В предыдущем параграфе мы познакомились с явлением отражения света. Однако, когда световой луч достигает границы раздела двух прозрачных сред (например, воздуха и воды или воздуха и стекла), он не только отражается, но и частично проходит во вторую среду, изменяя при этом свое направление. Это явление называется преломлением света.

Преломление света — это изменение направления распространения светового луча при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Почему же свет меняет свое направление? Дело в том, что в разных средах свет распространяется с разной скоростью. Например, в вакууме скорость света максимальна и равна примерно 300 000 км/с. В воздухе она почти такая же, а в воде — примерно в 1,33 раза меньше, в стекле — в 1,5–1,7 раза меньше. При переходе из среды с большей скоростью распространения света в среду с меньшей скоростью (например, из воздуха в воду) луч «загибается» к перпендикуляру, восстановленному в точку падения. И наоборот, при переходе из среды с меньшей скоростью в среду с большей скоростью (из воды в воздух) луч отклоняется от перпендикуляра.

Закон преломления света

Для описания этого явления введем несколько понятий. Пусть световой луч падает из первой среды во вторую. В точке падения O восстановим перпендикуляр к границе раздела двух сред.

• Угол падения (α) — угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела.
• Угол преломления (β) — угол между преломленным лучом и тем же перпендикуляром.

Опыты показывают, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред. Эта величина называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

где n₂₁ — относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Эта закономерность была установлена голландским ученым Виллебрордом Снеллиусом в 1621 году и носит название закона преломления света.

Закон преломления света:
падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.

Если свет переходит из вакуума в какую-либо среду, то показатель преломления этой среды называется абсолютным показателем преломления (обычно обозначается просто n). Абсолютный показатель преломления среды показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде.

Зная абсолютные показатели преломления двух сред, можно найти их относительный показатель преломления:

Тогда закон преломления можно записать в более общем виде:

Или, что то же самое:

Примеры проявления преломления света

Преломление света — очень распространенное явление. Вот несколько примеров:

• Ложка, опущенная в стакан с водой, кажется «сломанной» на границе воздуха и воды.
• Дно водоема всегда кажется ближе, чем оно есть на самом деле.
• Миражи в пустыне — это оптическое явление, также связанное с преломлением света в неоднородно нагретом воздухе.
• Радуга после дождя возникает благодаря преломлению и дисперсии солнечного света в каплях воды.

Полное внутреннее отражение

Интересный эффект можно наблюдать, когда свет переходит из оптически более плотной среды (с большим показателем преломления) в оптически менее плотную (например, из воды в воздух). При некотором угле падения, который называется предельным углом полного отражения, преломленный луч исчезает, и свет полностью отражается обратно в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением.