Людей, навіть далеких від фізики, знаком закон відбивання і заломлення світла. Сонячне світло за своїм природним властивостям може проявлятися у двох варіантах: у вигляді фотонів і як хвильовий потік. Це незвичайне властивість називають хвильовим дуалізмом.

У різних ситуаціях випромінювання не виявляється однаково. Зараз деякі механізми його поширення можна пояснити. В однорідних умовах світлове випромінювання опускається прямолінійно. Але при попаданні на межу двох середовищ траєкторія його руху змінюється.

Зміна траєкторії руху потоку

Коли промінь опускається до розділу двох середовищ (візьмемо воду і скло), одна його частина відбивається від скла, а інша проникає всередину, але в склі випромінювання заломлюється.

Закон відбивання і заломлення світла виглядає так:

Важливо! Запам’ятайте траєкторії рухів.

Дамо визначення понять, без яких розуміння суті законів неможливо.

Відображення світла – це зміна траєкторії руху світлового випромінювання при попаданні на край двох середовищ, після чого випромінювання залишається і продовжує поширення в першій середовищі. Заломлення світла – це зміна курсу світлового випромінювання після переходу з одних умов в інші.

В основі хвильової оптики лежить принцип Ферма. Він говорить, що світлове випромінювання вибирає шлях, на подолання якого потрібно мінімум часу. Це твердження визначає закони хвильової оптики, представлені нижче.

Закон відбивання світла

Суть цього закону показує цей малюнок:

Дифузне відбиття

Але світло може падати не тільки на площину. Що відбувається з ним, коли він падає на нерівну поверхню? Закон відбивання світла все одно буде діяти, але кожна точка поверхні буде відображати промінь у своєму напрямку, тобто дифузно.

Закон заломлення світла

Суть закону заломлення світла:

Тут n1 – показник заломлення в умовах, в яких промінь опускається, n2 – показник заломлення в умовах, в яких він заломлюється.

Абсолютний показник – це постійна величина. Він дорівнює відношенню швидкості руху світлового потоку у вакуумі до швидкості його руху в середовищі.

Тут c – швидкість світла у вакуумі; v – середовищі.

Промінь, спрямований на край двох середовищ перпендикулярно, не буде відхилятися, при проходженні з одного середовища в іншу.

Повне віддзеркалення світла

Коли світлове випромінювання потрапляє з більш щільною середовища в менш ущільнену, трапляється повне віддзеркалення світла. При ньому світловий потік ковзає по поверхні, не заломлюючись.

α на малюнку – граничний кут повного внутрішнього віддзеркалення (кут заломлення дорівнює 90 гр.). Найчастіше він позначається як α0.

Принцип Гюйгенса

На цьому принципі заснована хвильова оптика. Принцип Гюйгенса описує механізм руху хвиль. До світлового випромінювання його також можна застосувати. Принцип говорить про те, що коли хвиля досягає якої-небудь поверхні, її точки стають джерелами наступних хвиль. За таким принципом відбувається рух і світлового випромінювання.

Припустимо, нам відомо положення поверхні хвилі в даний момент. Щоб дізнатися її положення в будь-який інший момент, потрібно розглядати всі її точки як джерела наступних хвиль.

Простий приклад того, як відбувається заломлення світла в неоднорідних умовах.

Точки на краю двох середовищ породжують нові хвилі. Огинаюча до цих хвилях вже не паралельна до розділу умов. Межа розділу наступних умов також породить вторинні хвилі, і потік відхилиться ще. За таким же принципом світлова хвиля буде йти далі. З цього рисунка зрозуміло, що випромінювання йде в бік збільшення n.

Як легко запам’ятати закони

Можна пояснити закони коротко. Якщо вам потрібні лише мінімальні відомості про закон відбиття, просто запам’ятайте правило рівності відбитого і падіння променів. Для запам’ятовування закону рефракції, потрібно засвоїти його формулу відношення синусів.

Відбиття і заломлення мають свої показники, оскільки різні умови світловий потік проходить по-різному.

Коефіцієнт відображення

Ця величина показує відбивні здібності речовин. Вона є відношенням інтенсивностей відбитого потоку і падаючого.

Ф – хвиля відображення; Фо – хвиля падіння.

Простіше кажучи, коефіцієнт показує, скільки від принесеної на розділ двох умов світлової енергії становитиме та, яка відіб’ється.

Іноді коефіцієнт позначається літерою R.

Його величина залежить від декількох причин:

• кут падіння;
• властивості тіла;
• поляризація;
• склад спектру.

