Углы падения и преломления света. Коэффициент преломления

Если луч света на своем пути сталкивается с поверхностью другой прозрачной среды, то он не отражается от нее (хотя бы частично), а продолжает движение уже в ней. Однако в этой другой среде луч обычно меняет свое направление.

Так если пустить световой луч из воздуха в воду, то на границе двух сред он немного изменит свое направление и в воде пойдет под иным углом.

Смена направления луча света при переходе из одной прозрачной среды в другую называется преломлением, или рефракцией.

Угол между перпендикулярной прямой к границе двух сред (нормали) и лучом в воде уменьшится. Это угол преломления — γ. Угол между нормалью и падающим лучом — это угол падения — α.

Изменение направления луча связано с разной плотностью сред. Вода по сравнению с воздухом более плотная среда, свет в ней распространяется медленнее. Так как свет — это волна, то это приводит к изменению его направления.

Если световой луч выходит из воды в воздух, то он снова меняет свое направление. В данном случае угол между лучом и перпендикуляром к границе сред увеличится. Если луч изначально шел из воздуха в воду, а потом вышел из воды в воздух, и обе границы сред параллельны друг другу, то угол луча станет таким, каким был до входа в воду. Луч выйдет из воды параллельно тому, как он вошел в нее, но будет лежать на другой прямой из-за того, что в воде он менял свое направление.

Таким образом, при переходе светового луча из менее плотной среды в более плотную угол падения больше угла преломления (α > γ). При его переходе из более плотной среды в менее плотную угол падения меньше угла преломления (α < γ).

Если луч падает перпендикулярно к границе раздела сред, то угол падения будет равен углу преломления (α = γ = 0°). То есть, можно сказать, преломления не произойдет. Углы падения и преломления всегда лежат в одной плоскости.

Кроме пары сред воздух-вода, также можно привести примеры пар других прозрачных сред, в которых луч преломляется из-за их разной плотности. Например, вакуум-воздух, воздух-стекло и др.

Понятно, что с увеличением угла падения, увеличивается угол преломления (даже если он меньше угла падения). Однако отношение углов падения и преломления не сохраняется. То есть если угол падения был 20° и его увеличить в 2 раза, то это не значит, что угол преломления, который, допустим, был 15° также увеличится в 2 раза.

Однако для определенной пары двух сред всегда сохраняется отношение синусов углов падения и преломления. То есть sin α / sin γ = const. Это отношение называется показателем преломления для двух сред и обозначается буквой n (коэффициент преломления).

Если в качестве угла α всегда брать угол движения луча в менее плотной среде, то чем больше n, тем сильнее преломление для данной пары сред.

Преломление света, падающего из вакуума в газ, мало. Так для воздуха n составляет 1,00029. То есть луч почти не преломляется, приходя к нам из космоса. Однако уже для воды коэффициент преломления равен 1,33, для различных видов стекол - от 1,5. Сильно преломляет свет алмаз (2,42), то есть угол луча меняется почти в 3 раза (если преобразовать отношение синусов к отношению углов).

Чем больше коэффициент преломления вещества, тем больше его оптическая плотность.