2.16. Преломление света. Дисперсия света

Теоретическая справка

Преломление света – это изменение направления распространения светового луча на границе раздела двух сред.

Угол преломления ($\gamma$) – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.

Законы преломления света:

  1. Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к преломляющей поверхности.
  2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред 

$\frac{sin \alpha }{sin \gamma }=n_{21}$,

где $n_{21}$ – относительный показатель преломления.

Каждую среду, в которой распространяется свет, характеризует абсолютный показатель преломления (или просто – показатель преломления). Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде

$n=\frac{c}{v}$,

где $c=3 \cdot 10^8$ м/с — скорость света в вакууме, $v$ — скорость света в среде.

Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, является оптически более плотной средой. Чем больше оптическая плотность среды, тем меньше скорость света в ней. Среда, у которой абсолютный показатель преломления меньше, является оптически менее плотной средой. Чем меньше оптическая плотность среды, тем больше скорость света в ней.

Относительный показатель преломления равен отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды

$n_{21}=\frac{n_2}{n_1}=\frac{v_1}{v_2}$.

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз изменится скорость распространения луча при переходе из одной среды в другую.

Важно! Обычно закон преломления записывают через абсолютные показатели преломления в виде

$\frac{sin \alpha }{sin \gamma }=\frac{n_2}{n_1}$.

Важно! При выполнении построений на преломление света, полезно пользоваться правилом: чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру.

Свет падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную Свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления среды от частоты (длины) волны падающего на вещество света.

Опыт Ньютона (1672). Из-за дисперсии световые волны с различной частотой (длиной) волны по-разному преломляются веществом, что приводит к разложению белого света на цветные монохроматические лучи – спектр.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, т. к. различны скорости распространения электромагнитных волн, у которых разная длина волны. Луч красного света преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового цвета наименьшая.

Важно!! При переходе световой волны из одной среды в другую, частота световой волны не меняется. Меняется скорость распространения и длина волны.

Явление дисперсии помогло объяснить окраску предметов. Разные предметы по-разному отражают и поглощают лучи разных цветов. Например, красная роза отражает «красные» лучи, входящие в состав белого света, а почти все другие лучи поглощает (схема на рис. а). Зелёные же листья отражают в основном «зелёные» лучи (рис. б).

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. Луч света переходит из воздуха в воду. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями после того, как угол падения луча на границу раздела воды и воздуха увеличили. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:  

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

Угол отражения Угол преломления
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

Угол падения равен углу отражения в соответствии с законом отражения, поэтому он увеличится. Запишем закон преломления в следующем виде $sin \alpha =n_{21}sin \gamma$. Относительный показатель преломления является величиной постоянной для двух данных сред и не зависит от угла падения. При увеличении угла падения $\alpha$, синус этого угла также увеличивается. Значит, увеличивается и синус угла преломления $\gamma$. Это означает, что угол преломления увеличивается при увеличении угла падения.

Ответ: 11

[свернуть]

2. Красный луч света переходит из воздуха в воду. Как изменится 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
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

При переходе светового луча из воздуха в воду, скорость его распространения уменьшается, а частота остается неизменной.

Ответ: 23

[свернуть]

3. Синий луч света переходит из воды в воздух. 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
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

При переходе светового луча из воды в воздух, скорость его распространения увеличивается, а частота остается неизменной.

Ответ: 13

[свернуть]

4. На границе воздух-стекло световой луч частично отражается, частично преломляется (см. рисунок).

Угол преломления  равен примерно 

1) 20о
2) 40о
3) 50о
4) 70о

Нажмите, чтобы увидеть решение

Угол преломления — угол между перпендикуляром проведенным в точку падения и преломленным лучом. Согласно рисунку угол преломления равен 40о.

Примечание. Падающий и отраженный лучи должны лежать в одной среде, а преломленный луч должен распространяться по другую сторону от нормали относительно падающего луча. Тогда падающий луч — это луч 1, луч 2 — отраженный, а луч 3 — преломленный.

Ответ: 2

[свернуть]

5. Луч света падает из воздуха на стеклянную призму перпендикулярно поверхности. На каком из рисунков правильно изображён дальнейший ход луча?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Угол падения луча на боковую поверхность призмы равен нулю. Запишем закон преломления в следующем виде $sin \alpha =n_{21}sin \gamma$. Поскольку угол падения $ \alpha =0^{\circ}$, то и $sin \alpha =0$. Отсюда следует, что $n_{21}sin \gamma =0 \Rightarrow sin \gamma =0\Rightarrow \gamma =0$. Мы получили замечательный результат: если световой луч падает на границу раздела двух сред перпендикулярно поверхности (угол падения равен нулю), то он не преломляется. Следовательно рисунки 2 и 4 не правильные. Преломленный луч должен распространяться по другую сторону от перпендикуляра относительно падающего луча при переходе из призмы в воздух. Этому условию соответствует рисунок 1.

