"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Преломление света — изменение направления луча, когда он проходит через границу прозрачных сред, например из воздуха в воду. В лабораторной работе наблюдают этот переход и измеряют углы падения и преломления относительно перпендикуляра к границе. Сравнение измерений помогает выяснить, как направление отклонения связано с тем, в какую среду входит свет. Этот опыт также показывает, почему нельзя судить о ходе луча только по его отношению к поверхности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Преломление света — изменение направления распространения света при переходе через границу двух прозрачных сред. Луч не исчезает на границе, а проходит в новую среду, хотя его дальнейший путь может стать другим. Это явление наблюдают, например, когда свет входит из воздуха в воду. Понятие нужно, чтобы описывать ход луча в опыте.
Граница раздела сред — поверхность, отделяющая одну прозрачную среду от другой. Именно здесь свет переходит из одной среды в другую, и его скорость распространения меняется. Из-за этого меняется направление луча, если он падает на границу наклонно. На схеме границу проводят линией, а точку встречи с лучом отмечают отдельно.
Угол падения — угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела сред в точке падения. Падающий луч — тот, который идёт к границе до перехода. Перпендикуляр, или нормаль, — прямая, проведённая к поверхности под прямым углом. Отсчёт от неё позволяет сравнивать углы при разном положении границы.
Угол преломления — угол между преломлённым лучом и тем же перпендикуляром. Преломлённым называют луч, который уже прошёл в новую среду. Чтобы измерить угол, находят точку падения, проводят через неё перпендикуляр и прикладывают транспортир к этой линии. Оба угла отсчитывают от одной нормали, но каждый — со своей стороны границы.
Для установки нужны источник узкого светового луча, прозрачное тело или сосуд с исследуемой средой и лист для построения схемы. Разместите их так, чтобы луч попадал на границу, а его путь до и после перехода был виден или его можно было отметить. На листе обозначьте границу и точку падения. Через эту точку проведите перпендикуляр: без него нельзя корректно измерить углы.
Направьте луч на границу под наклоном и отметьте его ход в обеих средах. Затем уберите установку, если это нужно для разметки, и соедините отметки прямыми: так получится схема падающего и преломлённого лучей. Поставьте центр транспортира в точку падения, а его основание совместите с перпендикуляром. Измерьте отдельно угол до границы и угол после неё, записав также, в какой среде находится каждый луч.
Направление луча меняется потому, что в разных прозрачных средах свет распространяется с разной скоростью. При наклонном переходе одна часть светового фронта оказывается в новой среде раньше другой, поэтому направление распространения поворачивается. При переходе из воздуха в оптически более плотную среду луч обычно приближается к перпендикуляру. Если луч направлен точно по перпендикуляру, поворачивать ему некуда: направление не меняется, хотя скорость может стать другой.
Чтобы найти закономерность, сравните углы падения и преломления в каждой паре измерений. Если угол преломления меньше, луч приблизился к перпендикуляру; если больше — удалился от него. Это сравнение имеет смысл только при одинаковом способе отсчёта: оба угла должны быть измерены от нормали. Для обратного перехода между теми же средами направление отклонения обычно меняется на противоположное.
В выводе укажите, между какими средами переходил свет, и опишите направление отклонения относительно перпендикуляра. Затем приведите измеренные углы, которые подтверждают наблюдение, например отметьте, что угол преломления оказался меньше угла падения. Не стоит формулировать правило по одному случайному измерению: сопоставьте несколько пар. Если значения немного расходятся, укажите, что на результат могли повлиять погрешности построения и измерения.
| Переход света | Угол падения | Угол преломления | Направление отклонения луча | Наблюдение |
|---|---|---|---|---|
| Из воздуха в исследуемую среду | Запишите измерение | Запишите измерение | К перпендикуляру или от него | Опишите ход луча |
| Из исследуемой среды в воздух | Запишите измерение | Запишите измерение | К перпендикуляру или от него | Опишите ход луча |
| Падение по перпендикуляру | 0° | 0° | Направление не меняется | Луч идёт вдоль перпендикуляра |
Впишите в пустые графы результаты, полученные именно в вашем опыте: готовых чисел для исследуемой среды нет. Сравните два угла в каждой строке и по их отношению определите направление отклонения. Последняя строка помогает проверить, что при падении по перпендикуляру луч не поворачивает.
Луч падает на границу двух сред под углом 30° к перпендикуляру. На схеме показан преломлённый луч. Определите угол преломления и укажите, какие линии нужно использовать для его измерения.
Сначала найдём точку, в которой падающий луч встречает границу. Через неё проведём перпендикуляр к поверхности раздела. Он будет линией отсчёта для обоих углов, а не сама граница.
Расположим центр транспортира в точке падения, а его основание совместим с перпендикуляром. Теперь определим, где проходит преломлённый луч, уже находящийся в другой среде. Измеряем угол между ним и перпендикуляром.
Данных о наклоне преломлённого луча на словесной схеме нет, поэтому численное значение угла определить невозможно. Значение 30° относится к падающему лучу и не является ответом для преломлённого. Нужна именно показанная на схеме линия преломлённого луча.
Ответ: угол преломления измеряют между преломлённым лучом и перпендикуляром к границе в точке падения; его число считывают с транспортиром по схеме.
