Преломление света
Научимся объяснять, почему свет меняет направление на границе двух сред, разберемся, как работают законы преломления, и узнаем, где это явление встречается в природе и технике
Наверняка вы замечали, как ложка в стакане воды вдруг кажется изогнутой, а дно бассейна выглядит ближе, чем есть на самом деле. Такие зрительные эффекты можно наблюдать каждый день, и возникают они не случайно. Они связаны с преломлением света — одним из важнейших явлений оптики.
Когда луч света переходит из одной среды в другую, например из воздуха в воду или стекло, он меняет свою скорость и направление. Именно поэтому окружающие предметы иногда кажутся нам не такими, какими они являются в действительности. Вместе с методистом по физике Николаем Герасимовым разберемся, как возникает преломление света, по каким законам оно происходит и где встречается в природе и технике.
Что такое преломление света в физике
Преломление света — это изменение направления распространения светового луча при переходе из одной прозрачной среды в другую.
Это явление возникает потому, что в разных средах свет распространяется с разной скоростью. Если луч падает на границу раздела сред под углом, то при переходе в другую среду он меняет свое направление.
Именно поэтому ложка в стакане воды кажется изогнутой, а дно водоема или бассейна выглядит ближе, чем находится на самом деле. Такие зрительные эффекты связаны не с изменением самих предметов, а с тем, как распространяется свет.
Преломление света является одним из основных явлений геометрической оптики. Оно лежит в основе работы линз, оптических приборов, световодов и многих природных оптических эффектов.
Тема преломления света рассматривается в школьных учебниках физики, входящих в федеральный перечень учебников. 1
Полезная информация о преломлении света
Чтобы лучше разобраться в теме, важно не только понять само явление преломления света, но и запомнить основные понятия, которые с ним связаны. В таблице ниже собраны ключевые термины и правила, которые помогут быстрее ориентироваться в формулах и законах преломления.
| Преломление света | Описание |
|---|---|
| Определение | Изменение направления светового луча при переходе из одной прозрачной среды в другую |
| Причина преломления | Изменение скорости распространения света в разных средах |
| Угол падения | Угол между падающим лучом и нормалью к границе раздела сред |
| Угол преломления | Угол между преломленным лучом и нормалью |
| Закон преломления | При переходе света через границу двух сред выполняется соотношение n1sinα = n2sinβ |
| Абсолютный показатель преломления | Показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде |
| Полное внутреннее отражение | Явление, при котором свет полностью отражается внутри более плотной среды и не выходит наружу |
Первый закон преломления света
Преломление света происходит по определенным правилам, которые позволяют точно описать поведение луча на границе двух сред. Первый закон преломления света определяет, как расположены лучи и вспомогательная линия — нормаль в момент перехода света через границу.
Падающий луч, преломленный луч и нормаль, проведенная к границе раздела сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
Это означает, что при преломлении свет не отклоняется произвольно в сторону, а изменяет направление строго в плоскости падения. Такой закон помогает правильно строить схемы и решать задачи по оптике.
Закон Снеллиуса (формула)
Первый закон описывает геометрию преломления, а второй устанавливает количественную связь между углами и свойствами сред. Эта зависимость называется законом Снеллиуса.
Формула закона преломления света:
где:
- n1 — показатель преломления первой среды;
- n2 — показатель преломления второй среды;
- α — угол падения;
- β — угол преломления.
Из этой формулы следует важное правило: если свет переходит в более оптически плотную среду, луч отклоняется к нормали, а если в менее плотную — от нормали.
Угол падения и угол преломления
Чтобы правильно применять закон Снеллиуса, важно различать два основных угла, которые используются в расчетах.
Угол падения — это угол между падающим лучом и нормалью к поверхности в точке падения.
Угол преломления — это угол между преломленным лучом и той же нормалью.
Оба угла всегда измеряются от нормали, а не от поверхности раздела сред. Именно это чаще всего вызывает ошибки при решении задач, поэтому на построении схем этому уделяют особое внимание.
Законы преломления света входят в содержание федеральной рабочей программы по физике.
это интересно
Законы Ньютона
Разберем три главных закона механики и поймем, как они объясняют движение тел
Подробнее
Показатель преломления
Чтобы понять, почему в разных веществах свет ведет себя по-разному, используют специальную физическую величину — показатель преломления. Именно он показывает, насколько сильно среда влияет на скорость распространения света и как заметно изменяется направление луча при переходе через границу двух сред.
Чем больше показатель преломления, тем медленнее свет распространяется в данной среде и тем сильнее преломляется луч. Например, в воздухе свет движется быстрее, чем в воде, а в воде — быстрее, чем в стекле.
