Отражение и преломление света: основные концепции
Итак, вам уже известно, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Но если пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду. Это явление мы называем отражением света.
Однако, свет, падая на границу раздела двух сред, не только отражается от неё, но и частично проходит во вторую среду и распространяется в ней. И сегодня мы с вами рассмотрим это явление более подробно.
Опыт с преломлением света
Для начала проведём такой опыт. Возьмём стакан с водой, опустим в него карандаш так, чтобы он был расположен вертикально. Теперь изменим угол его наклона. Не трудно заметить, что на границе воды и воздуха карандаш кажется переломлённым. Это объясняется тем, что световой пучок при переходе из одной среды в другую изменяет направление распространения.
Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света. Преломление света вы можете наблюдать, когда опускаете ложку в стакан с чаем, входите в воду в реке или в море.
Законы преломления света
Рассмотрим опыт. В центре оптического диска закрепим стеклянный полудиск. Направим на него узкий пучок света. Как видим, часть света отразилась от полудиска, а часть проникла через него. Этот луч света называется преломлённым лучом.
Проведём перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча. Угол между перпендикуляром и преломленным лучом называется углом преломления.
Сравнив углы падения и преломления, мы видим, что угол преломления всегда меньше угла падения. Даже изменяя угол падения, угол преломления остаётся меньше.
Оптическая плотность среды
Различие углов падения и преломления обусловлено оптической плотностью среды. Оптическая плотность зависит от скорости света в среде: чем больше скорость света, тем меньше оптическая плотность.
Сравним скорости света в воздухе, воде и стекле. Мы видим, что стекло имеет самую большую оптическую плотность, а воздух – самую маленькую.
При переходе из менее плотной среды в более плотную, угол преломления всегда меньше угла падения.
Пример с преломлением воды в воздухе
Если луч света переходит из воды в воздух, угол преломления также будет меньше угла падения.
Фотоэксперименты в стеклянных сосудах с жидкостями могут подтвердить этот эффект.
В заключение, понимание принципов преломления и оптических свойств различных сред позволяет объяснить множество явлений в повседневной жизни. Важно помнить, что свет поведет себя по законам оптики, даже если это не всегда очевидно на первый взгляд.
Исследование преломления света
Когда свет падает на границу раздела двух сред под углом, происходит явление преломления. Угол падения и угол преломления в таких случаях могут быть различными, в зависимости от оптической плотности среды.
Открытие Исаака Ньютона
В 1666 году физик Исаак Ньютон провел интересные опыты с преломлением света через стеклянную призму. Падающий свет разлагался на различные цвета, образуя спектр от красного до фиолетового. Это явление было названо дисперсией света.
Дисперсия света
Цветные лучи, проходя через призму, разлагаются на спектр цветов. Фиолетовые лучи преломляются сильнее, чем красные. Ньютон также обнаружил, что цветные лучи являются монохроматическими.
Радуга после дождя
Появление радуги на небосклоне объясняется дисперсией света. Солнечный свет рассеивается на капельках воды, превращаясь в цветные пучки. Исчезновение радуги происходит, когда капли воды исчезают из воздуха.
Линзы и их применение
В дополнение к призмам, линзы также используются для управления световыми пучками. Они представляют собой прозрачные тела с криволинейными или плоскими поверхностями. Линзы могут фокусировать и изменять направление света.
История и свойства линз
Слово линза с латинского переводится как ‘чечевица’. А чечевица — это растение, плоды которого выглядят как короткие, приплюснутые с обеих сторон бобы.
Некоторые учёные утверждают, что археологические свидетельства указывают на широкое использование линз в древности на протяжении нескольких тысячелетий. Так называемая линза Нимруда — артефакт из горного хрусталя, датируемый VIII веком до нашей эры, — возможно, использовалась в качестве увеличительного или зажигательного стекла либо предназначалась для других целей.
Типы линз
В зависимости от форм различают линзы собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные). К группе собирающих линз обычно относят линзы, у которых середина толще краёв (их ещё называют выпуклыми линзами), а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины (вогнутые линзы).
Принцип действия линз
Теперь посмотрим, как с помощью линзы можно изменить направление падающих на неё лучей. Для этого поместим в центр оптической шайбы двояковыпуклую линзу и направим на неё луч света вдоль главной оптической оси. Как видим, луч прошёл через линзу без преломления. Если направить луч света через оптический центр под некоторым углом к главной оптической оси, то он также не изменит своего первоначального направления. Следовательно, луч света проходит через оптический центр линзы без преломления.
