Методический материал к уроку физики в 9-11 классах по теме "Преломление света".
методическая разработка по физике (11 класс)

Опубликовано 28.05.2023 - 8:19 - Ловцова Анжелика Федоровна

Методический материал к уроку физики в 9-11 классах по теме "Преломление света".

Ловцова А.Ф(учитель физики и астрономии).

Всё, что мы видим, вокруг нас - это результат взаимодействия светового луча с окружающей средой. Свет может общаться с предметами и физическими телами самым разным образом: отражаться, поглощаться и преломляться. Нас сейчас интересует именно преломление света.

Это крайне важное понятие, ведь оно присутствует везде. Где-то как паразитный эффект, а где-то напротив - как физическая основа работа какой-то установки.

Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике — для передачи световых сигналов на большие расстояния.

Оптоволокно

В свою очередь, волоконную оптику используют во многих отраслях науки и искусства: в медицине, телекоммуникациях, датчиках различного спектра и освещении.

Что есть преломление света?

Под преломлением света понимается изменение направления луча при прохождении границы двух сред или прохождения в одной среде зон, где меняется скорость распространения света.

Как мы видим, есть опять ряд стандартных для физической модели нашего мира явлений и закономерностей, которые переходят из одного понятия в другое.

Преломление света

Во-первых, всё происходит на границе раздела. Граница раздела в физике - это всегда зона, где следует ожидать каких-то интересных или специфических явлений. Не так давно мы разбирали понятие поверхностного натяжения и выяснили, что там тоже граница раздела является камнем преткновения и формирования особых свойств.

Во-вторых, работа идёт со средой. Причем, воздух вокруг нас - тоже среда и тоже влияет на любой процесс. Если есть упоминание среды, то всегда большая часть свойств и характеристик определяется особенностями этой среды и можно даже сказать, что сама среда навязывает некоторые свойства.

Теперь остается упростить описание и сказать, что в общем-то, преломление света - это всего лишь изменение направления светового луча при переходе его из одной среды в другу. Но таких знаний маловато, особенно если хочется разобраться в вопросе или есть непонимание, поэтому вникнем поглубже.

Что нужно помнить из физической оптики для понимания преломления света?

Для начала, нужно вспомнить, что помимо преломления всегда есть и отражение, и поглощение. Луч очень редко преломляется полностью или отражается полностью. Обычно речь идёт сразу про группу явлений. Преломление всегда сопряжено с отражением. Если бы луч только преломлялся, то прозрачный стакан мы, например, не увидели бы.

Следующий важный момент - понимание самой природы луча света. Мы помним, что световой луч - это не просто некоторый отрезок, нарисованный на бумаге. Отрезком показано только схематическое и упрощенное представление световой волны. При этом свет демонстрирует как природу волны, так и свойства потока частиц. Это корпускулярно-волновой дуализм. Очень важно помнить этот момент для углубления в вопрос.

Полезные напоминалки

Волна или световой луч характеризуется такими свойствами, как скорость распространения, которая не всегда одинакова, ведь мы не в вакууме и количеством энергии, которую волна несёт.

Скорость распространения света в среде меняется и становится меньшей, нежели в вакууме из-за того, что у каждого вещества или материала есть структура. При попадании в неё света, структура препятствует его прохождению и замедляет скорость лучей. Вспомните, как просто опустить карандаш в воду, а теперь попробуйте опустить карандаш в кисель. Вот вам и понятная аналогия.

Физическая суть преломления света

Итак, мы вспомнили, что свет у нас - это и волна, и одновременно поток частиц. Нам сейчас удобно рассматривать его именно как поток частичек.

Представляем, что эти частицы, обладающие энергией, перемещаются в воздухе и испытывают минимальное влияние структуры воздушной среды на свое движение. Энергия этих частиц, конечно же, напрямую определяет скорость перемещения частичек в среде. Больше энергия - быстрее летят частицы. К слову, есть и обратная связь. Ведь у частицы есть и потенциальная, и кинетическая энергия, которая зависит от скорости.

Теперь представим, что летящая частица (она же - луч света) вдруг попала в другую среду. Тот самый пример с киселем тут подходит наилучшим образом. Сначала было лететь легко и энергия на взаимодействие с окружением на расходовалась. Теперь, среда стала более вязкой и труднопроходимой, энергия тратится на взаимодействие со средой и скорость движения частички падает. Помимо этого, частица взаимодействует с элементами структуры и отклоняется от своего курса.

