Преломление света

Вы когда-нибудь замечали, что даже в чистом прозрачном водоёме дно кажется гораздо ближе, чем на самом деле? Или почему алмаз сверкает и переливается гораздо сильнее, чем обычный кусок стекла? Ответ на эти вопросы один — преломление света. При этом, как бы ни менял луч своё направление на границе воды и воздуха, его цвет всегда остаётся неизменным.

Эти удивительные явления объясняются строгими физическими законами, поэтому тему «Преломление света» изучают на протяжении нескольких лет — с 8-го по 11-й класс. Без её понимания невозможно решить многие задачи по геометрической оптике, которые регулярно встречаются на ОГЭ и ЕГЭ.

Эту непростую, но очень важную тему подробно разобрал наш преподаватель по физике Софья Бурулёва — дважды выпускница МГУ и заместитель председателя апелляционной комиссии ЕГЭ и ОГЭ.

Почему глубина любого водоёма кажется меньше, чем она есть на самом деле

Всё что мы видим — результат отражения лучей от поверхностей окружающих нас предметов. Свет — это не только включённая лампочка поздним вечером, но и сложное физическое понятие.

Если рассмотреть свет как поток частиц (корпускул), то можно узнать ряд законов, первым из которых является — прямолинейность распространения. Да, световой луч должен распространятся вдоль прямой линии, но только в однородной среде (в каком-то одном определённом веществе).

Когда мы говорим о водоёмах, для построения изображения, нам приходится иметь дело сразу с двумя однородными средами: воздухом и водой. Оптические свойства данных сред различны, и они характеризуются относительным показателем преломления среды — n. В таком случае, для анализа поведения светового луча нам потребуется следующий закон геометрической оптики — закон преломления (закон Снеллиуса):

n₁sinα=n₂sinβ

Так как вода и воздух обладают различными показателями преломления, то и углы (падающий и преломлённый) будут различны.

А теперь рассмотрим весь путь светового луча с уже известными нам законами:

1. Переход воздух — вода (преломление из-за разных сред).
2. Отражение от любых поверхностей, тел, находящихся в водоёме.
3. Переход вода — воздух (и снова преломление).

Как же при этом наш мозг воспринимает или достраивает данное изображение?

Реальное дно водоёма — точка О, мнимое изображение, воспринимаемое нашими глазами — точка О’. Мозг достраивает изображение таким образом, что «ищет» точку, где как ему кажется, должны пересечься лучи. Продолжая уже преломлённый после перехода в воздух луч, мы получаем точку — мнимое дно водоёма — которая лежит выше, чем реальный объект, что и приводит к «уменьшению» глубины.

Почему алмаз блестит сильнее стекла

В рамках школьного курса физики изучают три основных агрегатных состояния: твёрдые тела, жидкости и газы. Но, уверена, что каждый из вас понимает, насколько многогранен и разнообразен окружающий нас мир! Каждое отдельно взятое агрегатное состояние характеризуется специфическими свойствами и особенностями. Так, например, твёрдые тела способны сохранять свою форму и объём неизменными, благодаря особенности строения — наличию кристаллических решёток. 

Кристаллическая решётка — это не реальный «каркас» внутри любого твёрдого тела, а особенный порядок, согласно которому частицы (молекулы, атомы или ионы) располагаются внутри вещества, создавая упорядоченную структуру. Существуют 4 типа кристаллических решёток: атомная, ионная, металлическая и молекулярная. 

Ярким примером атомной кристаллической решётки является алмаз. Название «атомная» для кристаллической решётки неслучайно. Точки, в которых находятся частицы вещества, называются узлами решётки, для алмаза роль узлов играют атомы углерода, расположенные в определённом порядке. Именно такое строение «создаёт» яркий блеск алмаза при попадании на него света.

Плотная кристаллическая решётка алмаза позволяет световым лучам неоднократно преломляться и отражаться внутри кристалла под разными углами, создавая сияние. Кристалл алмаза ведёт себя как множество маленьких зеркал, многочисленно отражающих световые лучи и приводящих к явлению полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение — это явление, при котором световой луч не переходит из одной среды в другую, а распространяется по границе раздела сред. 

Ещё одной причиной «алмазного сияния» является высокий показатель преломления данного вещества ~ 2,42 (чем выше показатель преломления, тем больше угол отклонения светового луча при переходе из воздуха, например, в алмаз, согласно закону Снеллиуса: n₁sinα=n₂sinβ).

Стекло в свою очередь относится к аморфным телам, то есть занимает промежуточное положение между жидкостью и твёрдым телом. Узлов, аналогичных алмазу, у стекла нет, поэтому световой луч отражается меньшее число раз. Кроме того, стекло имеет более низкий показатель преломления ~1,5 и другой химический состав, что влияет на его способность преломлять и отражать свет.

Почему при преломлении луча света не меняется его цвет

«Каждый охотник желает знать, где сидит фазан!» — считалка, знакомая многим из нас с детства. Но как она связана с физикой?

Данная считалочка — это мнемоническое правило для лёгкого запоминания распределения цветов по частотам и длинам волн: каждому отдельному цвету (красному, оранжевому, жёлтому и т. д.) соответствует своя частота и длина волны.

Красный цвет является самым низкочастотным, в то время как фиолетовый обладает максимальной частотой излучения. За частоту и период волны отвечает источник, будь то фонарик телефона или лазерная указка.

За восприятие человеческим глазом того или иного цвета отвечает частота падающего света. Если световой луч начинает преломляться, то есть изменять направление своего распространения, то происходит изменение длины волны и её скорости.

