромагнітних хвиль, хто вперше сформулював відповідний закон, і в чому полягає фізичний зміст показника заломлення.
Суть явища
Зміна напрямку поширення світлового променя при переході з одного прозорого середовища в іншу отримало назву заломлення. Існування цього явища повинні виконуватися наступні три умови:
Приклади заломлення в побуті і природі
Мабуть, найпоширенішим прикладом цього фізичного явища буде розгляд кордону між повітрям і водою. Так, кожен помічав, що поставлені у склянку з рідиною олівець здається викривленим. Інший приклад: якщо дивитися в будь-якій посудині з водою на його дно, глибина здається набагато меншою, ніж у дійсності.
Таким показовим моментом ефекту заломлення є міражі, які можна бачити не тільки в пустелі, але і в будь-якій місцевості спекотним літнім днем. При пекучому Сонці прилеглі до поверхні землі шари атмосфери сильно розігріваються по відношенню до більш високих рівнів. Різна температура повітря призводить до зміни його щільності і, як наслідок, показників заломлення світла.
В результаті виникають умови, при яких рухаються зверху вниз промені проходять по кривій траєкторії і починають рухатися знизу вгору. Потрапивши в очі спостерігача, вони створюють враження, що ніби небо та крони дерев відображаються на поверхні землі. Цей ефект мозок інтерпретує наявність калюж.
Ще один, менш помітний, але не менш важливий для людини приклад – це багаторазове заломлення радіохвиль в іоносфері планети. Завдяки цьому факту радіохвилі можуть поширюватися на величезні відстані на Землі.
Закони заломлення
Щоб зрозуміти, в чому полягає фізичний зміст показника заломлення світла, назвемо закони, які описують це явище. Їх два:
Перший з цих законів аналогічний такому для відображення явища. Більше того, ні один падає на границю розділу промінь не передає повністю свою енергію у другу середу під час розглянутого явища. Завжди частина енергії відбивається. Вона залежить від ряду факторів (довжини хвилі світла, властивостей середовищ і кута). Таким чином, в площині з нормаллю лежать три променя: падіння, заломлення і віддзеркалення.
Опис другого закону є лише однією з форм. Інші формулювання розглянемо при обговоренні величини показника заломлення.
Що таке показник заломлення?
Це коефіцієнт пропорційності між швидкостями поширення світла у вакуумі та середовищі. Позначається він, як правило, буквою n, і обчислюється за формулою:
n = c/v.
Тут c – швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі, v – вона ж, тільки в речовій прозорому середовищі. Оскільки c>v завжди, то показник заломлення буде більше одиниці (n>1).
Якщо кути падіння і заломлення позначити символами θ1 і θ2, а показники заломлення 1-ї і 2-ї середовища записати, як n1 і n2, відповідно, тоді 2-й закон заломлення прийме вигляд:
sin(θ1)*n1 = sin(θ2)*n2.
Якщо підставити вираз для n в це рівність, тоді маємо:
sin(θ1)/sin(θ2) = v1/v2.
Отриманий вираз є ще одним формулюванням 2-го закону заломлення: відношення синусів кутів падіння і заломлення прямо пропорційно відношенню швидкостей розповсюдження хвиль у відповідних середовищах.
В чому полягає фізичний зміст показника заломлення середовища?
Тепер можна легко відповісти на це питання. Згідно з наведеним вище визначенням, ця величина показує, у скільки разів світло у вакуумі виявляється більш швидким, ніж у середовищі. Наприклад, в повітрі n = 1,00029, тобто в атмосфері нашої планети світло уповільнюється порівняно з поширенням в космічному просторі лише на соті відсотка.
Інший приклад: показник n для алмазу дорівнює 2,43. В алмазі світло рухається в 2,43 рази повільніше, ніж у вакуумі.
Розібравшись, у чому полягає фізичний зміст показника заломлення (абсолютна швидкість світла стає менше в середовищі) цікаво зрозуміти, чому вона зменшується.
Справа в тому, що середовище складається з частинок матерії (атомів, молекул), які поглинають і перевипромінюють рухомі через них електромагнітні хвилі. Згадані фізичні процеси мають деякі характерні часи, тому виникає затримка в швидкості поширення світла.
Причина заломлення хвиль
Питання, в чому полягає фізичний зміст показника заломлення світла, і чому відбувається заломлення, пов’язані один з одним. Причиною цього явища як раз і є відмінність швидкостей в різних середовищах. Пояснити це можна кількома способами:
- Використовуючи принцип Гюйгенса-Френеля. Він полягає в тому, що кожна точка середовища, через яку проходить хвиля, стає новим джерелом. Він створює сферичні хвилі, сукупність яких поверхонь і визначають подальший фронт хвилі.
- Використовуючи принцип Ферма. Він пов’язує довжину траєкторії з часом руху хвилі. Зокрема, світло вибирає такий шлях між двома точками в просторі, який він може пройти за найменший час.
- Використовуючи аналогію Фейнмана. Припустимо, що побачив рятувальник потопаючого в море. Які будуть його дії? Він спочатку пробіжить по пляжу до деякого місця, а потім забіжить у воду і попливе рятувати людину. Траєкторія рятувальника аналогічна такій для світла. Пляж і море – це два середовища з різною величиною n.
Історична довідка
В даний час 2-ї закон заломлення хвиль, сформульований вище двома способами, прийнято називати законом Снелла або Снеллиуса, на честь голландського фізика початку XVII століття, який його відкрив.
Однак за 6 століть до цього, тобто приблизно наприкінці X століття нашої ери, закон заломлення в його сучасному математичному вигляді вже був відомий арабам. Вважається, що перський математик Ібн Сахль вперше його сформулював і застосував при аналізі ходу світлових променів у лінзах. Таким чином, розглянуте явище було виявлено та описано вченими ще давнину.