Нужно помнить ещё и что свет не просто лучом проходит через тело. Он активно взаимодействует с его структурой во всех случаях, будь-то поглощение, отражение или преломление..

В общем-то, отклонение частиц от первоначального курса и формирует угол преломления. Теперь мы понимаем, как это происходит. Если описать процесс очень утрировано, то свет попал внутрь вещества, ударился там о решетку и отклонился от своего курса в виду потери энергии и смены изначальной траектории. Именно поэтому, коэффициент преломления можно высчитать из соотношения скоростей.

На память

Чем больше скорость поменяется, тем больше показатель преломления.

Из всего этого нам надо уяснить только одно - в большинстве случаев при работе со светом будет присутствовать явление преломления. Это значит, что и очки, которые визуально прозрачные, и линза фотоаппарата свет всё же преломляют и это надо учитывать в расчётах.

Между тем, в голове нужно держать такое явление, как полное внутреннее отражение. В этом случае никакой луч из среды не выходит, а значит и показателя преломления нет. Падающий луч просто перераспределяет энергию и перенаправляется по закону отражения в этой же среде.

Почему оно отражается именно от поверхности или границы раздела? Потому что на границе раздела другая энергия. Удобно представлять себе границы раздела сред, как газетку, которая плавает на поверхности воды. Вот поверхность воды на микроуровне сама как газетка на поверхности.

Ещё бывает такой частный случай, как полное преломление. В этом случае полностью отсутствует отраженная волна.

Закон преломления света

Закон преломления

Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности раздела сред, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды.

Закон преломления (частный случай).

Мы начнём с частного случая, когда одна из сред является воздухом. Именно такая ситуация присутствует в подавляющем большинстве задач. Мы обсудим соответствующий частный случай закона преломления, а уж затем дадим самую общую его формулировку.

Предположим, что луч света, идущий в воздухе, наклонно падает на поверхность стекла, воды или какой-либо другой прозрачной среды. При переходе в среду луч преломляется, и его дальнейший ход показан на рис. 1.

Рис. 1. Преломление луча на границе "воздух–среда"

В точке падения проведён перпендикуляр (или, как ещё говорят, нормаль) к поверхности среды. Луч , как и раньше, называется падающим лучом, а угол $\alpha$ между падающим лучом и нормалью - углом падения. Луч - это преломлённый луч; угол $\beta$ между преломлённым лучом и нормалью к поверхности называется углом преломления.

Всякая прозрачная среда характеризуется величиной , которая называется показателем преломления этой среды. Показатели преломления различных сред можно найти в таблицах. Например, для стекла , а для воды . Вообще, у любой среды $n \textgreater 1$ ; показатель преломления равен единице только в вакууме. У воздуха , поэтому для воздуха с достаточной точностью можно полагать в задачах (в оптике воздух не сильно отличается от вакуума).

Закон преломления (переход "воздух–среда").

1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно показателю преломления среды:

$\frac{\displaystyle sin\alpha }{\displaystyle sin\beta }=n$ . (1)

Поскольку $n \textgreater 1$ из соотношения (1) следует, что $sin\alpha \textgreater sin\beta$ , то есть $\alpha \textgreater \beta$ - угол преломления меньше угла падения. Запоминаем: переходя из воздуха в среду, луч после преломления идёт ближе к нормали.

Показатель преломления непосредственно связан со скоростью распространения света в данной среде. Эта скорость всегда меньше скорости света в вакууме: $v \textless c$ . И вот оказывается,что

$n=\frac{\displaystyle c }{\displaystyle v }$ . (2)

Почему так получается, мы с вами поймём при изучении волновой оптики. А пока скомбинируем формулы . (1) и (2):

$\frac{\displaystyle sin\alpha }{\displaystyle sin\beta }=\frac{\displaystyle c }{\displaystyle v }$ . (3)

Так как показатель преломления воздуха очень близок единице, мы можем считать, что скорость света в воздухе примерно равна скорости света в вакууме . Приняв это во внимание и глядя на формулу . (3), делаем вывод: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в воздухе к скорости света в среде.

Обратимость световых лучей.

Теперь рассмотрим обратный ход луча: его преломление при переходе из среды в воздух. Здесь нам окажет помощь следующий полезный принцип.

Принцип обратимости световых лучей. Траектория луча не зависит от того, в прямом или обратном направлении распространяется луч. Двигаясь в обратном направлении, луч пойдёт в точности по тому же пути, что и в прямом направлении.

