"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Стеклянная плоскопараллельная пластинка и призма преломляют свет на границах с воздухом. Пластинка имеет параллельные грани, поэтому после выхода луч сохраняет направление падающего, но оказывается сдвинутым в сторону. У призмы грани наклонены друг к другу, и луч меняет направление, отклоняясь к основанию. Эти свойства помогают строить ход лучей и понимать работу оптических приборов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Плоскопараллельная пластинка — прозрачное тело, ограниченное двумя параллельными плоскими поверхностями. Расстояние между этими поверхностями называют толщиной пластинки и обычно обозначают буквой d. Это обозначение понадобится, когда нужно сравнить боковое смещение в пластинках разной толщины.
Боковое смещение луча — расстояние между продолжением падающего луча и лучом, вышедшим из пластинки. Оно показывает не изменение направления, а сдвиг всей линии распространения света. Смещение зависит от толщины пластинки, угла падения и показателя преломления стекла.
Призма — прозрачное тело, ограниченное плоскими поверхностями, которые не параллельны друг другу. В школьных задачах чаще всего изображают треугольную призму с двумя наклонными гранями и основанием. Непараллельность граней приводит к изменению направления луча после выхода.
Угол отклонения — угол между направлением падающего луча и направлением луча, вышедшего из призмы. Он характеризует, насколько призма повернула направление распространения света. Чем больше этот угол, тем сильнее итоговое отклонение луча.
На первой границе пластинки луч переходит из воздуха в стекло и преломляется по закону преломления. В стекле свет распространяется медленнее, чем в воздухе, поэтому луч меняет направление и приближается к нормали — перпендикуляру к поверхности. На второй границе происходит обратный переход из стекла в воздух, и луч снова преломляется.
Грани пластинки параллельны, значит, перпендикуляры к ним тоже параллельны. Поэтому угол, под которым луч подходит к первой грани, связан с углом выхода так, что итоговое направление совпадает с направлением падающего луча. Однако внутри пластинки луч идёт по другой линии, поэтому после выхода он оказывается параллельно сдвинутым.
Боковое смещение становится больше, если увеличить толщину пластинки: луч дольше идёт внутри стекла по наклонному пути. При большем угле падения этот путь тоже даёт более заметный сдвиг относительно продолжения падающего луча. Показатель преломления стекла влияет на угол луча внутри пластинки, поэтому также меняет величину смещения.
В призме луч проходит через две грани, но они наклонены друг к другу. На первой границе луч преломляется при входе в стекло, а на второй — при выходе из него; из-за непараллельности граней эти изменения направления не компенсируют друг друга. В результате вышедший луч отклоняется к основанию призмы.
Величина отклонения определяется формой призмы, прежде всего наклоном её граней и углом при вершине. На результат влияет и угол падения: при его изменении меняются оба преломления. Кроме того, важны показатели преломления воздуха, стекла и других сред, если луч проходит не из воздуха.
| Свойство | Плоскопараллельная пластинка | Призма |
|---|---|---|
| Взаимное расположение преломляющих граней | Грани параллельны | Грани не параллельны |
| Направление луча после выхода | Параллельно падающему лучу | Изменено относительно падающего луча |
| Изменение положения или направления луча | Боковое смещение | Отклонение направления к основанию |
| Факторы, влияющие на результат | Толщина, угол падения, показатель преломления | Форма, угол падения, показатели преломления |
| Как изображают ход луча | Два преломления и параллельный выход | Два преломления и выход к основанию |
Сначала определите, параллельны ли грани, через которые проходит луч. Затем сравните не только направление вышедшего луча, но и его положение относительно падающего.
Таблица помогает не путать боковое смещение с углом отклонения: в первом случае направление сохраняется, а во втором изменяется.
Условие: луч падает на стеклянную плоскопараллельную пластинку под углом. Нужно изобразить его путь и указать направление вышедшего луча.
Ответ: луч выйдет из пластинки параллельно падающему, но с боковым смещением.
Условие: имеются две пластинки из одинакового стекла. Одна толще другой, а углы падения лучей одинаковы. Нужно сравнить боковое смещение.
Ответ: боковое смещение больше у толстой пластинки; направление вышедшего луча в обоих случаях остаётся параллельным падающему.
Условие: луч проходит через стеклянную призму; по чертежу нужно определить сторону отклонения и понять, как изменение угла падения влияет на результат.
Ответ: вышедший луч направлен к основанию призмы, а его угол отклонения зависит от угла падения.
Ошибка — считать, что пластинка совсем не меняет ход луча. Так думают, потому что направление после выхода сохраняется. Проверьте себя: продолжение падающего луча и вышедший луч должны быть параллельны, но не обязаны совпадать.
Ошибка — рисовать вышедший луч непараллельным падающему. Её допускают, забывая, что грани пластинки параллельны и преломления связаны равенством соответствующих углов. Проверьте построение по нормалям к обеим граням.
Ошибка — путать боковое смещение с углом отклонения. Боковое смещение измеряют как расстояние между параллельными линиями, а угол отклонения — как угол между направлениями лучей. Спросите себя, изменилось положение луча или его направление.
Ошибка — направлять отклонение в призме от основания. Это происходит, если учитывать только одно преломление и не прослеживать выход луча. Постройте оба участка пути: итоговое направление должно быть обращено к основанию.
Для этой темы нужны закон отражения и закон преломления света. Также следует различать угол падения, угол преломления и угол выхода, потому что каждый из них измеряют относительно соответствующей нормали.
Изучение пластинки и призмы продолжает тему преломления света. Эти знания применяют при объяснении работы оптических приборов, например систем с призмами, где важно точно изменить или перенаправить ход лучей.
Почему луч после пластинки выходит параллельно падающему?
Грани пластинки параллельны, поэтому нормали к ним также параллельны. Угол выхода луча из стекла в воздух оказывается равным углу падения на первую грань, и направления падающего и вышедшего лучей становятся параллельными.
Почему после пластинки луч всё же оказывается смещённым?
На первой границе луч меняет направление и проходит внутри пластинки по наклонной линии. На второй границе направление возвращается к исходному, но луч выходит из другой точки, поэтому его продолжение не совпадает с падающим лучом.
От чего зависит величина бокового смещения?
Смещение увеличивается при увеличении толщины пластинки и угла падения. Оно также зависит от показателя преломления стекла: чем сильнее стекло преломляет свет, тем заметнее изменение пути луча.
Почему призма отклоняет луч, а пластинка — нет?
У пластинки преломляющие грани параллельны, поэтому два преломления компенсируют изменение направления. У призмы грани не параллельны, и после второго преломления луч уже не возвращается к первоначальному направлению.
В какую сторону отклоняется луч при прохождении через призму?
Итоговое отклонение направлено к основанию призмы, то есть к её более толстой части. Это результат последовательного преломления на двух непараллельных гранях.
3. Прохождение луча света через стеклянную плоскопараллельную пластинку и стеклянную призму
