Преломление света: как меняется угол луча на границе двух сред
При переходе света из воздуха в воду или прозрачный пластик направление луча обычно меняется. Чтобы исследовать преломление, направьте узкий луч на границу сред, отметьте точку входа, проведите нормаль к границе и измерьте от неё угол падения i и угол преломления r. Для перехода из воздуха в воду луч отклоняется к нормали, поэтому r меньше i; при обратном переходе — от нормали, если луч выходит в воздух. Повторите измерение при нескольких углах и занесите пары в таблицу. Угол измеряют от перпендикуляра к поверхности, а не от самой поверхности.
Содержание
Луч может менять направление потому, что скорость распространения света различна в разных прозрачных средах. В школьной геометрической оптике результат описывают законами преломления. Но в лабораторной работе сначала нужны корректные геометрические наблюдения: какая среда была первой, где проведена граница и к какой стороне нормали вы отложили угол.
Цель и оборудование
Цель можно записать так: «Измерить углы падения и преломления света при переходе между двумя прозрачными средами и объяснить направление отклонения луча». Обычно используют световой короб или другой школьный источник узкого луча, прозрачный блок либо сосуд с водой, бумагу, линейку и транспортир. Конкретный прибор и способ разметки задаёт учитель.
Сосуд и прозрачный блок должны стоять устойчиво. Если применяется лазерный луч, соблюдайте правила кабинета: не направляйте его в глаза и на случайные отражающие поверхности. Для разметки достаточно безопасного школьного источника; мощный лазер не делает углы точнее.
Перед опытом нарисуйте границу сред и подпишите их: «воздух» и «вода» или «воздух» и «пластик». Отметьте точку входа луча и проведите нормаль под 90° к границе. На рисунке нанесите стрелки направления света. Если не указать, из какой среды в какую идёт луч, фраза «угол увеличился» окажется неполной.
Как отметить падающий и преломлённый лучи
Направьте луч на первую границу прозрачного блока. Отметьте по двум точкам его направление до границы и по двум точкам направление внутри блока. Не используйте выходящий луч после второй границы вместо преломлённого на первой: в блоке свет обычно проходит через две границы, и его направление меняется дважды. Для исследования одной границы нужно выделить именно пару лучей до и сразу после неё.
Если в приборе виден только внешний входящий и внешний выходящий луч, обратитесь к инструкции или учителю: по ним одним не всегда можно непосредственно измерить угол луча внутри прозрачного тела. На плоскопараллельной пластине выходящий луч при подходящих условиях может быть параллелен падающему, хотя внутри блока направление было другим. Этот результат не означает отсутствия преломления.
После разметки выключите источник и соедините соответствующие точки линейкой. Если блок передвинулся между опытами, границу и нормаль нужно отметить заново. Не «дорисовывайте» внутренний луч под ожидаемым углом, если он не наблюдался или не был получен из данных задания.
Как измерить углы
Поставьте центр транспортира в точку падения. Нулевую линию совместите с нормалью. Сначала измерьте угол между падающим лучом и нормалью в первой среде, затем между преломлённым лучом и нормалью во второй. Оба числа записывают как положительные величины с единицей градус (°).
При переходе из воздуха в воду обычно видно, что луч приближается к нормали: например, угол падения 30°, а угол преломления около 22°. Если свет идёт из воды в воздух, луч отклоняется от нормали, пока возможен выходящий луч. Для перехода между другими средами правило «всегда к нормали» неверно: направление отклонения зависит от их показателей преломления.
При падении вдоль нормали угол i = 0°; направление луча на границе не меняется, хотя скорость распространения в новой среде другая. Это полезная контрольная строка. При больших углах выхода из более оптически плотной среды возможны условия полного внутреннего отражения, когда преломлённого выходящего луча нет. Если такой случай есть в вашей работе, не записывайте выдуманный угол преломления.
