Чем больше угол падения лучей тем больше
§ 67. Преломление света. Закон преломления света
Рассмотрим, как меняется направление луча при переходе его из воздуха в воду. В воде скорость света меньше, чем в воздухе. Среда, в которой скорость распространения света меньше, является оптически более плотной средой.
Таким образом, оптическая плотность среды характеризуется различной скоростью распространения света.
Это значит, что скорость распространения света больше в оптически менее плотной среде. Например, в вакууме скорость света равна 300 000 км/с, а в стекле — 200 000 км/с. Когда световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды с разной оптической плотностью, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе сред (рис. 144). Это явление называется преломлением света.
Рассмотрим преломление света подробнее. На рисунке 145 показаны: падающий луч АО, преломлённый луч ОВ и перпендикуляр к поверхности раздела двух сред, проведённый в точку падения О. Угол АОС — угол падения (α), угол DOB — угол преломления (γ).
Луч света при переходе из воздуха в воду меняет своё направление, приближаясь к перпендикуляру CD.
Вода — среда оптически более плотная, чем воздух. Если воду заменить какой-либо иной прозрачной средой, оптически более плотной, чем воздух, то преломлённый луч также будет приближаться к перпендикуляру. Поэтому можно сказать, что если свет идёт из среды оптически менее плотной в более плотную среду, то угол преломления всегда меньше угла падения (см. рис. 145):
Преломление света. Закон преломления света
Урок 41. Физика 8 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Преломление света. Закон преломления света»
На прошлых уроках мы говорили о том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Если пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду. Это явление называется отражением света.
Однако, свет, падая на границу раздела двух сред, не только отражается от неё, но и частично проходит во вторую среду и распространяется в ней. И сегодня мы с вами рассмотрим это явление более подробно.
Для начала проведём такой опыт. Возьмём стакан с водой, опустим в него карандаш так, чтобы он был расположен вертикально. Изменив угол наклона увидим, что на границе воды и воздуха карандаш кажется переломленным.
Это объясняется тем, что световой пучок при переходе из одной среды в другую изменяет направление распространения.
Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.
Преломление света вы можете наблюдать, когда опускаете ложку в стакан с чаем, входите в воду в реке или в море.
А каким законам подчиняется преломление света? Чтобы ответить на этот вопрос, проведём такой опыт. В центре оптического диска закрепим тонкую стеклянную пластинку и направим на неё узкий пучок света.
Часть света отразиться от пластинки, а часть света проникает через пластинку. Этот луч света называется преломлённым лучом.
Угол между перпендикуляром, восставленным к границе раздела двух сред в точке падения луча, и преломлённым лучом называется углом преломления.
Сравнив углы падения и преломления, мы видим, что угол преломления меньше угла падения.
Увеличим угол падения — угол преломления тоже увеличивается, но по-прежнему он меньше угла падения.
Если стекло заменить, например, водой и пустить световой луч под тем же углом, что и на стеклянную пластинку, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле, но всё равно меньше угла падения.
Различие углов падения и преломления обусловлено тем, что стекло, вода и воздух имеют разную оптическую плотность.
Не путайте оптическую плотность с плотностью вещества. Есть вещества, у которых плотность меньше, чем плотность воды, например, скипидар. В то же время скипидар оптически более плотный, чем вода. Дело в том, что оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность.
Следовательно, оптическая плотность стекла больше, чем оптическая плотность воздуха, так как скорость распространения света в нём меньше.
Рассмотрим ещё один пример. Стеклянный сосуд, на дне которого находится плоское зеркало, заполним водой, подкрашенной флюоресцирующей жидкостью.
На поверхность воды под некоторым углом к ней направим пучок света. Он изменяет своё направление, поскольку вода — среда оптически более плотная, чем воздух.
Из опыта видно, что при переходе света из воздуха в воду угол падения больше угла преломления, а при переходе из воды в воздух угол падения меньше угла преломления.
На основании проделанных опытов мы можем сделать следующие выводы. Во-первых, если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения. То есть преломлённый луч как бы прижимается к перпендикуляру
Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. То есть преломлённый луч прижимается к границе раздела двух сред. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отражённого лучей, но и для падающего и преломлённого лучей.
И вновь обратимся к опыту. В центре оптического диска закрепим сосуд с водой и направим на него узкий пучок света. Будем менять угол падения света и следить за изменением угла преломления.
При изменении угла падения, угол преломления тоже меняется и соотношение между углами не сохраняется. Однако, если составить отношение синусов углов падения и преломления, то мы увидим, что оно остаётся постоянным:
Таким образом, для любой пары веществ можно записать, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:
Эту величину называют относительным показателем преломления для двух сред. Чем он больше, тем сильнее преломляется свет на границе раздела двух сред.
Мы уже говорили, что преломляющая способность вещества зависит от его оптической плотности, которая, в свою очередь, зависит от скорости распространения света в веществе. Таким образом, относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой по ходу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде:
Если свет падает из вакуума в вещество, то вводится величина, называемая абсолютным показателем преломления. Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше чем в данной среде.
