Преломление света – история физического понятия

Отражение и преломление света относится к числу физических явлений, открытых в результате непосредственных наблюдений, без проведения лабораторных опытов. Впервые о нем заговорили еще в Древней Греции, но большинство физиков склоняется к тому, что этот факт был известен и ранее. Просто первым ученым, попытавшимся дать логическое объяснение целому ряду установленных опытным путем фактов, стал Клеомед, живший в I веке нашей эры на территории нынешней Греции. До него Евклид описывал данное явление, наблюдая за кольцом, лежащим на дне кувшина, которое под определенным углом не было видно наблюдателю, но если начать наливать в кувшин воду, то через некоторое время без изменения угла зрения наблюдатель мог увидеть лежащее на дне украшение. Но поскольку детального объяснения данному опыту Евклид все же не дал, первым ученым, подробно изучавшим преломление, считается Клеомед.

Предметом его исследования стало преломление света в воде – он отметил, что если длинную палку опустить в воду таким образом, чтобы определенная ее часть продолжала оставаться над поверхностью, происходит визуальное преломление на границе воздуха и воды. Но на самом деле палка остается целой, значит, причина данного оптического эффекта в зрительном обмане?

Исследуя данное явление более внимательно, Клеомед отметил, что если световой луч входит из менее плотной среды в более плотную, имея при этом косое направление (то есть, имея угол относительно границ двух сред), то среда, имеющая большую плотность, отклоняет его к отвесному направлению.

Именно подобным преломлением он объяснял возможность видеть Солнце в течение какого-то времени после заката.

Клеомед дал только самую общую характеристику и описал преломление света лишь в виде неких примитивных опытов, дающих, тем не менее, достаточно полное представление об общих законах протекания этого процесса. В дальнейшем другой древнегреческий ученый, живший на столетие позже Клеомеда, продолжил научные изыскания, начатые его предшественником, и практически вплотную приблизился к разгадке физических законов, по которым преломляется световой луч.

Проведя достаточно большое количество опытов, Клавдий Птолемей смог установить приблизительный угол, под которым идет преломление света в той или иной среде. Так, для преломления, происходящего при переходе луча света из глубины вод в стекло, угол преломления составляет 0,88 от угла падения. Для других сред эта величина меняется – для воздуха и воды она равна 0,76, а для воздуха и стекла 0,67.

Но на полное установление законов, по которым протекает преломление света, ушло еще несколько веков. Не одно поколение ученых занималось совершенствованием имеющихся знаний, и окончательная редакция формулы преломления света приписывается Рене Декарту, известнейшему французскому физику-естествоиспытателю.

В первоначальной редакции голландского ученого В. Снеллиуса формула для вычисления угла падения выглядела таким образом:

n = sin(а)/sin(b).

Иными словами, показатель преломления светового луча для двух определенных сред носит постоянный и неизменный характер и равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления.

Окончательно завершил процесс исследования и описания преломления светового луча при попадании из одной среды в другую, как уже было сказано, Рене Декарт. Он привел сравнение, удивительно верно характеризующее суть самого процесса преломления света, сравнив его с летящим в воздухе мячом. Если он во время своего полета наткнется на ткань, достаточно легкую и тонкую, чтобы без труда прорвать ее и продолжить движение, то он всего лишь потеряет часть своей изначальной скорости и слегка изменит угол полета.