58.Закони заломлення світла. Тонка лінза.

Другий головний закон геометричної оптики - закон заломлення світла: якщо середовище за межею з двох середовищ прозоре для світла, то окрім відбиття можна спостерігати заломлення світла (рис.6.11). Закони заломлення були відкриті дослідним шляхом декілька століть назад а принципом Гюйгенса, і формулюються так:

1) падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр у точці падіння променя лежать в одній площині.

2) відношення синуса кута падіння і синуса кута заломлення є сталою величиною для розділюваних двох середовищ:

,                (1)

де ₁ - швидкість світла в першому середовищі; ₂ - швидкість світла в другому середовищі; n₂₁ - відносний показник заломлення світла у другому середовищі відносно першого.

Якщо першим середовищем є вакуум, то показник заломлення називають абсолютним. Абсолютні показники заломлення визначено для всіх середовищ і занесено до таблиць.

Оскільки i , де с - швидкість світла у вакуумі, то

.                   (2)

Фізичний зміст показника заломлення визначили лише після того, як закони заломлення були отримані а принципом Гюйгенса. Відносний показник заломлення показує у скільки разів швидкість світла в одному середовищі є більшою за швидкість в другому. Тепер закон заломлення можна записати таким чином:

.

Середовище з більшим абсолютним показником заломлення називають оптично більш густішим, а з меншим - оптично менш густим. Якщо світло з оптично менш густого середовища переходить у більш густе, промінь буде "притискатись" до перпендикуляра (a > b).

Якщо ж світло переходить із більш оптично густого середовища в менш густе, то промінь світла буде відхилятись від перпендикуляра (a < b) (рис. 6.12).

Закон заломлення світла дозволяє пояснити цікаве і практично важливе явище - повне відбиття світла. Якщо збільшувати кут падіння a, то досягнувши граничного значення кута a (назвемо його кутом повного внутрішнього відбиття), b = 90°. При цьому куті падіння і більших кутах заломлений промінь вже не може проникнути в друге середовище, а відбивається - відбувається повне внутрішнє відбиття світла (рис. 6.13).

Якщо a = a₀, то b = 90? і , sin 90? = 1      - граничний кут повного внутрішнього відбиття.

Явище повного внутрішнього відбиття легко спостерігати на простому досліді. Наллємо в склянку воду і піднімемо її дещо вище рівня очей. Поверхня води, якщо розглядати її знизу крізь склянки, здається блискучою, неначе срібною, це і буде з явищем повного внутрішнього відбивання світла.

Повне внутрішнє відбиття використовують у волоконній оптиці. Це явище зумовило революцію в передаванні інформації, широко використовується в медицині.

Показник заломлення n не залежить від кута падіння променя, але залежить від його кольору. Цю залежність відкрив Ньютон. Вимірювання показують, що фіолетового кольору на декілька відсотків n є більше ніж червоного (для більшості видів скла). Ця залежність - n = f(l) - входить до закону заломлення світла, тому кут заломлення b фіолетових променів значно більший, ніж для червоних променів. Фотони з різними довжинами хвиль від межі двох середовищ відбиваються під різними кутами. Так, якщо на скляну призму спрямовувати вузький білий пучок світла, то на екрані виникнуть лінії спектра (рис. 6.14).

Явище залежності показника заломлення від довжини світлової хвилі називають дисперсією світла детально вивчали. Спектр за допомогою кристалічних призм (із кварцу, алмазу тощо). Досліди показали, що з обох боків спектра розміщено ділянки ультрафіолетового і інфрачервоного (іч) спектрів. Ультрафіолетовий спектр має підвищену біологічну дію, викликає засмагу, вбиває патогенні бактерії, може розкладати молекули на частинки під час поглинання. Промені ультрафіолетового діапазону знайшли застосування в медицині, техніці, науці. Інфрачервоні промені випромінюють всі тіла, зокрема тіло людини випромінює хвилі довжиною 10 мкм. З підвищенням температури тіла випромінюють більш короткі інфрачервоні хвилі, а при температурі 600 - 700 °С - видимі промені.

Випромінювання спектрів дає можливість точно визначати хімічний склад речовин. Це є важливим для різних галузей фізики.

Вивчаючи явище дисперсії, Ньютону вдалось правильно пояснити природу світла. Білі предмети відбивають усі кольори спектра, а чорні предмети поглинають усі кольори спектра. Якщо не відбивається світло, то це сприймається оком як чорний колір.

Предмет освітлений тим або тим кольором тоді, коли він більше відбиває якийсь один колір, а всі інші кольори поглинає.

Лінзою називають прозоре тіло, обмежене з обох боків сферичними поверхнями (одна з поверхонь може бути плоскою).