Угол преломления луча

Сегодня мы раскроем, что такое угол преломления электромагнитной волны (так называется свет) и как формируются его законы.

Глаз, кожа, мозг

Человек обладает пятью основными органами чувств. Ученые-медики выделяют до одиннадцати разных непохожих ощущений (например, чувство давления или боли). Но основную информацию люди получают через глаза. До девяноста процентов доступных фактов человеческий мозг осознает как электромагнитные колебания. Так что красоту и эстетику люди в основном понимают визуально. Угол преломления света играет в этом немаловажную роль.

Пустыня, озеро, дождь

Мир вокруг пронизан солнечным светом. Воздух и вода составляют основу того, что нравится людям. Конечно, есть своя суровая красота в засушливых пустынных пейзажах, но в основном люди предпочитают все-таки некоторое количество влаги.

Человека всегда завораживали горные ручьи и плавные равнинные реки, спокойные озера и вечно катящиеся волны моря, брызги водопада и холодный сон ледников. Не раз каждый замечал красоту игры света в росе на траве, искристости инея на ветвях, молочной белизны тумана и мрачной прелести низких туч. А все эти эффекты созданы благодаря углу преломления луча в воде.

Глаз, электромагнитная шкала, радуга

Свет – это колебание электромагнитного поля. Длина волны и ее частота задает вид фотона. От частоты колебания зависит, будет ли это радиоволна, инфракрасный луч, видимый человеку спектр какого-то цвета, ультрафиолет, рентген или гамма-излучение. Люди способны воспринимать глазами электромагнитные колебания с длиной волны от 780 (красный) до 380 (фиолетовый) нанометров. На шкале всех возможных волн этот участок занимает очень маленькую область. То есть большую часть электромагнитного спектра люди воспринимать не способны. И всю доступную человеку красоту создает разница между углом падения и углом преломления на границе сред.

Вакуум, Солнце, планета

Фотоны испускаются Солнцем как результат термоядерной реакции. Слияние атомов водорода и рождение гелия сопровождается выбросом огромного количества разнообразных частиц, в том числе квантов света. В вакууме электромагнитные волны распространяются прямолинейно и с максимально возможной скоростью. При попадании в прозрачную и более плотную среду, например, в атмосферу земли, свет меняет скорость распространения. Вследствие этого он меняет направление распространения. Насколько, определяет показатель преломления. Угол преломления высчитывается по формуле Снеллиуса.

Закон Снеллиуса

Голландский математик Виллеброрд Снелл всю жизнь работал с углами и расстояниями. Он понял, как измерять расстояния между городами, как найти заданную точку на небосводе. Неудивительно, что он нашел закономерность углов преломления света.

Формула закона выглядит так:

• n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂.

В этом выражении символы имеют следующее значение:

• n₁ и n₂ – это показатели преломления среды один (из которой падает луч) и среды 2 (в нее он попадает);
• θ₁ и θ₂ – это угол падения и преломления света, соответственно.

Пояснения к закону

Надо дать несколько пояснений к этой формуле. Под углами θ подразумевается то количество градусов, которое ложится между направлением распространения луча и нормалью к поверхности в точке касания пучка света. Почему в данном случае используется нормаль? Потому что в реальности строго плоских поверхностей не бывает. А найти нормаль к любой кривой достаточно просто. К тому же если в задаче известен угол между границей сред и падающим пучком x, то искомый угол θ – это всего лишь (90º-x).

Чаще всего свет попадает из более разреженной (воздух) в более плотную (вода) среду. Чем ближе друг к другу расположены атомы среды, тем сильнее преломляется луч. Следовательно, чем плотнее среда, тем больше угол преломления. Но бывает и наоборот: свет падает из воды в воздух или из воздуха в вакуум. При таких обстоятельствах может возникнуть условие, при котором n₁sin θ₁>n₂. То есть весь луч отразится обратно в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением. Угол, при котором наступят описанные выше обстоятельства, называется предельным углом преломления.

От чего зависит показатель преломления?

Эта величина зависит только от свойств вещества. Например, есть кристаллы, для которых имеет значение, под каким углом входит луч. Анизотропия свойств проявляется в двулучепреломлении. Есть среды, для которых важна поляризация входящего излучения. Также надо помнить, что угол преломления зависит от длины волны падающего излучения. Именно на этой разнице основывается опыт с разделением белого света в радугу призмой. Стоит отметить, что температура среды также влияет на показатель преломления излучения. Чем быстрее колеблются атомы кристалла, тем сильнее деформируется его структура и способность изменять направление распространения света.

Примеры значения показателя преломления

Приведем разные величины для привычных сред:

1. Соль (химическая формула NaCl) как минерал имеет название «галит». Ее показатель преломления – 1,544.
2. Угол преломления стекла вычисляется из его показателя преломления. В зависимости от типа материала эта величина колеблется между 1,487 и 2,186.
3. Алмаз славится именно за игру света в нем. Ювелиры учитывают все его плоскости при огранке. Показатель преломления алмаза – 2,417.
4. У воды, очищенной от примесей, показатель преломления – 1,333. H₂O – очень хороший растворитель. Поэтому химически чистой воды в природе нет. Каждый колодец, каждая река характеризуются своим составом. Следовательно, и показатель преломления меняется. Но для решения простых школьных задач можно взять и такое значение.

Юпитер, Сатурн, Каллисто

До данного момента мы говорили о красоте земного мира. Так называемые нормальные условия подразумевают совершенно конкретную температуру и давление. Но есть и другие планеты в Солнечной системе. Там привычны совсем другие пейзажи.

На Юпитере, например, возможно наблюдать аргоновую дымку в метановых облаках и восходящие потоки гелия. Также там привычны рентгеновские полярные сияния.

На Сатурне этановые туманы застилают водородную атмосферу. На нижних слоях планеты из очень горячих метановых туч идут алмазные дожди.

При этом каменистый замороженный спутник Юпитера Каллисто имеет внутренний океан, богатый углеводородом. Возможно, в его недрах живут поглощающие серу бактерии.

И в каждом из этих пейзажей красоту создает игра света на разных поверхностях, гранях, выступах и облаках.