Квант

49

Преломление света

Кандидат физико-математических наук
С. А. ГОРДЮНИН,
П. Л. ГОРБКОВ

Вспомним основные законы геометрии световых лучей.

В однородной проэрачной среде свет распространяется прямолинейно. Оптической характеристикой среды является ее показатель преломления n>1n > 1, указывающий, во сколько раз скорость света в среде меньше скорости света в вакууме. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной (или просто более плотной).

При падении луча света на границу раздела двух сред он разделяется на два луча (в общем случае разной интенсивности) — на отраженный и преломленный (лучи 1′1' и 22 на рисунке 1), лежащие в одной плоскости с парающим. При этом угол γ\gamma между нормально к границе раздела и отраженным лучом (угол отражения) равен углу α1\alpha_1 между нормально и лучом падающим (углу падаения). Угол падаения α1\alpha_1 с углом преломления α2\alpha_2 (т. е. углом между нормально и преломленным лучом) связаны соотношением, называемым законом Снеглиуса:

n1sin⁡α1=n2sin⁡α2.n_1 \sin \alpha_1 = n_2 \sin \alpha_2.

В этом законе очевидным образом содержится факт обратности световых лучей: если луч падает из первого среды под углом α1\alpha_1, то он поддет во второй среде под углом α2\alpha_2, а если луч падает из второй среды под углом

50

α₂, то он пойдет в первой среде под углом α₁.

Если луч переходит из менее плотной среды в более плотную (рис. 1, а), он прижимается к нормали (α₂ < α₁), а если из более плотной в менее плотную (рис. 1, б), то удаляется от нормали (α₂ > α₁). Набольший угол падения (90°) имеет скользывание лучи, поэтому преломленный луч в более плотной среде (n₂ > n₁) не может составлять с нормально угол, больший α₀ = arcsin (n₁/n₂). Наоборот, при переходе из более плотной среды в менее плотную лучи, падающие под углами, большими α₀, будут полностью отражаться. Вот почему этот угол называется углом полного отражения. Математически это проявляется в том, что уравнение (*) не имеет решений для α₁ при α₂ > α₀ и n₂ > n₁.

Эти явления наглядно можно представить себе следующим образом. Если закрыть непрозрачным экраном всего поверхности раздела сред, оставив лишь небольшое отверстие, и освещать экран рассеянным светом, содержащим лучи всех направлений, то в более плотной среде все лучи, проходящие через отверстие, будут сосредоточены в конусе с углом 2α₀ (рис. 2, а). Его часто называют конусом полного отражения. Вне этого конуса будет темно. Если же на некотором расстоянии h от плоской границы в более плотной среде помещить точный источник света, то наблюдаемый, смотрый из менее плотной среды, увидит освещенной не всю поверхность раздела, а только круг радиусом (рис. 2, б)

R=htgα0=hn1n22−n12.R = h \mathrm{tg} \alpha_0 = \frac{hn_1}{\sqrt{n_2^2 - n_1^2}}.

Итак, из закона преломления световых лучей (*) следует два фундаментальных факта — наличие полного отражения и непрямолинейное расстройнение света в недорогой среде. Расстоянием второй факта подробнее.

Наболее просто исследовать ход луча в слоистой среде, в котором показатель преломления меняется вдоль одной какой-то оси координат (например, X). Такую среду можно представить как набор тонких пластинок с определенными показателями преломления nᵢ. На границах раздела выполняется соответствие.

n₁ sin α₁ = n₂ sin α₂ = … = nₙ sin αₙ, поскольку угол преломления в каждой является углом падения для следующого слоя (рис. 3, а). Другими словами, вдоль выбранного направления выполняется соответствие.

n(x) sin α(x) = const.

Этот важный и красный закон (его называют обобщенным законом Снеллиуса) указывает на то, что наличие промежуточных слов не сказывается на связи между углом падения из первой среды и углом преломления в последней. Если, конечно, луч вообще должно до последней среды, а не поворачивает, испытав полное отражение (рис. 3, б). Именного прелому при расчете различных оптических систем можно не учитывать наличиные тонких прослоек между средами — слоев kleя между линзами в сложных объективах, стеклянных стенок сосудов, в которых налита вода, и т. п.

Теперь решим несколько конкретных задач. Большинство из них взяты из вариантов преломных экзаменов

51

в Московский физico-технический институт.

Задание 1. Луч света падает на плоскопарелльную пластину толщиной H=1H=1 см из стека с показателем преломления n=1,73n=1,73 (рис. 4). Из-за многократных отраждений от граней пластинки на экране Э образуется ряд светых пятен. Наидите расстояние между пятнами, если угол nadения α=60∘\alpha=60^\circ, а nadющей луч перепendlukулярен преломости экрана. Плоскость nadения луча совпадает с плоскостью рисунка.

