Преломление света - Оптические явления

Физический словарик

Рефракция (от лат. refractio - преломление) - искривление направления распространения световых волн из-за неоднородности среды.

Историческая справка

Закон, которому подчиняется преломление, пытались найти сначала греческие, а позже арабские ученые. Вителлий, поляк по происхождению, живший в Италии в XIII в., обнаружил свойство обратимости световых лучей: углы между лучами и перпендикуляром к поверхности не зависят от того, с какой стороны свет пересекает преломляющую поверхность. Но автором закона преломления считается голландец Виллеброрд Снелль (Снеллиус), экспериментально открывший его в 1621 г.

Снелль утверждал, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно. Впоследствии было обнаружено, что чем оптически плотнее вещество, тем больше это отношение. Постоянную величину назвали показателем преломления.

Интересные факты

1. Немало помех в Арктике создает рефракция, вызванная разностью температур нижних слоев воздуха и воды. Луч зрения, проходя через среды разной плотности, преломляется в горизонтальном и вертикальном направлениях, искажая наблюдаемые на горизонте предметы. Вследствие рефракции видимый горизонт понижается или, что бывает чаще, повышается. Признаком появления миража обычно служит волнообразное дрожание горизонта, возникновение в атмосфере легкой мглы.

Ход лучей при наблюдении верхнего (а) и нижнего (б) миражей:

Ход лучей при наблюдении верхнего миража

Ход лучей при наблюдении нижнего миража

2. Многие слышали легенду о «Летучем голландце», в существование которого в прошлые века верили моряки всего земного шара, - призрачном парусном судне необычайно больших размеров без видимой команды на борту. Оно внезапно появлялось, безмолвно плыло, не отвечая на сигналы, и также внезапно исчезало. Встреча с «Летучим голландцем» считалась роковой, надо было ждать шторма или другой беды.

Что же в действительности представлял собой «Летучий голландец»? Это был, без сомнения, верхний мираж, т. е. изображение какого-либо обыкновенного парусного судна, находящегося где-то далеко за горизонтом, а его увеличенное и искаженное изображение появлялось в воздухе. Теперь «Летучий голландец» в виде парусного судна уже не появляется, поскольку парусные суда стали редкостью. Увидеть же миражи судов, плывущих за видимым горизонтом, можно довольно часто. (По книге С. В. Зверевой «В мире солнечного света».)

3. Оазисы в Сахаре редки. Когда перед измученным долгой дорогой путешественником возникают на горизонте желанные очертания оазиса, проводник-араб лишь отрицательно качает головой. Он знает, что до оазиса еще десятки километров пути под палящим солнцем, а то, что путник «видит» собственными глазами, всего лишь мираж. Этот оптический обман порой вводит в заблуждение даже опытных людей. Бывалые путешественники, прошедшие по пескам не один экспедиционный маршрут и не один год изучавшие пустыню, случалось, тоже становились жертвами миражей. Во власть миража попадали иной раз и опытные проводники караванов. Однажды 60 человек и 90 верблюдов погибли в пустыне, следуя за миражом, который увлек их на 60 км в сторону от колодца.

4. В 1118 г., в царствование короля английского Генриха I, на небе появились одновременно две полные луны, одна - на западе, а другая - на востоке. В том же году король победил в битве.

5. В 1157 г. в Италии появились три солнца, а посередине луны был виден белый крест; понятное дело, летописец это тотчас связал с раздорами, сопровождавшими избрание нового Папы римского.

6. В 1532 г. около Инсбрука видели в воздухе чудесные изображения верблюдов, волков, изрыгающих пламя, и, наконец, льва в огненном круге...

7. У берегов Сицилии над морем на восходе солнца часто появляются сказочные дворцы, воздушные башни и замки, люди-великаны, гигантские деревья и животные; они сходятся и расходятся, догоняют один другого, изменяют свои формы, одна картина сменяется другой. Наконец, бывает и так: находясь у горизонта, солнце вдруг начинает изменять свой вид. Круглый его диск превращается в треугольник, через секунду мы видим его уже в виде гриба, затем солнце принимает форму яйца. Изменяется цвет солнца, особенно заметны переливы красного и оранжевого цветов. Мало того, солнце еще танцует - то поднимается, то исчезает из глаз, то появляется вновь...

Качественные задачи и вопросы

1. Может ли скорость в какой-либо среде быть больше 300 000 км/с? (Нет.)

2. Мы наблюдаем свет через стеклянную банку. Сколько раз преломился световой луч на пути до нашего таза? (Свет преломился 4 раза)

3. Свет идет от Солнца. Сколько раз он преломляется? (Ответить на этот вопрос невозможно, так как плотность атмосферы постоянно изменяется. Сколько раз меняется плотность атмосферы, столько раз преломляется световой луч.)

