Закон преломления света

Проходя из одной прозрачной среды в другую, свет изменяет направление распространения, или преломляется. Самый очевидный пример этому вы найдете, опустив в напиток трубочку. В древности люди наблюдали это на прозрачных бутылях с водой. Так что же такое мы видим?

Коэффициент преломления алмаза — 2,4. Один из самых высоких показателей среди встречающихся в природе минералов. Грани образуют такую структуру поверхностей, что проходящий через них свет многократно преломляется и отражается, создавая дорогой блеск бриллианта.

Законом отражения мы обязаны Герону Александрийскому, который наблюдал, как луч света падает на спокойную гладь воды. Ученый заметил, что луч отражается от этой глади под тем же углом, что и падает, хотя и с другой стороны воображаемой вертикальной линии. Именно поэтому отражение формирует в зеркале наш образ так, что левая сторона оказывается справа и наоборот.

Ученые открыли похожий закон и для преломления — изменения направления распространения света при прохождении его через границу раздела двух сред. Например, воздуха и стекла. Аль-Хайсам и другие ученые уже пытались анализировать, как свет проходит через закругленную поверхность, такую как стекло чаши, хотя там невозможно выделить единый угол падения. Чем больше начальный угол падения (от центральной линии), тем больше отклонение луча света. Именно поэтому стеклянные бокалы действуют как линзы, фокусируя параллельные лучи света в одной точке.

Если луч света падает на границу раздела двух сред под углом больше критического, он вовсе не испытывает преломления и отражается обратно. Это явление, называемое внутренним отражением, заставляет сверкать грани драгоценных камней и делает блестящей гладь океана.

Закон Снеллиуса

В 984 году персидский ученый Ибн Сахл придумал, как рассчитать угол преломления, используя уже тогда известные соотношения. Однако нам этот закон известен как «закон Снеллиуса» в честь голландца Виллеброрда Снелла (печатался под латинизированным именем Снеллиус), вновь открывшего его в 1621 году. Для применения этого закона нам необходимо знать коэффициенты преломления всех сред, которые на самом деле представляют собой соотношение скоростей света в данной среде и вакууме (его показатель равен 1).

В конечном итоге оказалось, что преломление и вызывается тем, что свет меняет свою скорость, проходя через границу раздела двух сред. Если свет падает под нулевым углом (т.е. вертикально), то преломления нет. Он проходит границу, не изменяя направления, хотя и меняя скорость. Падающий под углом свет меняет направление, поскольку одна часть луча пересекает границу и меняет скорость раньше другой. Свет, попадающий в среду с более высоким коэффициентом преломления, отклоняется на меньший угол. Если показатель второй среды меньше, то на больший угол.

Угол преломления вычисляется по закону Снеллиуса: n1 и n2 — это коэффициенты преломления двух сред, 1 — это начальный угол, или угол падения, 2 — это конечный угол, или угол преломления. Когда свет покидает вторую среду, то в расчетах надо просто поменять среды местами.