На границе сред происходит много интересных оптических явлений. Одно из них – отражение света, когда падающий на границу луч отражается от границы под тем же углом в той же плоскости. Другое важнейшее явление – явление преломления света. От отражения оно отличается тем, что падающий луч проникает за границу, но движется уже в ином направлении. Классический опыт, демонстрирующий преломление, каждый может проделать сам. Достаточно налить воды в стакан с прозрачными стенками и опустить в него любой стержень, например, карандаш. Тогда карандаш будет казаться изогнутым. Миражи в пустынях и на дорогах объясняются тем же самым. Посмотрите на рисунок, иллюстрирующий природу миража:
В слое воздуха возле земной поверхности имеется градиент температуры. В результате этого плотность воздуха также непрерывно изменяется. Подающий на этот слой луч света испытывает множественные преломления, в результате чего начинает напоминать кривую линию, а глаз видит не только сам предмет, но также его отражение от земной поверхности в другом месте. В жаркую погоду водители нередко наблюдают «зеркала» на дорогах.
Закон преломления света
Помимо качественного описания преломления были определены и количественные закономерности данного явления:
- Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости.
- Отношение синусов углов падения и отражения есть величина постоянная и зависящая только от характеристик сред. Данное отношение называется — «показатель преломления».
Эти идеи проиллюстрированы рисунком:
Если взять плоскопараллельную пластинку, то преломленный через нее луч будет выглядеть так:
Любопытно, что преломляясь, свет движется таким образом, чтобы минимизировать время прохождения через пластинку. Данный факт (принцип Ферма) не случаен, а является частным случаем фундаментального закона природы – принципа наименьшего действия, который, насколько мы знаем, не имеет исключений ни в одной области физики. Это значит, что скорость распространения света в разных средах не одинакова. Из принципа Ферма следует, что показатель преломления можно записать и так:
Полное отражение света
С рассматриваемой темой связано одно интересное явление – так называемое «полное отражение». Что это такое? Если луч попадает из среды, где скорость света меньше, в среду, где скорость света больше, то для определенного диапазона углов падения угол преломления оказывается таким, что свет снова возвращается в ту же среду:
Попадающий в стеклянную пластинку свет словно «блуждает» в ней – это и есть явление полного отражения – и отраженный и преломленный лучи отказываются переходить через границу.