Преломление света

Ложка в стакане кажется переломленной, дно бассейна — поднятым, а ноги человека в воде — короче. Предметы не изменились. Выбери гипотезу: изменяется сам предмет, только изображение или путь света до глаза?

Оригинальная иллюстрация MediaSchool. Наблюдаемый вид нужно проверить реальным опытом.

Сначала предскажи

Нарисуй границу «воздух — стекло», нормаль и падающий луч. До чтения объяснения отметь прогноз:

• прошедший луч повернёт к нормали, от нормали или не повернёт;
• угол $γ$ будет меньше, равен или больше $α$;
• что произойдёт при $α=0°$.

Безопасное наблюдение: опусти ложку в прозрачный стакан с водой и посмотри на неё сбоку. Медленно меняй высоту глаза, не поднимая стакан. Запиши, где видимая часть ложки смещается сильнее. Никакой яркий источник света или лазер для этого не нужен.

Что происходит на границе сред

Когда свет падает на границу двух прозрачных сред, обычно происходят два явления одновременно:

• часть света отражается и остаётся в первой среде;
• часть света проходит во вторую среду и может изменить направление.

Преломление света — изменение направления распространения света при переходе через границу раздела двух сред.

Оригинальная схема MediaSchool. Стрелки показывают направление распространения света.

Язык лучевой схемы

В точке падения $O$ проводят нормаль — перпендикуляр к границе сред.

• $α$ — угол падения между падающим лучом и нормалью;
• $β$ — угол отражения между отражённым лучом и нормалью;
• $γ$ — угол преломления между преломлённым лучом и нормалью.

Углы измеряют от нормали, а не от поверхности. Для отражённого луча по-прежнему выполняется $β=α$.

Опыт на оптическом диске

Оригинальная иллюстрация MediaSchool: постановка опыта, а не измерительный результат.

Кабинетный опыт проводит учитель. Совместите центр плоской грани полудиска с центром оптического диска. Для перехода воздух → стекло направьте узкий LED-пучок из воздуха на плоскую грань в её центре. Внутри полудиска преломлённый луч пойдёт к дуге по радиусу и выйдет почти без дополнительного отклонения. Углы $α$ и $γ$ измеряйте у плоской границы. Лазер не используйте; прямой и отражённый пучок в глаза не направляйте.

Только после двух измерений сравни данные с прогнозом. Из воздуха в стекло преломлённый луч поворачивает к нормали: $γ<α$. При увеличении $α$ угол $γ$ тоже увеличивается, но для этой пары сред остаётся меньше $α$.

По одному измерению не выводят числовую формулу. На этом уроке нужна качественная связь между направлением поворота луча и оптической плотностью сред.

Оптическая плотность и скорость света

Из двух сред оптически более плотна та, в которой скорость света меньше. Для видимого света и рассматриваемых здесь сред:

$$v_{\text{возд}}>v_{\text{воды}}>v_{\text{стекла}}.$$

Поэтому:

• из оптически менее плотной среды в более плотную — луч поворачивает к нормали, $γ<α$;
• из оптически более плотной среды в менее плотную — луч поворачивает от нормали, $γ>α$.

Оптическая плотность — не то же самое, что плотность вещества в кг/м³. В этом уроке сравнение относится именно к скорости света в средах.

Два направления перехода

Оригинальная схема MediaSchool.

Ход световых лучей обратим. Если поменять местами источник и приёмник, свет пройдёт по той же линии в обратном направлении. Поэтому правило «к нормали / от нормали» должно давать согласованный результат для обоих переходов.

Особый случай: падение по нормали

Если падающий луч идёт вдоль нормали, то $α=0°$. Направление при переходе не меняется:

$$α=0° \Rightarrow γ=0°.$$

Скорость света в новой среде меняется, но луч не отклоняется в сторону.

Оригинальная схема MediaSchool.

Почему дно кажется ближе

Лучи от предмета при выходе из воды отклоняются от нормали. Глаз мысленно продолжает их назад по прямой и воспринимает предмет выше его действительного положения.

Оригинальная схема MediaSchool: штриховые линии — мысленные продолжения лучей.

Алгоритм построения

1. Подпиши обе среды и направление падающего луча.
2. Отметь точку падения и проведи нормаль.
3. Сравни оптическую плотность сред.
4. При переходе в более плотную среду проведи луч ближе к нормали; в менее плотную — дальше от нормали.
5. Проверь особый случай $α=0°$ и поставь стрелку на преломлённом луче.

Проверь себя

1. Луч идёт из воздуха в стекло. Как соотносятся $γ$ и $α$?
2. Луч идёт из воды в воздух. К нормали или от нормали он поворачивает?
3. Луч падает на воду по нормали. Изменится ли его направление?
4. Почему видимое дно бассейна кажется ближе к поверхности?
5. Вода или стекло даст больший угол преломления при одном угле падения из воздуха?
6. Что обязательно нужно провести в точке падения до сравнения углов?

---

Ответы

1. Стекло оптически плотнее воздуха, поэтому $γ<α$.
2. Из более плотной среды в менее плотную луч поворачивает от нормали; $γ>α$.
3. Нет: при $α=0°$ получаем $γ=0°$.
4. Лучи от дна при выходе из воды отклоняются от нормали; глаз продолжает их прямолинейно назад и видит мнимое положение выше настоящего.
5. В воде: она оптически менее плотная, чем стекло, поэтому при том же $α$ луч в воде отклоняется от нормали меньше и $γ$ получается больше.
6. Нормаль — перпендикуляр к границе сред.

Короткий итог

• Преломление — изменение направления света на границе двух сред.
• Угол преломления $γ$ измеряют от нормали.
• В более оптически плотной среде луч идёт ближе к нормали; в менее плотной — дальше от неё.
• При падении по нормали направление луча не меняется.
• Ход световых лучей обратим.