Угол падения равен 40°, а угол преломления — 25°. Определите, к перпендикуляру или от него отклоняется луч, и сформулируйте наблюдение.
Проверим, от какой линии отсчитаны оба значения. По условию оба угла измерены к перпендикуляру, поэтому их можно непосредственно сравнить. Угол падения равен 40°, а преломления — 25°.
Угол после перехода меньше: 25° < 40°. Меньший угол между лучом и перпендикуляром означает, что преломлённый луч расположен ближе к этой линии. Значит, он отклонился к перпендикуляру.
Свяжем результат с ходом опыта: свет переходил из воздуха в прозрачный материал, а при таком переходе в обычном случае луч приближается к перпендикуляру. Измеренная пара углов согласуется с этим наблюдением. Само направление установлено сравнением углов, а не величиной 30° между ними.
Ответ: луч отклоняется к перпендикуляру; наблюдение: угол преломления 25° меньше угла падения 40°.
Для перехода света из воздуха в одну и ту же среду получены три пары углов падения и преломления. Нужно описать, как обработать результаты и сделать вывод о закономерности.
Сначала запишем каждую пару в таблицу, сохраняя соответствие между углом падения и углом преломления. Укажем, что во всех опытах свет переходит из воздуха в одну и ту же среду. Это позволяет сравнивать результаты при разных наклонах луча.
Для каждой строки сравним угол преломления с углом падения. Если во всех трёх случаях угол преломления меньше, повторяется тенденция к отклонению луча к перпендикуляру. Если один результат немного отличается, проверим построение нормали и измерение транспортиром, а не будем сразу менять вывод.
Небольшое расхождение возможно из-за толщины луча, неточного проведения линий или ограниченной точности транспортира. Поэтому вывод формулируем по общей тенденции и отмечаем возможную погрешность. Если результаты сильно противоречат друг другу, опыт стоит проверить и повторить.
Ответ: занести три пары в таблицу, сравнить углы в каждой паре и проверить, повторяется ли направление изменения. Вывод о переходе из воздуха в выбранную среду делают по общей тенденции измерений с учётом погрешности.
Измерять угол между лучом и поверхностью границы — ошибка: угол падения и угол преломления отсчитывают от перпендикуляра. Такую путаницу допускают, потому что луч и граница заметны сразу, а нормаль нужно построить. Проверка простая: убедитесь, что основание транспортира лежит на перпендикуляре, а его центр — в точке падения. Угол к поверхности будет дополнительным к углу к нормали, то есть вместе они составляют 90°.
Путать падающий и преломлённый лучи или менять местами их углы легко, если не обозначить, где находится каждая среда. Падающий луч идёт к границе, а преломлённый — от неё в новую среду. Перед измерением проследите путь света и подпишите обе стороны перехода. Проверьте, что угол падения относится к лучу до границы, а угол преломления — после неё.
Нельзя считать, что луч при любом переходе поворачивает к перпендикуляру. Такое обобщение возникает, если наблюдали только один переход, например из воздуха в более оптически плотный материал. При обратном переходе направление отклонения обычно противоположное. Чтобы проверить себя, назовите обе среды и сравните углы, отсчитанные от перпендикуляра.
Вывод по одному измерению может оказаться случайным, а неточное построение заметно повлияет на результат. Сопоставьте несколько пар углов для одного и того же перехода и проверьте, повторяется ли тенденция. Толщина световой полосы и точность транспортира ограничивают точность измерений. Если значения слегка различаются, учитывайте погрешность, а при сильном расхождении проверьте схему и повторите опыт.
Для лабораторной работы пригодится умение проводить перпендикуляр к прямой и измерять углы транспортиром. Знание о прямолинейном распространении света помогает изобразить луч до границы и после неё. Преломление объясняет, почему видимое положение предмета в воде может отличаться от его действительного положения. Это явление также нужно понимать при изучении линз и оптических приборов, которые изменяют ход световых лучей.
Почему угол падения измеряют от перпендикуляра, а не от поверхности?
Перпендикуляр задаёт единое направление отсчёта для падающего и преломлённого лучей. Благодаря этому углы можно правильно сравнивать при разных наклонах границы. Если измерять от поверхности, получатся дополнительные до 90° значения.
Что происходит с лучом, если он падает на границу строго по перпендикуляру?
Луч проходит через границу, не меняя направления. Угол падения равен нулю, и направление распространения после перехода остаётся прежним. Скорость света в другой среде при этом может измениться.
Всегда ли преломлённый луч отклоняется к перпендикуляру?
Нет, направление зависит от перехода между средами. При переходе из воздуха в оптически более плотную среду луч обычно отклоняется к перпендикуляру, а при обратном переходе — от него. Сравнивают именно углы, отсчитанные от перпендикуляра.
Зачем измерять углы при нескольких значениях угла падения?
Несколько измерений позволяют проверить, повторяется ли наблюдаемая закономерность. По одной паре углов нельзя надёжно отличить общую тенденцию от случайной неточности. Результаты для выбранных сред нужно сопоставить между собой.
Почему результаты измерений в лабораторной работе могут немного различаться?
Лучи и линии на листе имеют толщину, а транспортир и разметка дают ограниченную точность. Кроме того, можно немного ошибиться при установке источника или проведении перпендикуляра. Поэтому измерения повторяют и учитывают возможную погрешность.
Лабораторная работа № 13 Изучение явления преломления света