Абсолютный показатель преломления
Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде.
Он обозначается буквой n и вычисляется по формуле:
где:
- c — скорость света в вакууме;
- v — скорость света в среде.
Так как скорость света в любой прозрачной среде меньше, чем в вакууме, абсолютный показатель преломления всегда больше единицы.
Например:
- для воздуха n ≈ 1,
- для воды n ≈ 1,33,
- для стекла n ≈ 1,5.
Относительный показатель преломления
Если свет переходит из одной среды в другую, используют относительный показатель преломления. Он показывает, насколько изменяется скорость света при переходе между двумя средами.
Формула имеет вид:
где:
- n1 — показатель преломления первой среды;
- n2 — показатель преломления второй среды.
Относительный показатель помогает сравнить две среды между собой и используется при расчетах по закону Снеллиуса.
Оптическая плотность среды
Оптическая плотность показывает, насколько сильно среда замедляет распространение света.
Чем больше показатель преломления вещества, тем выше его оптическая плотность. Это не связано напрямую с обычной плотностью вещества — например, оптически более плотная среда не всегда тяжелее по массе.
Если свет переходит:
- в более оптически плотную среду — луч отклоняется к нормали,
- в менее оптически плотную среду — луч отклоняется от нормали.
Именно поэтому при переходе света из воздуха в стекло луч приближается к нормали, а из воды в воздух — удаляется от нее.
Полное внутреннее отражение
Иногда свет, переходя из одной среды в другую, может вовсе не выйти за границу раздела, а полностью вернуться обратно. Такое явление называется полным внутренним отражением и считается одним из самых интересных эффектов геометрической оптики.
Полное внутреннее отражение возникает, если выполняются два условия:
- свет идет из оптически более плотной среды в менее плотную;
- угол падения больше некоторого предельного значения, которое называется критическим.
При увеличении угла падения угол преломления тоже увеличивается. В момент, когда угол преломления становится равным 90°, преломленный луч словно скользит вдоль границы раздела сред. Если после этого угол падения увеличить еще больше, преломление исчезает, и весь свет отражается обратно внутрь среды.
Это явление широко используется в технике. Например, благодаря полному внутреннему отражению работают оптоволоконные кабели, медицинские эндоскопы и некоторые виды оптических приборов. Полное внутреннее отражение можно наблюдать и в природе, например в блеске капель воды или драгоценных камней, где свет многократно отражается внутри прозрачного вещества.
Примеры преломления света в природе и технике
Преломление света можно наблюдать не только в лаборатории или учебных задачах, но и в повседневной жизни. Это явление встречается в природе, помогает объяснять привычные зрительные эффекты и широко используется в современной технике.
Благодаря преломлению работают линзы в очках, фотоаппаратах, микроскопах и телескопах. Именно изменение направления световых лучей позволяет получать увеличенные изображения, корректировать зрение и создавать сложные оптические приборы.
В природе преломление света можно заметить в миражах, радуге, каплях росы и водоемах, где предметы кажутся смещенными или искаженными. Особенно хорошо это видно на примере воды и стекла — сред, с которыми человек сталкивается чаще всего.
Преломление света в воде
Когда свет переходит из воздуха в воду, его скорость уменьшается, и луч отклоняется к нормали. Из-за этого предметы, находящиеся под водой, кажутся расположенными не там, где они есть на самом деле. Например, дно бассейна выглядит ближе, рыба в воде кажется выше своего настоящего положения, опущенная в стакан ложка визуально кажется изогнутой.
Такой эффект возникает потому, что глаз воспринимает лучи света как распространяющиеся прямолинейно, хотя на границе воды и воздуха они изменяют направление.
Преломление света в стекле
Стекло — оптически более плотная среда, чем воздух, поэтому при входе света в стекло луч заметно изменяет направление. Это свойство используется в большинстве оптических устройств.
Именно благодаря преломлению света в стекле работают очковые линзы, увеличительные стекла, объективы камер, микроскопы и телескопы.
Форма стеклянной линзы позволяет управлять направлением лучей: собирать их в одной точке или, наоборот, рассеивать. За счет этого можно получать четкие изображения и изменять размеры наблюдаемых объектов.
Преломление в стекле также используется в призмах, где свет не только меняет направление, но и может разлагаться на спектр.
Иногда преломление света может буквально обмануть человека. Например, именно из-за этого явления в жарких пустынях и на раскаленных дорогах появляются миражи — кажущиеся озера, которых на самом деле нет.