Согласно принципу обратимости, при переходе из среды в воздух луч пойдёт по той же самой траектории, что и при соответствующем переходе из воздуха в среду (рис. 2) Единственное отличие рис. 2 от рис. 1 состоит в том, что направление луча поменялось на противоположное.

Рис. 2. Преломление луча на границе "среда–воздух"

Раз геометрическая картинка не изменилась, той же самой останется и формула (1): отношение синуса угла $\alpha$ к синусу угла $\beta$ по-прежнему равно показателю преломления среды. Правда, теперь углы поменялись ролями: угол $\beta$ стал углом падения, а угол $\alpha$ - углом преломления.

В любом случае, как бы ни шёл луч - из воздуха в среду или из среды в воздух - работает следующее простое правило. Берём два угла - угол падения и угол преломления; отношение синуса большего угла к синусу меньшего угла равно показателю преломления среды.

Теперь мы целиком подготовлены для того, чтобы обсудить закон преломления в самом общем случае.

Закон преломления (общий случай).

Пусть свет переходит из среды 1 с показателем преломления $n_{\displaystyle 1}$ в среду 2 с показателем преломления $n_{\displaystyle 2}$ . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной; соответственно, среда с меньшим показателем преломления называется оптически менее плотной.

Переходя из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, световой луч после преломления идёт ближе к нормали (рис. 3). В этом случае угол падения больше угла преломления: $\alpha \textgreater \beta$ .

Рис. 3. $n_{1} \textless n_{2}\Rightarrow \alpha \textgreater \beta$

Наоборот, переходя из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, луч отклоняется дальше от нормали (рис. 4). Здесь угол падения меньше угла преломления: $\alpha \textless \beta$

Рис. 4. $n_{1} \textgreater n_{2}\Rightarrow \alpha \textless \beta$

Оказывается, оба этих случая охватываются одной формулой - общим законом преломления, справедливым для любых двух прозрачных сред.

Закон преломления.

1) Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к поверхности раздела сред, проведённая в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды:

. (4)

Нетрудно видеть, что сформулированный ранее закон преломления для перехода "воздух–среда" является частным случаем данного закона. В самом деле, полагая в формуле (4) $n_{\displaystyle 1}=1, n_{\displaystyle 2}=n$ , мы придём к формуле (1).

Вспомним теперь, что показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде: $n_{\displaystyle 1}=c/v_{\displaystyle1}, n_{\displaystyle 2}=c/v_{\displaystyle2}$ . Подставляя это в (4), получим:

. (5)

Формула (5) естественным образом обобщает формулу (3). Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Полное внутреннее отражение.

При переходе световых лучей из оптически более плотной среды в оптически менее плотную наблюдается интересное явление - полное внутреннее отражение. Давайте разберёмся, что это такое.

Будем считать для определённости, что свет идёт из воды в воздух. Предположим, что в глубине водоёма находится точечный источник света , испускающий лучи во все стороны. Мы рассмотрим некоторые из этих лучей (рис. 5).

Рис. 5. Полное внутреннее отражение

Луч $SO_{\displaystyle 1}$ падает на поверхность воды под наименьшим углом. Этот луч частично преломляется (луч $O_{\displaystyle 1} A_{\displaystyle 1}$ ) и частично отражается назад в воду (луч $O_{\displaystyle 1} B_{\displaystyle 1}$ ). Таким образом, часть энергии падающего луча передаётся преломлённому лучу, а оставшаяся часть энергии -отражённому лучу.

Угол падения луча $S O_{\displaystyle 2}$ больше. Этот луч также разделяется на два луча - преломлённый и отражённый. Но энергия исходного луча распределяется между ними по-другому: преломлённый луч $O_{\displaystyle 2} A_{\displaystyle 2}$ будет тусклее, чем луч $O_{\displaystyle 1} A_{\displaystyle 1}$ (то есть получит меньшую долю энергии), а отражённый луч $O_{\displaystyle 2} B_{\displaystyle 2}$ - соответственно ярче, чем луч $O_{\displaystyle 1} B_{\displaystyle 1}$ (он получит большую долю энергии).

По мере увеличения угла падения прослеживается та же закономерность: всё большая доля энергии падающего луча достаётся отражённому лучу, и всё меньшая - преломлённому лучу. Преломлённый луч становится всё тусклее и тусклее, и в какой-то момент исчезает совсем!