Теперь мы можем сформулировать закон преломления света: лучи, падающий и преломлённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к границе раздела двух сред. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:
Отметим и то, что когда луч падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, он не испытывает преломления, что можно подтвердить опытом:
Разумеется, что не будет преломления и на границе, разделяющей две среды с одинаковой оптической плотностью, т. е. на границе раздела сред, в которых скорость света одинакова.
Пример решения задач.
Задача. На дне водоёма глубиной 3 м находится источник света. На какой глубине увидит источник света наблюдатель, если он смотрит с лодки вертикально вниз, а показатель преломления воды равен 1,33?
Что такое преломление света? Закон преломления света: формулировка, формула
Когда вы наблюдаете за чайной ложкой через стенку стакана, создается впечатление, что она больше и в верхней части как бы сломана. Когда вы пытаетесь выловить какой-либо предмет, лежащий на дне водоема, вы обычно не находите его именно там, где ожидали. Это примеры, в которых вы сталкиваетесь с явлением преломления света. Можете ли вы применить его на практике?
Когда свет проходит через границы между различными средами (воздух, стекло, вода и т.д.), он преломляется. Именно поэтому мир выглядит так странно, если смотреть на него через толстый кусок изогнутого стекла — например, ножку бокала.
Явление преломления света
Проведем опыт по наблюдению явления преломления света на границе двух сред.
Что вам понадобится?
Инструкция.
Вывод.
Как в воздухе, так и в воде луч лазерного излучения прямолинеен. Однако на границе двух сред (в нашем случае воздуха и воды) мы видим, что лазерный луч четко меняет свое направление. Это явление называется преломлением.
Помните! Преломление света — это явление изменения направления распространения света на границе двух прозрачных сред.
Рис. 1. Угол падения и угол преломления в явлении преломления света
Причиной явления преломления является изменение скорости распространения света при переходе из одной среды в другую. Если скорость распространения света в первой среде больше, чем в той, в которую проходит свет, то угол преломления (β) меньше угла падения (α) (см. рисунок 3).
Рис. 3. Если скорость распространения света в первой среде (v1) больше, чем во второй среде (v2), то угол падения (α) больше угла преломления (β)
Когда скорость распространения света в первой среде меньше скорости распространения света во второй среде, в которую проходит свет, то угол преломления больше угла падения (см. рисунок 4).
Рис. 4. Скорость распространения света и явление преломления
Если скорость распространения света в первой среде (v1) меньше, чем во второй среде (v2), то угол падения (α) меньше угла преломления (β).
Рис. 5. Когда угол падения равен нулю градусов преломление отсутствует
Явление полного внутреннего отражения
Когда луч света падает на границу между двумя средами, при определенных углах падения происходит явление полного внутреннего отражения. Чтобы это произошло, свет должен перейти из первой среды, в которой скорость распространения света меньше, во вторую среду, в которой эта скорость выше, например, из воды или стекла в воздух.
Явление полного внутреннего отражения — явление, иногда наблюдаемое при переходе из среды, в которой скорость распространения света ниже, в среду, в которой скорость света выше. Увеличение угла падения сопровождается одновременным увеличением угла преломления. При значениях больше определенного угла, называемого предельным углом (αпр), лучи света перестают проходить в другую среду и полностью отражаются.
Луч света, падающий на границу двух сред, может претерпевать полное внутреннее отражение, когда свет переходит из среды, в которой скорость распространения света v1 меньше, в среду, в которой скорость распространения света v2 больше (v1 
Рис. 6. Полное внутреннее отражение
Преломление света в плоскопараллельной пластине
Плоскопараллельная пластина — это оптически однородный блок материала (стекло, оргстекло), прозрачный для световых лучей и имеющий по крайней мере две плоские поверхности, параллельные друг другу. Когда свет проходит через плоскопараллельную пластину, он преломляется дважды — один раз при входе и один раз при выходе из пластины. После выхода из пластины луч продолжает движение параллельно пути падающего луча и, таким образом, не отклоняется.
Плоскопараллельные пластины нашли практическое применение, а понимание хода светового луча в них позволило объяснить некоторые явления, происходящие в природе.
Преломление света в линзах
Линза — это специально отшлифованное твердое прозрачное вещество, ограниченное сферической, параболической или цилиндрической поверхностью. Линзы обычно изготавливаются из стекла, пластика, некоторых минералов (кварц, сапфир) и парафина.
Задача линзы как простого оптического устройства — преломлять проходящий через нее свет. Линзы могут собирать и рассеивать свет. Соответственно, мы называем их собирающими и рассеивающими линзами.
Рис. 8. Классификация линз по форме ограничивающих их поверхностей
Примером собирающей линзы является двояковыпуклая линза, а рассеивающей — двояковогнутая линза. Для объективов, предназначенных для использования в газовой среде (т.е., например, в воздухе, а не под водой), собирающие линзы тоньше по краям и толще в центре, а рассеивающие линзы, наоборот, тоньше в центре, чем по краям.
Применение линз.
Линзы, благодаря своим свойствам, нашли широкое применение в качестве элементов сложных оптических систем. Давайте, однако, начнем обсуждение их применения с оптической системы, которой большинство из нас пользуется каждый день, а именно с глаза.
