Рефракция света

С данным явлением мы сталкиваемся постоянно, например, когда опускаем трубочку в стакан с водой, то кажется, как будто она поменяет свой наклон и изменился её диаметр.

 

Еще одним примером этого явления является мираж – ложные изображения удаленных объектов. Первое научное объяснение этого явления связано с египетским (1799 г.) походом Бонапарта. Тогда впервые было дано объяснение этому явлению, это сделал один из участников экспедиции, французский математик и геометр Гаспар Монж.

Преломление света с физичеcкой точки зрения можно объяснить следующим образом: рассмотрим падение плоской волны на границу, разделяющую две прозрачные однородные диэлектрические среды с показателями преломления n₁ и n₂. Будем считать, что граница представляет собой плоскость (так как в пределах бесконечно малой области любую поверхность можно считать плоской). Будем также считать, что сама граница раздела свет не поглощает.

После прохождения границы раздела двух сред падающая плоская волна (луч S) разделяется на две волны: проходящую во вторую среду (луч S”) и отраженную (луч S’).

 

Преломление и отражение света на границе двух сред.

На рисунке N – вектор нормали к поверхности в точке падения единичной длины (|N|=1). Поместим начало координат в точку падения. Определим следующие величины:

Угол падения i – это угол между лучом S, падающим на преломляющую или отражающую поверхность, и нормалью N к поверхности в точке падения.

Угол преломления r – это угол между преломленным лучом S” и нормалью N к поверхности в точке преломления.

Угол отражения i’ – это угол между отраженным лучом S’ и нормалью N к поверхности в точке отражения.

Явление рефракции подчиняется следующим законам:

,

где n – абсолютный показатель преломления среды, табличная величина;

v – скорость света в данной среде (м/с);

c – скорость света в вакууме (м/с).

Словосочетание «абсолютный показатель преломления среды» часто заменяют «показатель преломления среды».

,

где n₁₂ – показатель преломления первой среды относительно второй (относительный показатель преломления); n₁ и n₂ – абсолютные показатели преломления первой и второй сред соответственно, табличные величины.

,

где n₁₂ – показатель преломления первой среды относительно второй (относительный показатель преломления); v₁ и v₂ – скорости света в первой и второй средах соответственно (м/с).

При произвольном угле падения i (кроме i =0  или π/2) коэффициенты отражения от границы раздела двух изотропных диэлектриков различны для s- и р-волн: R_s >- R_p. Поэтому, если падающая волна не поляризована, то отраженная и преломленная волны частично линейно поляризованы. В отраженной волне преобладают колебания вектора Е, перпендикулярные к плоскости падения (s-поляризация), а в преломленной — колебания вектора Е, совершаю­щиеся в плоскости падения (р-поляризация). В случае отсутствия поглощения степени поляризации обеих волн соответственно равны:

где , s-волн, а  и  — то же самое для p-воли.и  — интенсивности отраженной и преломленной

Если угол падения удовлетворяет условию

 

то R_p = 0 и отраженный свет полностью поляризован в плоскости падения (закон Брюстера). Угол i₀ называется углом Брюстера. При угле Брюстера

i_o + r_o = π/2, т. е. отраженный и преломленный лучи взаимно перпенди­кулярны. В этом случае

 

и степень поляризации преломленного света достигает максимального значения

 

Степень поляризации ∆ проходящего света может быть значительноповышена путем многократного отражения и преломления в стопеплоскопараллельных плас­тин, установленныхтак, что угол падения света равен i₀. В отсутствие поглощения для стопы, состоящей из N плас­тин,

, где         

Поляризованная p-волна при падении на границу раздела диэлектриков под углом Брюстера совершенно не отражается и дает только преломленную волну.

При полном внутреннем отражении плоскополяризованного света (n₂₁ <1 иi ≥ i_np) между s- и p-компонентами отраженной волны возникает разность фаз ∆φ, _s и ∆φ_s:обу­словленная различием разностей фаз соответствующих компонент отраженной и падающей волн ∆φ

 

В результате отраженная волна оказывается эллиптически поляризованной. При полном внутреннем отражении, соответствующем углу i_пр, sin(i) = п₂₁, ∆φ_p=∆φ_s, т. е. плоcкополяризованный свет остается таким же. При ∆φ_p-∆φ_s=π2 и  отраженный свет циркулярно поляризован и граница раздела диэлектриков действует по­добно «пластинке в четверть волны».

 

Преломление света используется в оптических измерительных приборах (спектрометрах, монохроматорах и т.д.), системах передачи информации, в обработке драгоценных камней, в оптике, фото и видеотехнике и т.д.