Это исчезновение происходит при достижении угла падения $\alpha _{0}$ , которому отвечает угол преломления $90^{\circ}$ . В данной ситуации преломлённый луч должен был бы пойти параллельно поверхности воды, да идти уже нечему - вся энергия падающего луча целиком досталась отражённому лучу .

При дальнейшем увеличении угла падения преломлённый луч и подавно будет отсутствовать.

Описанное явление и есть полное внутреннее отражение. Вода не выпускает наружу лучи с углами падения, равными или превышающими некоторое значение $\alpha _{0}$ - все такие лучи целиком отражаются назад в воду. Угол $\alpha _{0}$ называется предельным углом полного отражения.

Величину $\alpha _{0}$ легко найти из закона преломления. Имеем:

$\frac{\displaystyle sin\alpha _{0}}{\displaystyle sin90^{\circ}}=\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle n}$ .

Но $sin90^{\circ}=1$ , поэтому

$sin\alpha _{0}=\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle n}$ ,

откуда

$\alpha _{0}=arcsin\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle n}$ .

Так, для воды предельный угол полного отражения равен:

$\alpha _{0}=arcsin\frac{\displaystyle 1}{1,33} \approx 48,8^{\circ}$ .

Явление полного внутреннего отражения вы легко можете наблюдать дома. Налейте воду в стакан, поднимите его и смотрите на поверхность воды чуть снизу сквозь стенку стакана. Вы увидите серебристый блеск поверхности - вследствие полного внутреннего отражения она ведёт себя подобно зеркалу.

Важнейшим техническим применением полного внутреннего отражения является волоконная оптика. Световые лучи, запущенные внутрь оптоволоконного кабеля (световода) почти параллельно его оси, падают на поверхность под большими углами и целиком, без потери энергии отражаются назад внутрь кабеля. Многократно отражаясь, лучи идут всё дальше и дальше, перенося энергию на значительное расстояние. Волоконно-оптическая связь применяется, например, в сетях кабельного телевидения и высокоскоростного доступа в Интернет.

Гало и венцы

Гало  — оптическое явление, заключающееся в образовании светящегося кольца вокруг источника света. Термин произошёл от фр. halo и греч. halos -«световое кольцо».

Гало обычно возникают вокруг Солнца или Луны, иногда  — вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Они вызваны преимущественно отражением и преломлением света ледяными кристаллами в перистых облаках и туманах. Для возникновения некоторых гало необходимо, чтобы ледяные кристаллы, имеющие форму шестигранных призм, были ориентированы по отношению к вертикали одинаковым или хотя бы преимущественным образом.

Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу, однако гало в условиях низкой освещённости имеет малую цветность. Окрашенные гало образуются при преломлении света в шестигранных кристаллах ледяных облаков; неокрашенные (бесцветные) формы  — при его отражении от граней кристаллов. Иногда в морозную погоду гало образуется очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни.

Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения кристаллов. Наиболее обычные формы гало: радужные круги вокруг диска Солнца или Луны; паргелии, или «ложные Солнца», - слегка окрашенные светлые пятна на одном уровне с Солнцем справа и слева от него; паргелический круг  — белый горизонтальный круг, проходящий через диск светила; столб  — часть белого вертикального круга, проходящего через диск светила; он в сочетании с паргелическим кругом образует белый крест.

Гало следует отличать от венцов, которые внешне схожи с ним, но имеют другое происхождение.

Венцы возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счёт дифракции. Они могут появиться также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца  — светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю  — красноватый. Его называют также ореолом. Он может быть окружён одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу.

Природное явление гало — уникальное и невероятно красивое, напоминает волшебство. В древности вызывало трепет у людей, с ним связано много мифов и суеверий. Гало́ в переводе с греческого — круг, диск, нимб, орео́л. Это оптическое явление, заключающееся в появлении яркого светящегося круга вокруг Солнца, Луны или других источников света (например: уличных фонарей). Оно может напоминать круглую радугу, дуги или окружности.

Природное явление гало: что это такое простыми словами

Как отличить гало от радуги

Гало от обычной радуги отличить достаточно просто, главное знать их отличия.

гало всегда возникает вокруг солнца. Радугу обычно видят, когда стоят спиной к солнцу;
радуга обычно имеет весь цветовой спектр (Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан), а гало в большинстве случаев окрашено слабо, в основном присутствуют только красный и оранжевый цвета;
у радуги ближе к центру находится фиолетовый цвет, красный расположен на внешней стороне, а у гало красный цвет находится максимально близко к центру, то есть, к Солнцу.

Природное явление гало: что это такое простыми словами