Преломление наблюдается в том случае, когда луч переходит из одной среды (вещества) в другую. Свет, обладая двойственными свойствами одновременно является и волной, и потоком частиц (корпускулярно-волновой дуализм). Если смотреть на свет, как на поток частиц, то при переходе этого потока в более плотную среду (например, из воздуха в стекло или воду), частичкам сложнее будет двигаться, так как молекулы вещества будут препятствовать их перемещению, поэтому наблюдается изменение скорости (уменьшение). Если теперь посмотреть на свет, как на волну, то более плотная среда как будто «сжимает» световую волну, уменьшая её длину.

Частота же, как и период остаются неизменными до тех пор, пока мы не заменим источник. Только он (источник) определяет данные характеристики света!

При этом не стоит забывать о таком важном явлении как дисперсия — разложение сложного белого света на составляющие цвета. Для понимания данного явления представляем радугу и продолжаем разбираться.

Белый свет состоит из всех цветов спектра. Если лучи белого света переходят из одной среды в другую (например, попадают на капельку воды), то нам необходимо помнить о законе преломления. Оптические свойства данных сред (воздуха и воды) различны, и они характеризуются относительным показателем преломления среды — n. Так как каждый отдельный цвет имеет свои характеристики, то падая под одним и тем же углом на капельку воды, они приобретут различные углы преломления, исходя из закона геометрической оптики — закона Снеллиуса:

n₁sinα=n₂sinβ 

Именно поэтому и появляется весь цветовой спектр — радуга.

Почему тему «Преломление света» изучают в 8–11-х классах

Рассмотрим данный вопрос с двух сторон:

1️⃣ Значимость темы «Преломление света»

Радуга, закаты и восходы, мерцание звёзд и даже «сломанная» ложка в стакане чая — всё это окружающие нас явления, которые перестают быть магией, как только мы познакомились с физикой и изучили поведение светового луча в различных средах. 

Переходя от бытовых наблюдений к научным открытиям, нельзя не отметить оптоволокно — кабель из тонких нитей из кварцевого стекла или пластика, внутри которого информация «передаётся» за счёт преломляющегося светового луча и явления полного внутреннего отражения. Именно благодаря данному открытию у нас существует быстрая и стабильная связь. 

2️⃣ Возрастные особенности

По мере учебного развития школьника тема «Преломление света» становится всё обширнее, интереснее и сложнее. Так в 8-м классе ребята знакомятся с базовыми понятиями данного раздела, учатся «строить» движение светового луча и его отклонение при переходе из одной среды в другую, формируя основы понимания оптических явлений.

На следующий учебный год, когда школьники обладают более обширными знаниями из курса геометрии, «Преломление света» пополняется законом Снеллиуса, а также новыми физическими величинами (абсолютным и относительным показателями преломления).

К 11-му классу ребята, имея широкую физическую базу, начинают делать акценты на более практически-значимых темах — явление полного внутреннего отражения, преломление света в плоскопараллельных пластинах и призмах, взаимосвязь геометрической оптики и волновой.

Таким образом, изучение преломления света в разные возрастные периоды позволяет систематизировать знания, развивать аналитические навыки и показывать связь теоретических «оптических» концепций с реальными явлениями.

В каких заданиях ОГЭ и ЕГЭ встречаются задачи на преломление света

ОГЭ

В заданиях ОГЭ по физике преломление света затрагивается при рассмотрении оптических явлений, анализе рисунков и решении задач, связанных с оптическими приборами. Например, линзами. Вопросы формулируются по-разному: какие-то задачи анализируют, в каких устройствах происходит отклонение луча, а какие-то — спрашивают о свойствах преломления луча на границе раздела двух сред, например, воздух — стекло. 

Задание №3 — распознавание явление

Пример:

Любителям порыбачить с помощью копья важно учитывать, что видимое положение рыбы не соответствует её реальному положению. Какое физическое явление объясняет наблюдаемое смещение положения тела под водой?

1. преломление света;
2. рассеяние света;
3. дисперсия света;
4. поглощение света.

Задание №10 — вычислительная задача, электромагнитные явления

Пример:

На рисунке изображен ход падающего на линзу луча. Какая из линий — 1, 2, 3 или 4 — соответствует ходу прошедшего через линзу луча?

Задание №13 — описание изменений физических величин

Пример:

Красный луч света переходит из воздуха в воду. Как изменяются при этом скорость распространения светового луча и частота световой волны? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. увеличивается;
2. уменьшается;
3. не изменяется.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Скорость распространения света	Частота световой волны

Задание 2 части экзамена — №19 (качественная задача)

Пример:

На белой бумаге написано красными чернилами слово. Через стекло какого цвета не удастся прочесть написанное? Ответ поясните.

ЕГЭ

Задачи на преломление света входят и в комплект заданий ЕГЭ по физике:

№13 проверяет умение находить показатель преломления по углам падения и преломления. А также рассчитывать относительный показатель, анализировать ход лучей в разных средах. 

№25 включает сложные расчётные задачи на тему «Геометрическая оптика». Ключевую роль здесь играет анализ преломления света при прохождении собирающей или рассеивающей линзы, а также с использованием тел различной формы и различной оптической плотности.

Для успешного решения заданий на тему «Преломление света» как в рамках ОГЭ, так и в рамках ЕГЭ, необходимо досконально изучить законы геометрической оптики, поведение световых лучей при распространении в различных средах и явления, характеризующие сложную природу света.