Когда солнечные лучи проходят через слои воздуха разной температуры, они преломляются неодинаково: горячий воздух у поверхности земли менее плотный, чем более холодный выше. Свет постепенно изгибается, и глаз воспринимает искаженное изображение неба как отражение воды. Поэтому человеку кажется, будто впереди блестит лужа или целое озеро.
Похожий эффект можно увидеть летом на асфальте: дорога вдали вдруг начинает сверкать, словно мокрая после дождя. На самом деле это не вода, а световая иллюзия, созданная преломлением лучей в нагретом воздухе.
Основные законы и явления, связанные с преломлением света, удобно представить в виде наглядной схемы.
Задачи и ответы по теме «Преломление света»
Чтобы лучше понять, как работают законы преломления света, важно не только изучить теорию, но и применить ее на практике. Ниже приведены задачи разного уровня сложности, которые помогут закрепить основные понятия, научиться сравнивать оптические свойства сред и использовать формулы при расчетах.
Задача 1
Луч света переходит из воздуха в воду. Как изменится направление луча?
Решение и ответ к задаче 1
Вода является оптически более плотной средой, чем воздух. При переходе света в более плотную среду луч отклоняется к нормали.
Ответ: луч отклонится к нормали
Задача 2
Скорость света в некоторой среде равна 2 × 108 м/с. Найдите абсолютный показатель преломления этой среды.
Решение и ответ к задаче 2
Используем формулу абсолютного показателя преломления среды:
n = c/v,
где:
c = 3 × 108 м/с — скорость света в вакууме,
v = 2 × 108 м/с — скорость света в среде.
Подставим значения:
n = (3 × 108) / (2 × 108) = 1,5
Ответ: 1,5
Задача 3
Луч света падает на границу двух сред под углом 40°, а угол преломления равен 25°. Какая из сред является более оптически плотной?
Решение и ответ к задаче 3
Если угол преломления меньше угла падения, значит, луч отклоняется к нормали. Это происходит при переходе в более оптически плотную среду.
Ответ: вторая среда является более оптически плотной
Задача 4
Свет переходит из воздуха в стекло. Показатель преломления воздуха равен 1, показатель преломления стекла равен 1,5. Во сколько раз sinα больше sinβ?
Решение и ответ к задаче 4
Используем закон Снеллиуса:
n1sinα = n2sinβ
Подставим значения показателей преломления сред:
1 × sinα = 1,5 × sinβ
Отсюда:
sinα = 1,5 × sinβ
Значит, sinα больше sinβ в 1,5 раза.
Ответ: в 1,5 раза
Задача 5
Найдите относительный показатель преломления стекла относительно воды, если абсолютный показатель преломления стекла равен 1,5, а воды — 1,33.
Решение и ответ к задаче 5
Используем формулу относительного показателя преломления:
n21 = n2 / n1
Подставим значения:
n21 = 1,5 / 1,33 ≈ 1,13
Ответ: 1,13
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Николай Герасимов, методист по физике Домашней школы «ИнтернетУрок»:
Почему глубина любого водоема кажется меньше, чем она есть на самом деле?
Мы видим не сами предметы, а световые лучи, отраженные от них. Глаз воспринимает эти лучи, а мозг выстраивает изображение, исходя из того, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Однако лучи света, идущие от предметов на дне водоема, преломляются на границе воды и воздуха и изменяют направление. Мозг продолжает мысленно «достраивать» их по прямой линии, поэтому изображение предметов кажется расположенным выше их настоящего положения. Именно поэтому дно кажется ближе, чем есть на самом деле.
Интересно, что для рыб действует похожий эффект: предметы над поверхностью воды, например деревья, кажутся им выше, чем в действительности.
Однако лучи света, идущие от предметов на дне водоема, преломляются на границе воды и воздуха и изменяют направление. Мозг продолжает мысленно «достраивать» их по прямой линии, поэтому изображение предметов кажется расположенным выше их настоящего положения. Именно поэтому дно кажется ближе, чем есть на самом деле.
Интересно, что для рыб действует похожий эффект: предметы над поверхностью воды, например деревья, кажутся им выше, чем в действительности.
Почему алмаз блестит сильнее стекла?
Большинство природных алмазов выглядят довольно невзрачно и напоминают матовые камни. Яркий блеск появляется после огранки — тогда алмаз превращается в бриллиант.
Показатель преломления алмаза примерно в 1,5 раза больше, чем у стекла. Благодаря этому он отражает больше света, сильнее разлагает белый свет на спектральные цвета и лучше удерживает свет внутри себя за счет многократных внутренних отражений. Именно сочетание этих свойств делает блеск бриллианта особенно ярким, а правильная огранка усиливает этот эффект.