Взяв за образец строение глаза, была сконструирована камера, объектив которой состоит из нескольких или даже более чем десятка линз.
Очки предназначены для коррекции нарушений зрения, таких как близорукость, дальнозоркость или астигматизм, путем фокусировки или рассеивания световых лучей.
Лупа — это простой оптический прибор, который может создавать как минимум в три раза увеличенные изображения предметов. Лупа — это обычная собирающая линза. Она используется, например, в филателии или нумизматике, полиграфии, ювелирном или часовом деле.
Оптический микроскоп — это еще один инструмент, в котором используются линзы. Назначение микроскопа — наблюдение близко расположенных объектов небольшого размера под большим увеличением. В микроскопе используется система из двух объективов — объектива и окуляра. При правильном их сочетании можно получить увеличение до 1500 раз. Чтобы понять, насколько велико это увеличение, давайте представим, что мы наблюдаем объект длиной 1 см. В микроскопе его изображение может достигать 15 м.
Линзовый телескоп (рефрактор) — это редко используемый сегодня астрономический инструмент, состоящий полностью из линз. Как и телескоп, впервые построенный Галилеем в 1609 году, он состоит из трубки, содержащей собирающую линзу объектива и рассеивающую линзу окуляра.
Сегодня для астрономических наблюдений мы используем так называемые рефлекторы, в которых для сбора света используются наборы зеркал и опорных линз.
Закон преломления света
Исходя из приведенной формулы можно сделать вывод, что:
« Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред! Чем больше показатель преломления, тем сильнее преломляется луч при переходе из одной среды в другую. »
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Исходя из написанного выше, можно сделать следующие выводы:
Интересный факт! Почему даже на мелководье, оставив в стороне наши охотничьи навыки, мы не можем охотиться на рыбу с заостренной палкой?
Ответ прост! Когда вы наблюдаете за рыбой, плавающей под поверхностью воды, у вас создается впечатление, что она находится на продолжении лучей, попадающих в ваш глаз. Однако это не так, поскольку свет, выходящий из воды, преломляется на границе вода-воздух. Рыба находится совсем не там, где вы ее видите.
Закон отражения света
Отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения.
Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению падающего луча, как того и требует закон.
Закон отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа Ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).
Ключевым моментом в этом законе является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. Для плоской поверхности, например, плоского зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок параллельных лучей света. Если такой пучок отразится от плоской поверхности, все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.
Однако имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные отражения самих себя.
Закону отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио, СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему, например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется всё тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.
§ 40. Тепло в атмосфере (2)
Почему утром и вечером холоднее, чем днём. Почему в тропиках теплее, чем на полюсе.
Каждый день Солнце восходит, поднимается до максимальной высоты, затем снижается и, наконец, скрывается за горизонтом.
Чем меньше угол падения солнечных лучей на Землю, тем меньше тепла она получает.
Внимательно рассмотрите рисунок 90. Утром, днём и вечером солнечные лучи падают на поверхность Земли под разными углами. Поэтому одно и то же количество тепла приходится на разную площадь поверхности. Максимальный нагрев поверхности происходит в солнечный полдень — когда Солнце достигает наибольшей высоты над горизонтом. Это подтверждают наблюдения за суточным ходом температуры воздуха. Однако на нагревание воздуха от поверхности Земли нужно время, поэтому наибольшие температуры в течение суток отмечаются обычно через два часа после полудня.
Температура воздуха в течение суток может сильно меняться. Над океанами и морями суточная амплитуда температур обычно невелика — всего 1—2 °С. Над засушливыми степями и пустынями она достигает 20 °С и выше. Наличие понижений в рельефе (котловины, горные долины) увеличивает величину суточных колебаний температуры, а растительность (особенно лесная) и облачность уменьшают. Вспомните, что иногда в прогнозе погоды вы слышите: «В течение дня температура воздуха существенно не изменится». Так бывает в облачные пасмурные дни, потому что облака задерживают излучение тепла от поверхности Земли, и воздух охлаждается значительно медленнее.
СУТОЧНЫЙ ХОД ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ЗАВИСИТ ОТ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛА ПАДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ В ТЕЧЕНИЕ СУТОК.
Почему в тропиках теплее, чем на полюсе
Вспомните, как Солнце освещает нашу планету: его лучи «упираются» в экватор и «скользят» у полюсов.
Угол падения солнечных лучей зависит от широты местности.
— Чем дальше от экватора и чем ближе к полюсам, тем ниже стоит Солнце над горизонтом.
— Чем ниже стоит Солнце над горизонтом, тем меньше угол падения солнечных лучей на поверхность Земли (рис. 91).
— Чем меньше угол падения лучей, тем меньше солнечной энергии — света и тепла — приходится на единицу площади поверхности Земли.
В дни равноденствий на всей Земле день равен ночи. Поэтому количество солнечной энергии, приходящейся на единицу площади, зависит в этот день в основном от широты местности (от высоты Солнца). В другие дни играет роль и продолжительность солнечного сияния: ведь на разных широтах разная длина светового дня.