Изучая законы движения света в различных прозрачных средах, часто используют понятие показателя преломления. В чем заключается смысл физический величины, а также для каких явлений она имеет важное значение, рассматривается в статье.
Преломление света
Когда луч света (в действительности любой волны) проходит через поверхность, ограничивающую две прозрачные среды, то его прямолинейная траектория терпит преломление на этой поверхности. Результатом этого явления является искажение изображения объектов, если они находятся в одной среде, а смотрят на них из другой среды. Например, четкий излом видно, если карандаш поместить в стакан с водой.
Вам будет интересно:Гуманитарный институт СФУ: баллы, факультеты
Математический закон для явления преломления был впервые сформулирован голландским ученым Снеллом в начале 1600 годов. Справедливости ради отметим, что преломлением занимались многие ученые, начиная с греческого философа Птолемея и заканчивая Ньютоном и Декартом. Соответствующая формула имеет вид:
n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2).
Здесь θ1 и θ2 — углы между падающим и преломленным лучами и нормалью, проведенной к поверхности в точке ее пересечения световым лучом. Символами n1 и n2 в формуле обозначены показатели преломления соответствующих прозрачных материалов. В чем заключается смысл физический показателя преломления среды, рассмотрим в следующем пункте.
Показатель преломления (абсолютный)
В физике эта величина вводится как отношение двух скоростей света в разных материалах или в вакууме. Известно, что в безвоздушном пространстве скорость света превышает таковую для любого другого материала. Поэтому она была выбрана за эталон. Обозначая скорость электромагнитных волн в некоторой среде как v, можно записать следующее математическое определение показателя преломления:
n = c/v.
В чем заключается смысл физический показателя преломления света в среде, видно из этой формулы. Величина n показывает, насколько быстрее свет перемещается в безвоздушном пространстве, чем в данной среде.
Из формулы также понятно, что n всегда равен единице или больше нее. Единице он равен для вакуума, а также близок к единице для разряженных газов. Например, для воздуха n=1,00029.
Показатель преломления (относительный)
Помимо введенной выше величины n, существует еще показатель преломления относительный. Применяют его реже в физических расчетах, чем абсолютный.
Используя формулу для абсолютного n, закон Снелла для преломления можно записать в таком виде:
sin(θ1)/v1 = sin(θ2)/v2 =>
sin(θ1)/sin(θ2) = v1/v2 = n12.
Величина n12 называется относительным показателем преломления для рассматриваемых сред.
В чем заключается смысл физический показателя преломления n12? Эта величина показывает, во сколько раз свет в первой среде быстрее, чем во второй. В отличие от абсолютного показателя, относительный может быть как больше единицы, так и меньше нее.
Знание показателя преломления важно для описания явления полного отражения, которое происходит только в оптически более плотной среде, то есть в среде с большим n. Это явление используется в оптических волокнах.
Также показатель преломления важно знать при изготовлении оптических стекол (линз) для микроскопов, телескопов, очков и других приборов.