Показатель преломления алмаза примерно в 1,5 раза больше, чем у стекла. Благодаря этому он отражает больше света, сильнее разлагает белый свет на спектральные цвета и лучше удерживает свет внутри себя за счет многократных внутренних отражений. Именно сочетание этих свойств делает блеск бриллианта особенно ярким, а правильная огранка усиливает этот эффект.
Почему при преломлении луча света не меняется его цвет?
Цвет света определяется частотой электромагнитной волны. При переходе света из одной среды в другую частота не изменяется, поэтому цвет остается тем же.
При преломлении меняются скорость распространения света и длина волны, но не частота. Именно поэтому луч может изменить направление, но его цвет остается прежним.
При преломлении меняются скорость распространения света и длина волны, но не частота. Именно поэтому луч может изменить направление, но его цвет остается прежним.
Почему тему по физике «Преломление света» изучают в 8-11 классах?
С 2023–2024 учебного года тема «Световые явления», в которую входит преломление света, перенесена из 8 класса в 9 класс. К этому времени школьники уже знакомы с такими важными математическими понятиями, как луч, угол и синус, которые необходимы для понимания закона преломления.
В старших классах тема изучается глубже. В 11 классе закон преломления рассматривается уже с точки зрения волновой теории света, а в профильных курсах используется при объяснении хода лучей в линзах и работы сложных оптических систем.
Благодаря этому ученики понимают не только формулы, но и реальные явления, например почему без маски под водой трудно четко видеть предметы или почему свойства линзы могут меняться в зависимости от среды.
В старших классах тема изучается глубже. В 11 классе закон преломления рассматривается уже с точки зрения волновой теории света, а в профильных курсах используется при объяснении хода лучей в линзах и работы сложных оптических систем.
Благодаря этому ученики понимают не только формулы, но и реальные явления, например почему без маски под водой трудно четко видеть предметы или почему свойства линзы могут меняться в зависимости от среды.
В каких заданиях ОГЭ и ЕГЭ встречаются задачи на преломление света?
В ОГЭ по физике задания по геометрической оптике, включая преломление света, могут встречаться в разных частях экзаменационной работы — как среди тестовых вопросов, так и среди задач с развернутым ответом. Номера конкретных заданий могут меняться в зависимости от года.
В ЕГЭ по физике задачи на преломление света также встречаются регулярно: чаще всего в заданиях по разделу «Оптика», а также в вопросах, связанных с линзами и построением хода лучей.
Точное распределение номеров ежегодно определяется спецификацией КИМ, поэтому при подготовке важно ориентироваться на актуальные демоверсии и материалы ФИПИ. 3
В ЕГЭ по физике задачи на преломление света также встречаются регулярно: чаще всего в заданиях по разделу «Оптика», а также в вопросах, связанных с линзами и построением хода лучей.
Точное распределение номеров ежегодно определяется спецификацией КИМ, поэтому при подготовке важно ориентироваться на актуальные демоверсии и материалы ФИПИ. 3
5 тем по оптике, которые важно понимать в школьной физике
- Интерференция света: как световые волны накладываются друг на друга и создают световые полосы
- Дифракция света: почему свет огибает препятствия и проникает в область тени
- Скорость света: как распространяется свет и почему эта величина считается фундаментальной
- Фотон в физике: раскрывает квантовую природу света и объясняет, как он переносит энергию
- Ультрафиолетовое излучение в физике: узнать свойства невидимой части светового спектра и ее применение
Источники
Статья подготовлена в соответствии с официальными документами и рекомендациями:
1. Министерство просвещения России. Федеральный перечень учебников. URL: https://fpu.edu.ru/
- Перышкин И. М., Гутник Е. М., Иванов А. И. «Физика. 9 класс. Базовый уровень»,
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. «Физика. 10 класс. Базовый и углубленный уровни»,
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. «Физика. 11 класс. Базовый и углубленный уровни»,
- Касьянов В. А. «Физика. 10 класс. Углубленный уровень»,
- Касьянов В. А. «Физика. 11 класс. Углубленный уровень».
2. Министерство просвещения России. Федеральная рабочая программа по учебному предмету «Физика». URL: https://static.edsoo.ru/projects/fop/index.html#/sections/200222
3. Федеральный институт педагогических измерений. Открытый банк заданий ОГЭ и ЕГЭ по физике, демоверсии и методические материалы. URL: https://fipi.ru/