Оптические иллюзии

На равные ли отрезки разделена эта прямая? (Да.)

Круг ли это? (Да.)

Задачи для любителей истории

1. Из свидетельства русского летописца: «В 7293 г. (т. е. в 1785 г. по нашему летосчислению) явилось знамение в именитом граде Ярославле, с утренних часов стоял... круг до полудня с тремя солнцами, и при них к полудню явился второй круг, в нем крест с короною, и солнце мрачное, и под большим кругом явилось подобное радуге».

Как объяснить описанное летописцем явление? (Атмосфера Земли находится в постоянном движении. Ледяные кристаллики, опускаясь и поднимаясь в потоках воздуха, то подобно зеркалу отражают, то подобно призме преломляют падающие на них солнечные лучи. В результате появляются на небе ложные солнца и другие обманчивые картины.)

2. В 1815 г. произошло знаменитое в истории наполеоновских войн сражение при Ватерлоо. В книге «Атмосфера» К. Фламмарион приводит свидетельство жителей бельгийского города Вервье о том, что они видели в этот день на небе вооруженных людей - артиллеристов. Между Ватерлоо и Вервье 105 км. И вот что удивительно: мираж передал очертания далеких предметов так, будто до них рукой подать. В Вервье заметили даже, что у одной пушки сломано колесо!

Где чаще всего можно наблюдать миражи? Объясните происхождение миража. (Чаще всего миражи наблюдаются в пустынях. Они возникают при необычном распределении плотности воздуха по высоте, когда на некоторой высоте имеется сравнительно тонкий слой очень теплого воздуха. Этот слой играет роль воздушного зеркала, отражающего попадающие в него световые лучи.)

3. 1242 год. На льду Чудского озера с тевтонскими рыцарями, закованными в железо, яростно сражались воины Александра Невского. В разгар сражения темная северная часть небосвода стала светлеть. Свет был необычный. Как будто где-то за горизонтом зажглась гигантская свеча, пламя которой, колеблемое ветром, вот-вот готово погаснуть. Затем небо прорезал длинный зеленый луч и тут же пропал. Через мгновение над горизонтом появилась светящаяся зеленоватая дуга. Она становилась все ярче и ярче, поднималась все выше и выше. Вдруг из нее вылетел сноп ярких подвижных лучей - красноватых, бледно-зеленых, фиолетовых. Необычный свет озарил снег, воинов... «Небесное знамение!» - заговорили русские, крестясь.

Какое физическое явление наблюдали воины на Чудском озере? (Полярное сияние.)

Физические эксперименты

1. Наблюдение преломления света на границе воздух - вода, воздух - бензин, воздух - масло.

Приборы и матер и ал ы: три прозрачных стакана; сосуды с водой, бензином, маслом; тела разной формы; стеклянная палочка.

Задание: опустите стеклянную палочку в сосуды с водой, бензином, маслом и посмотрите на стакан сбоку и сверху. Что происходит при этом со стеклянной палочкой? Зарисуйте увиденное.

Опустите на дно сосудов какое-нибудь тело и посмотрите на него сверху Что вы наблюдаете? Сделайте вывод.

Номер опыта	Наблюдение сбоку	Наблюдение сверху
1 2 3	Стеклянная палочка кажется сломанной на границе жидкость - воздух	Палочка делится на две части

Вывод: лучи на границе двух оптически прозрачных сред преломляются.

2. Наблюдение преломления света в стекле.

Приборы и материалы: две-три стеклянные призмы; лазерная указка; экран; лист белой бумаги; транспортир.

Задание: положите призму на бумагу и направьте на одну из граней луч указки, карандашом прочертите ход лучей в стекле. Дополнив рисунок изображением призмы, измерьте углы падения (α₁) и преломления (α₂) и рассчитайте показатель преломления п стекла. (При необходимости используйте таблицы синусов.) Повторите эксперимент со следующей призмой. Сделайте вывод.

	При входе в призму		При выходе из призмы
Номер опыта	угол падения, град.	угол преломления, град.	угол падения, град.	угол преломления, град.
1	60	45	30	37
2	60	35	40	74

Вывод: имеет место равенство n₁sinα₁ = n₂sinα₂

Проверка знаний и умений.

Индивидуальные карточки-задания*

1	2
Постройте преломленный луч, если первая среда - воздух, а вторая - вода. Ответ:	Постройте преломленный луч, если первая среда - стекло, а вторая - вода. Ответ:
3	4
Постройте ход лучей в средах: Ответ:	Постройте ход лучей в средах: Ответ:

* При решении задач пользоваться таблицей синусов.