12. Закони відбивання та заломлення світла.

Як і будь-яка хвиля, світло, маючи на своєму шляху перешкоду, може відбитись від неї. Якщо нерівності на перешкоді є значно меншими від довжини хвилі, то відбиття буде дзеркальним (рис. 3). Якщо нерівності є більшими за довжину хвилі - відбиття розсіяне (дифузне).

Під час падіння світлових променів на ідеально плоску межу розділу двох середовищ, розміри якої значно перевищують довжину хвилі, відбуваються явища відбиття і заломлення світла. Напрям поширення світла змінюється під час переходу його в друге середовище за винятком випадку перпендикулярного падіння променів на межу розділу. Кутом падіння a називають кут між падаючим променем АО і перпендикуляром ОВ до межі розділу, поставленим в точці падіння. Кутом відбиття g називають кут між відбитим променем ОС і тим же перпендикуляром ОВ

У разі дзеркального відбиття виконуються закони відбиття світла. Їх було отримано дослідним шляхом декілька століть назад, пізніше виведено теоретично, виходячи з принципу Гюйгенса:

1) падаючий промінь відбивається і перпендикуляр, встановлений на межі розподілу двох середовищ, лежать в одній площині;

2) кут падіння дорівнює куту відбиття:

α = γ

Ці два твердження становлять закон відбиття світла.

Закон відбиття справедливий у разі оберненого напряму ходу світлових променів. Промінь, що поширюється по шляху відбитого променя, відбивається по шляху падаючого.

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. 1). 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.

  (рис. 1)

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 ( > ).

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

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

Якщо  = ₀, то  = 90º і , sin 90º = 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.