После однократного преломления на обеих гранах пластинки луч выходит из пластинки параллельно парашющему лучу. Поскольку при дальнейших отраждениях и преломлениях углы nadения на грани одинаковы, все попадание на экран лучи параллельны парашющему. Расстояние dd между этими лучами, равное расстоянию между пятнами на экране, найдем из рисунка:

d=ACcos⁡α, AC=2H tgβ,d = AC \cos \alpha, \ AC = 2H \ tg \beta,

tgβ=sin⁡β1−sin⁡2β, sinβ=sin⁡αn,tg \beta = \frac{\sin \beta}{\sqrt{1-\sin^2 \beta}}, \ sin \beta = \frac{\sin \alpha}{n},

откуда

d=Hsin⁡2αn2−sin⁡2α≈0,58 см.d = \frac{H \sin 2\alpha}{\sqrt{n^2-\sin^2 \alpha}} \approx 0,58 \text{ см.}

Задание 2. Оцените ошибку при фиксировании углового положения звезды, видимой с Земли под углом β=45∘\beta=45^\circ над горизонтом. Показатель преломления воздуха у поверхности Земли n=1,0003n=1,0003.

Положение звезды, видимое с Земли, отличается от истинного из-за преобразования лучей atmosферы. Толщина atmosферы, т. е. высота, на котором практически нет воздуха и поэтому показатель преломления равен единице, составляет несколько десятиков километров. Это гораздо меньше, чем радиус Земли, поэтому в данном случае можно считать atmosферу плоской. Ее показатель преломления последно изменяется от единицы у верхних слоев до значения n>1n>1 у поверхности Земли. От звезды идут параллельные лучи, показание на верхние слоны atmosферы под углом π/2−α\pi/2-\alpha, где α\alpha — истинное угловое положение звезды над горизонтом. А мы видим звезду под углом β>α\beta>\alpha (рис. 5). По закону преломления в слоностой среде

sin⁡(π2−α)=nsin⁡(π2−β),\sin \left( \frac{\pi}{2} - \alpha \right) = n \sin \left( \frac{\pi}{2} - \beta \right),

или

cos⁡(β−(β−α))=(1+(n−1))cos⁡β.\cos \left( \beta - (\beta - \alpha) \right) = (1 + (n-1)) \cos \beta.

Учитывая, что n−1≪1n-1 \ll 1 и поэтому β−α≪β\beta-\alpha \ll \beta, приближение имеет:

cos⁡β+(β−α)sin⁡β=cos⁡β+(n−1)cos⁡β.\cos \beta + (\beta-\alpha) \sin \beta = \cos \beta + (n-1) \cos \beta.

Таким образом,

β−α=(n−1) ctg β=3⋅10−4 rad≈1′.\beta-\alpha = (n-1) \text{ ctg } \beta = 3 \cdot 10^{-4} \text{ rad} \approx 1'.

Задание 3. В равноведренной прямой стеклянной призме, сделанной из стека с показателем преломления nn, основание AC и боковая грань BC — гладкие, а грань AB — матовая (рис. 6). Призма стоит на газете. Какую часть текста (по площади) будет видеть наблюдатель, смотрицей через гладкую грань BC?

В этой задаче речь идет о рассматривании предмета, находящогося с

53

n=43n = \frac{4}{3}

Очень существенно, что в окончательное выражение величины угла падения α\alpha не вошла; значит, все лучи пучка соберутся в одной точке. Это один из законов параксиальной оптики — узкие лучи параллельных лучей собираются преломляющей системе в одной точку — фокус (или в одной точке собираются их продолжения — минимый фокус). Второй закон оптики параксиальных лучей состоит в том, что расходящейся из одной точки под малыми углами лучи фокусируются преломляющей системе тоже в одной точку (с той же оговоркой относительно минимого изображения). На этих законах основано решение задач, где один из оптических элементов является глаз, который из-за малой величины зрача фокусирует лучи, падающие на него под малыми углами. В существии поэтому мы и видим точку как точку, а не как протяженный источник.

Задча 5. Если смотреть на капитлярную стеклянную трубку сбоку, то видимый внутренний радиус будет равен rr. Каково истинное значение этого радиуса? Показатель преломления стека nn. Внешний радиус капитlara много больше внутреннего.

Пусть OCOC — линяя, соединяющая глаз и центр трубки, AA — крайняя точка внутреннего диаметра капитlara (рис. 8). Расстояние от изображения (minimal) точки AA до оси OCOC равно видимому радиусу внутреннего канала rr.

Мы знаем, что все лучи, расходящие из точки AA под малыми углами, после преломления соберутся в одной точке. Поскольку нас интересует не точное местоположение этой точки, а только ее расстояние от OCOC, достаточно рассмотретьход только одного луча ABDABD, такого, который на выходе из капитляра идет параллельно оси OCOC — ведь изображение точки AA будет лежать на его продолжении (см. рис. 8). Расстояние между лучами BDBD и OCOC равно rr, искомое расстояние AO=r0AO = r_0. Так как внешний диаметр велики по сравнению с внутренним, угол падения α\alpha будет мал.

Из треугольника OEBOEB

r=Rαnr = R\alpha n

(R — внешний радиус трубки). Из треугольника OABOAB, с учетом малости α\alpha,

r0=Rα.r_0 = R\alpha.

Таким образом,

r0=rn.r_0 = \frac{r}{n}.

Упражнения

  1. В толще стека с показателем преломления n=1,4n = 1,4 создана плоскопараллельная пластина толщиной d=3d = 3 см с другими оптическими свойствами. Зависимость показателя преломления этой пластины от координаты xx показана на графике (рис. 9). При каких углах падения α\alpha узкого пучка света на эту пластину пучок пройдет пластину насвободы?