Припустимо, світло опускається на покриття. Щоб хвиля дзеркально відбилася, потрібно, щоб нерівність покриття була меншою, ніж її довжина. Коефіцієнт (pr) при цьому буде дорівнювати відношенню дзеркально відбитого світла (Фг) до падаючого. Формула виглядає так:

pr = Фг / Фо.

Коефіцієнт дифузного відбиття (pd) визначає можливість тел відбивати випромінювання дифузно. Він дорівнює відношенню дифузно відбитого світла (Фd) до падаючого:

pd = Фd / Фо.

Іноді потік відбивається і дифузно і дзеркально. Тоді «p» дорівнює їх сумі:

p = pd + pr.

Коефіцієнт заломлення

Частіше його називають показником. Це як раз те, про що говорилося раніше (n). Він може бути абсолютним і відносним. Про абсолютний сказано вище. Тепер відносний. Його величина визначається властивостями самої речовини. Виняток становить лише вакуум.

Зверніть увагу! Відносний коефіцієнт заломлення – це відношення світлової швидкості в першому речовині до світлової швидкості у другому речовині.

Перевірка знання теорії

Питання на закони відбивання і заломлення світла.

1. Як точки покриття впливають на світлову хвилю, що падає на це покриття?
2. Чому дорівнює відношення показника умов, в яких промінь заломлюється до показника умов, на які промінь опускається?
3. Яке значення повинен мати кут світлопереломлювання, коли трапляється повне віддзеркалення світла?

Відповіді.

1. Точки є джерелом вторинних хвиль.
2. Відносним показником рефракції.
3. 90

Перевірка загальних знань

Задачі на закони з рішенням.

№ 1. Світловий потік опускається на плоский розділу двох середовищ. Між падаючим випромінюванням і перпендикуляром, проведеним до точки падіння 50 гр. Між відбитим і заломленим променем 100 гр. Чому дорівнює кут світлопереломлювання?

Рішення.

1. Відбитий кут теж буде дорівнювати 50 гр. Нехай кут світлопереломлювання дорівнює X. Якщо ми проведемо перпендикуляр в точці падіння променя, то отримаємо:
2. X + 50 + 100 = 180
3. X = 180 – 100 – 50
4. X = 30.

Відповідь: 30 гр.

№ 2. Кут падіння дорівнює 30 гр., n = 1,6. Знайдіть кут світлопереломлювання.

Рішення.

1. Нам відома формула, чинна для закону заломлення світла: sin a / sin b = n.
2. Ми знаємо величину «а», sin 30 = 0,5.
3. Виходячи з цього, отримуємо:
4. sin b = 0,5 / 1,6 = 0,3125.
5. Залишилося обчислити значення «b» по калькулятору.

Відповідь: 18,2 гр.

№ 3. Кут падіння дорівнює 30 гр. А кут заломлення – 140 гр. В якому середовищі промінь був спочатку: з більшої або з меншою щільністю?

Рішення.

1. Спочатку потрібно дізнатися, під яким кутом відбувається заломлення світла. Робимо це за принципом з 1-го завдання.
2. X = 180 – (140-30) = 70.
3. Кут заломлення виходить більше. Отже, 1-я середа була більш щільною.

Відповідь: спочатку промінь поширювався в більш щільному середовищі.

№ 4. Промінь падає з повітря на прозорий пластик. Кут падіння – 50 гр., світлопереломлювання – 25 гр. Яке значення показника заломлення пластику щодо повітря?

Рішення.

1. Нам відомо, що sin пад / sin прал = n.
2. sin 50 / sin 25 = n
3. 0,76 / 0,42 = 1,8.

Відповідь: 1,8.

№ 5. Кут між площиною і падаючим променем дорівнює куту між падаючим і відбитим променем. Чому дорівнює кут падіння?

Рішення.

1. Нехай кут падіння дорівнює X. Кут між падаючим променем і поверхнею дзеркала + X = 90 гр.
2. Таким чином, ми отримуємо:
3. X = 90 – 2X
4. 3X = 90
5. X = 30.

Відповідь: 30 гр.

Корисне відео

Підіб’ємо підсумки

У житті ми постійно спостерігаємо закони відбиття і заломлення світла, навіть якщо формулювання нам не знайома: сонячні зайчики, різкий відблиск від металу, незрозуміле положення тіл у воді. Ці явища здаються нам звичайними. Але той, хто близько знайомий з фізикою, знає, що відображення і заломлення світла – не такі прості процеси, як здається на перший погляд.