Таблица условных наблюдений
Ниже — придуманные учебные значения для перехода из воздуха в среду с показателем преломления около 1,33. Они показывают форму записи; реальные показания зависят от вещества и установки.
| Попытка | Первая среда → вторая | Угол падения i |
Угол преломления r |
Наблюдение |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Воздух → прозрачная среда | 0° | 0° | Луч идёт по нормали |
| 2 | Воздух → прозрачная среда | 30° | около 22° | Луч ближе к нормали |
| 3 | Воздух → прозрачная среда | 45° | около 32° | Луч ближе к нормали |
| 4 | Воздух → прозрачная среда | 60° | около 41° | Луч ближе к нормали |
В собственную таблицу впишите точное название второй среды. Не называйте её «водой», если опыт проводили с пластиком. При измерениях транспортиром значения могут отличаться на градус или больше. Сохраняйте реальные числа и указывайте цену деления прибора.
По таблице можно сделать качественный вывод: с ростом угла падения угол преломления тоже растёт, но для перехода из воздуха в указанную более оптически плотную среду остаётся меньше. Однако простое отношение углов i/r не является постоянным законом преломления. Для количественного анализа используют синусы углов, если это предусмотрено заданием.
Если нужен показатель преломления
Для перехода из воздуха в прозрачную среду в школьном приближении можно оценить её относительный показатель преломления по n ≈ sin i / sin r. Например, при условных i = 30° и r ≈ 22° отношение близко к 1,33. Но округление углов на один градус заметно влияет на результат, особенно при малых углах. Лучше использовать несколько пар измерений и способ обработки, предложенный учителем.
Не подставляйте в синус градусы как обычные числа и не делите 30 на 22. Калькулятор должен работать в режиме градусов, если углы записаны в градусах. Если обе среды отличаются от воздуха, формула с одним n требует уточнения, какой показатель относительно какого рассматривается. Для качественного задания вычислять показатель не обязательно.
Закон преломления также говорит, что падающий луч, преломлённый луч и нормаль лежат в одной плоскости. В опыте на листе бумаги это обычно выполняется конструкцией прибора, но на рисунке стоит отметить нормаль и оба луча. Схема без нормали не позволяет проверить ни закон, ни корректность углов.
Ошибки при объяснении опыта
Самая частая ошибка — измерять угол от поверхности вместо нормали. Если к нормали угол 30°, к поверхности он равен 60°. Эти два числа описывают один и тот же луч, но смешивать их в одной строке нельзя. Вторая ошибка — забыть о второй границе прозрачного блока и сравнить падающий луч с выходящим, а не с лучом внутри.
Не пишите «свет замедлился, поэтому угол всегда уменьшился» без указания направления перехода. При выходе из воды в воздух угол обычно увеличивается, потому что изменяется относительная скорость. И не утверждайте, что на границе всегда исчезает отражённый луч: часть света обычно отражается, даже когда большая часть проходит в другую среду.
Если ваши измерения дают угол преломления больше угла падения при переходе из воздуха в воду, проверьте подписи среды, направление луча, нормаль и точку отсчёта. Если всё отмечено верно, обсудите с учителем точность и особенности установки. Подгонять угол к табличному значению не нужно.
Как написать вывод
Для условной таблицы вывод может быть таким: «При переходе луча из воздуха в прозрачную среду углы падения 30°, 45° и 60° соответствовали углам преломления около 22°, 32° и 41°. В каждом случае луч отклонялся к нормали. Измерения показывают изменение направления на границе сред; численные значения ограничены точностью разметки луча и транспортира». В своём отчёте укажите материалы и собственные пары углов.
Перед сдачей проверьте, что подписаны обе среды и направление света, нормаль проведена в точке входа, углы измерены от неё, а при работе с блоком вы не перепутали первую и вторую границу. Другие оптические опыты перечислены в навигаторе лабораторных работ по физике для 9 класса. Преломление света включено в федеральную рабочую программу по физике.