Преломление света

Определения и обозначения

Преломление света — изменение направления света при переходе из одной прозрачной среды в другую. Например, луч может перейти из воздуха в воду и пойти уже не по прежней прямой. Это понятие помогает описать, почему свет ведёт себя по-разному в воздухе, воде и стекле.

Преломлённый луч — луч, который продолжает путь во второй среде после перехода через границу. Падающий луч направлен к границе, а преломлённый — от неё, уже внутри другой среды. Это название помогает не перепутать две части пути света.

Угол падения — угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе сред в точке падения. Перпендикуляр — воображаемая линия, которая образует с границей прямой угол. Угол падения нужен, чтобы точно описать, как луч подходит к поверхности.

Угол преломления — угол между преломлённым лучом и тем же перпендикуляром. Его сравнивают с углом падения, чтобы увидеть, насколько изменилось направление света. Оба угла отсчитывают от одной линии, поэтому их можно правильно сопоставить.

Как это устроено

В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно, но при переходе в другую среду условия его движения меняются. Например, вода и воздух по-разному взаимодействуют со светом, поэтому части луча у границы могут менять направление неодинаково. В результате весь луч поворачивает, и это явление называют преломлением. Изменение направления связано именно с переходом между средами, а не с тем, что свет «натыкается» на границу как на препятствие.

Чтобы точно описать путь луча, сначала отмечают место, где он встречает границу, — точку падения. Через неё проводят перпендикуляр к границе: это вспомогательная линия, направленная под прямым углом к поверхности. Угол между падающим лучом и перпендикуляром называют углом падения, а между перпендикуляром и лучом во второй среде — углом преломления. Так выбрано потому, что поверхность может быть наклонена, а перпендикуляр даёт удобное и единое направление для сравнения углов.

Когда свет идёт из воздуха в воду или стекло, луч обычно отклоняется к перпендикуляру. При переходе обратно, из воды или стекла в воздух, он обычно отклоняется от него. Причина в том, что свет распространяется в этих средах по-разному; при переходе меняется направление его движения. Слово «обычно» важно: мы описываем правило для перехода между названными средами и наклонного падения, а не утверждаем, что луч всегда поворачивает одинаково.

Если луч падает на границу точно по перпендикуляру, он идёт вдоль этой линии. Тогда при переходе в другую среду ему не нужно поворачивать в сторону: он продолжает двигаться по прежнему направлению. Среда всё равно меняется, но направление луча остаётся тем же. Поэтому проверяя, есть ли отклонение, нужно посмотреть не только на то, что луч пересёк границу, но и на угол его падения.

Преломление можно заметить в обычной жизни. Подводная часть ложки кажется сдвинутой относительно части над водой, а сама ложка выглядит изогнутой. Свет от предмета меняет направление на границе воды и воздуха, и глаз воспринимает лучи так, будто они шли прямо. Поэтому видимое положение предмета не всегда совпадает с его настоящим положением.

Как описывают преломление света

Сначала найдите, где луч встречает границу, затем определите, в какую сторону он продолжает путь. Таблица помогает отличить падающий луч от преломлённого и не забыть, откуда измерять углы. При сравнении переходов учитывайте, в какую среду направлен свет.

Разбор задач

Задача 1. Луч света переходит из воздуха в воду. Объясните, почему его направление может измениться.

1. Определим, что происходит: луч переходит из одной прозрачной среды, воздуха, в другую — воду.
2. В разных прозрачных средах свет распространяется по-разному. Поэтому при пересечении границы меняется направление движения луча.
3. Такое изменение направления называют преломлением. Для перехода из воздуха в воду луч обычно поворачивает к перпендикуляру к границе.

Ответ: направление может измениться, потому что свет переходит из воздуха в воду, где распространяется иначе; это преломление.

Задача 2. На рисунке показаны граница воздуха и воды и падающий луч. Проведите перпендикуляр в точке падения и отметьте угол падения.

1. Найдём точку падения — место, где падающий луч встречает границу воздуха и воды. Перпендикуляр нужно провести именно через эту точку.
2. Проведём линию под прямым углом к границе. Она может быть направлена вверх или вниз; важно, чтобы угол с поверхностью был прямым.
3. Найдём угол между падающим лучом и перпендикуляром. Это и есть угол падения, поэтому дугу или обозначение ставим у этого угла, а не между лучом и границей.

Ответ: перпендикуляр проходит через точку падения под прямым углом к границе, а угол падения расположен между ним и падающим лучом.

Задача 3. Луч идёт из воздуха в воду, а затем из воды в воздух. Сравните, в какую сторону относительно перпендикуляра отклоняется луч в каждом случае.

1. Для обоих переходов найдём границу сред и проведём к ней перпендикуляр. Направление отклонения будем сравнивать именно с этой линией.
2. При переходе из воздуха в воду луч обычно отклоняется к перпендикуляру: угол преломления становится меньше угла падения.
3. При обратном переходе — из воды в воздух — луч обычно отклоняется от перпендикуляра. Здесь угол преломления становится больше угла падения.

Ответ: из воздуха в воду луч обычно поворачивает к перпендикуляру, а из воды в воздух — от него.

Типичные ошибки

Ошибка: измерять угол падения от поверхности. Так делают, потому что луч и граница хорошо видны, а вспомогательную линию легко забыть. Но определение угла требует перпендикуляра к границе в точке падения. Проверьте себя: сначала проведите перпендикуляр, затем найдите угол между ним и падающим лучом.

Ошибка: путать падающий и преломлённый лучи. Оба обозначают части пути одного света, поэтому их названия могут смешаться. Падающий луч направлен к границе, а преломлённый продолжает путь во второй среде. Проследите направление стрелки: до точки встречи — падающий, после перехода — преломлённый.

Ошибка: считать, что луч всегда отклоняется в одну сторону. Такое впечатление возникает, если помнить только один пример, например переход из воздуха в воду. Направление зависит от того, из какой среды и в какую переходит свет. Для проверки назовите обе среды и сравните луч с перпендикуляром.

Ошибка: думать, что луч обязательно поворачивает при любом переходе. Часто преломление представляют как обязательный поворот на границе, но это не так. Если луч падает точно по перпендикуляру, он продолжает путь без изменения направления. Проверьте, не совпадает ли падающий луч с перпендикуляром: если совпадает, бокового отклонения нет.

Связь с другими темами

Для изучения преломления нужно знать, что свет распространяется прямолинейно в однородной прозрачной среде, и уметь представлять световой луч. Эти знания помогают проследить путь света до границы и после неё. Преломление объясняет, почему предметы в воде кажутся смещёнными, и помогает понять работу линз, очков и оптических приборов. Линзы используют изменение направления света, чтобы получать нужное изображение.

Что запомнить

• При переходе из одной прозрачной среды в другую свет может изменить направление.
• Луч, перешедший во вторую среду, называют преломлённым.
• Углы падения и преломления отсчитывают от перпендикуляра к границе сред.
• При переходе из воздуха в воду или стекло луч обычно отклоняется к перпендикуляру.
• При переходе из воды или стекла в воздух луч обычно отклоняется от перпендикуляра.
• При падении по перпендикуляру луч продолжает путь без изменения направления.