ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Отражение света. Наблюдения показывают, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Прямая, указывающая направление распространения света, называется световым лучом.

На границе раздела двух сред свет может частично отразиться и распространяться в первой среде по новому направлению, а также частично пройти через границу раздела и распространиться во второй среде.

В большей или меньшей мере отражение света происходит от любых предметов, поэтому мы видим все освещенные тела.

Закон отражения. Как показывают наблюдения, при отражении света всегда выполняется закон отражения: луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол отражения равен углу падения (рис. 259).

Рис. 259-260

Этот закон совпадает с законом отражения для волн любой природы и может быть получен как следствие принципа Гюйгенса. Может показаться, что закон отражения может быть успешно объяснен и корпускулярной теорией света. Действительно, при ударе о пол упругого мяча угол отражения также равен углу падения, поэтому свет можно представить себе как поток частиц, испытывающих упругие столкновения с поверхностью раздела двух сред. Но эта гипотеза не может объяснить, почему свет почти не испытывает отражения от поверхности твердого стекла или даже алмаза, но полностью отражается тончайшей пленкой серебра или жидкой ртутью. Электромагнитная теория света объясняет эти факты. Стекло и алмаз - диэлектрики, а диэлектрики прозрачны для электромагнитных волн. Тонкий слой серебра или другого металла, нанесенный на лист стекла, делает этот лист непрозрачным для электромагнитных волн. Падающая электромагнитная волна возбуждает в проводящем слое вынужденные колебания свободных электронов с частотой, равной частоте колебаний вектора напряженности электрического поля в электромагнитной волне. Эти колебания электронов и порождают отраженную электромагнитную волну. Таким образом объясняется способность зеркала отражать падающий на него свет.

Преломление света. Волновая теория света объяснила и явление преломления света. Наблюдения показывают, что при переходе света из одной среды в другую может происходить изменение направления распространения света - преломление света.

В XVII в. был экспериментально установлен закон преломления света: падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.

Обозначим угол падения , угол преломления (рис. 260), тогда закон преломления света получит выражение

(77.1)

где - постоянная величина для двух данных сред, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Экспериментально установленный закон преломления света получает объяснение на основании принципа Гюйгенса. Согласно волновым представлениям преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую, а физический смысл показателя преломления - это отношение скорости распространения волн в первой среде к скорости их распространения во второй среде :

(77.2)

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды:

(77.3)

где - скорость света в вакууме, - скорость света в данной среде. Абсолютные показатели преломления всех веществ больше единицы. Это значит, что скорость распространения света в любом веществе меньше скорости распространения света в вакууме.

Для двух сред с абсолютными показателями преломления и относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды. Действительно, так как

и ,

то (77.4)

Из двух сред та среда, которая обладает меньшим значением абсолютного показателя преломления, называется оптически менее плотной средой. Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения .

При переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду угол преломления оказывается больше угла падения (рис. 261).

Рис. 261

Полное отражение. При наблюдении явления преломления света можно заметить, что наряду с преломлением происходит и отражение света от границы раздела двух сред; при увеличении угла падения интенсивность отраженного луча увеличивается. В случае перехода света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, например из стекла в воздух, при постепенном увеличении угла падения можно достигнуть такого его значения , при котором угол преломления должен стать равным = 90° (см. рис. 261). При этом выполняется равенство

Опыт показывает, что при достижении такого значения угла падения интенсивность преломленного луча становится равной нулю: свет, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается от нее.

Угол падения , при котором наступает полное отражение света, называется предельным углом полного отражения. При всех углах падения, больших и равных , происходит полное отражение света.