Теперь направим на линзу пучок света, лучи которого параллельны главной оптической оси. Как видим, они пересеклись в одной точке, лежащей на главной оптической оси. Значит, двояковыпуклая линза собирает преломлённые лучи. Поэтому такая линза и называется собирающей.
Собирающие и рассеивающие линзы
Заменим линзу на двоя́ково́гнутую и повторим эксперимент. Не трудно заметить, что все лучи, кроме центрального, расходятся. Значит, двояковогнутая линза рассеивает параллельный пучок падающих на неё лучей. Поэтому такую линзу и принято называть рассеивающей.
Точка, в которой пересекаются преломлённые линзой лучи, падающие параллельно главной оптической оси, или их продолжения, называется главным фокусом линзы. Обозначается он большой латинской буквой F.
Особенности фокусов линзы
Главных фокусов у линзы два — передний и задний. Это обусловлено тем, что лучи света можно пустить как с одной, так и с другой стороны линзы. Оба фокуса лежат на главной оптической оси симметрично относительно оптического центра.
Обратите внимание, что у собирающей линзы в фокусе пересекаются сами преломлённые лучи, а у рассеивающей линзы — их продолжения. Поэтому условились считать фокус собирающей линзы действительным, а рассеивающей — мнимым.
Опыт по изучению света через линзу
Теперь проведём небольшой опыт. На столе расположим экран, собирающую линзу и зажжённую свечу, удалённую от линзы на расстояние, большее, чем удвоенное фокусное расстояние линзы.
Передвижение экрана
Будем передвигать экран в направлении к линзе до тех пор, пока на экране не увидим чёткое изображение пламени свечи. Что мы можем сказать об этом изображении?
- Во-первых, оно уменьшенное.
- Во-вторых, — перевёрнутое.
Достоверность изображения
Это изображение реально существует, так как на экране концентрируется энергия света. Если поместить чувствительный термометр в изображение пламени свечи, то он покажет небольшое повышение температуры.
Изучение изображений
Продолжим опыт, став свечу на расстоянии, равном двойному фокусному. Перемещая экран, мы увидим на нем действительное, перевёрнутое изображение пламени свечи, размер которого будет равен размеру пламени свечи.
Манипуляции с экраном
Поместим свечу между первым и вторым фокусом линзы (F < d < 2F). После коррекций с экраном мы сможем увидеть на нем действительное, перевёрнутое, увеличенное изображение пламени свечи.
Отсутствие изображения
Если передвинуть свечу в главный фокус линзы, изображение пламени свечи не будет видно, так как преломленные лучи не пересекаются. И действительно, изображения в этом случае действительно отсутствует.
Мнимое увеличенное изображение
Поставим свечу между главным фокусом и линзой. Изображения свечи и в этом случае не видно. Преломленные лучи расходятся, но их продолжения пересекаются. Поэтому изображение предмета будет мнимым, увеличенным, прямым и находиться со стороны изображаемого предмета.
Иллюзии и миражи
В однородной среде свет распространяется прямолинейно, однако при экстремальных условиях, например, при больших колебаниях температуры, лучи могут преломляться, создавая иллюзии, которые мы называем миражами. Воздух у поверхности земли становится зеркалом.
Миражи делят на нижние, видимые под объектом, верхние, видимые над объектом и боковые.
Нижний мираж наблюдается при большом падении температуры с высотой над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или асфальтированной дорогой.
При этом мнимое изображение неба создаёт иллюзию воды на поверхности.
Верхний мираж наблюдается над холодной земной поверхностью при повышении температуры воздуха с увеличением высоты. Верхние миражи наиболее распространены в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой.
Возможно, благодаря этому эффекту, получившему название хиллингар, первые поселенцы Исландии узнали о существовании Гренландии.
Боковые миражи могут возникать как отражение от нагретой отвесной стены.
А кто из вас слышал легенду о «летучем голландце»? Согласно морским мифам, капитан корабля-призрака навеки осуждён скитаться по морским просторам, нигде не причаливая. А встреча с мистическим кораблём всегда знаменовала несчастья и кораблекрушение.
Почти все истории о нём звучали приблизительно одинаково — призрачное судно плыло прямо на них, не отвечало на сигналы и крики, а потом неожиданно пропадало в тумане.
На самом деле, команда корабля видела перед собой проекцию кораблей, что находились в это время на огромном расстоянии от них. Этот мираж называется фантомом дальнего видения.