Ответ: 1

[свернуть]

 

6. На белом листе бумаги красным карандашом Ирина нарисовала цветок. Что она увидит, рассматривая листок через красный фильтр. Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: Ирина увидит листок красного цвета (без рисунка).

Пояснение. Бумага белого цвета отражает все лучи видимой части солнечного спектра, рисунок красного цвета отражает лучи красного цвета и поглощает лучи всех других цветов. Красный фильтр пропускает только лучи красного цвета. Поэтому в глаз наблюдателю попадают красного цвета лучи одинаково от всех областей бумаги.

[свернуть]

7. На белом листе бумаги зелёным карандашом Кирилл нарисовал автомобиль. Что он увидит, рассматривая листок через красный фильтр? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: Кирилл увидит чёрного цвета автомобиль на красном фоне.

Пояснение. Бумага белого цвета отражает все лучи видимой части солнечного спектра, рисунок зелёного цвета отражает лучи зелёного цвета и поглощает лучи всех других цветов. Красный фильтр пропускает только лучи красного цвета. Поэтому в глаз наблюдателю не попадает никаких лучей от рисунка (как от предметов чёрного цвета) и попадают красного цвета лучи от других областей бумаги.

[свернуть]

8. Какое явление иногда называют «кровавой Луной»? Объясните, почему Луна приобретает тёмно-красный цвет.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: «кровавая Луна» — явление при котором поверхность Луны приобретает красный цвет.

Пояснение. Луна не выделяет свет, а только отражает солнечный. Его потоки неоднородны и включают пучки разных цветов. Каждый обладает индивидуальными характеристиками и имеет свою длину волны. Так, фиолетовые и синие – самые короткие. Достигнув Земли, в ясную погоду они рассеиваются и окрашивают лунную поверхность в немного магический голубой. А длинные лучи, пройдя через земную атмосферу, не рассеиваются так сильно, и, попадая на лунную поверхность, придают ей как раз тот самый необычный багрово-пурпурный цвет.

[свернуть]

9. После захода Солнца на Земле темнеет не сразу, некоторое время длятся сумерки. Можно ли наблюдать сумерки на Луне? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: нет, нельзя. 

Пояснение. Сумерки наблюдаются благодаря преломлению и рассеянию солнечных лучей в атмосфере. На Луне атмосфера отсутствует.

[свернуть]

10. Чему равен угол падения луча на границе вода – воздух, если известно, что угол преломления равен углу падения?

1) 90°
2) 60°
3) 45°
4) 0°

Нажмите, чтобы увидеть решение

Данная ситуация возможна только если световой луч падает на границу раздела двух сред перпендикулярно поверхности (угол падения равен нулю), тогда он не преломляется и угол преломления также равен нулю.

Ответ: 4

[свернуть]

11. Для каждого примера из первого столбца подберите соответствующее физическое явление из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
А) изображение стоящих на берегу деревьев в «зеркале» воды

Б) видимое изменение положения камня на дне озера

В) эхо в горах

1) отражение света
2) преломление света
3) дисперсия света
4) отражение звуковых волн
5) преломление звуковых волн

Нажмите, чтобы увидеть решение

А) изображение стоящих на берегу деревьев в «зеркале» воды — отражение света;

Б) видимое изменение положения камня на дне озера — преломление света;

В) эхо в горах — отражение звуковых волн.

Ответ: 124

[свернуть]

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

1) преломление света
2) рассеяние света
3) дисперсия света
4) поглощение света

Нажмите, чтобы увидеть решение

Вода имеет более высокий показатель преломления света, чем воздух. Поэтому, когда свет переходит из воздуха в воду то он преломляется и из-за этого предметы под водой кажутся ближе, чем есть на самом деле.

Ответ: 1

[свернуть]

13. Четыре прозрачные плоскопараллельные пластинки положили друг на друга стопкой. На рис. А и рис. Б изображён ход преломлённого светового луча при прохождении сквозь пластины.

Рис. А Рис. Б

На каком(-их) из рисунков ход луча соответствует случаю, когда оптическая плотность пластин нарастает сверху вниз?

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Другими словами, луч все время должен приближаться к перпендикуляру, т.к. оптическая плотность пластин нарастает сверху вниз. Этому условию удовлетворяет рисунок А.

Ответ: 1

[свернуть]

14. Луч света переходит из воздуха в стекло, преломляясь на границе раздела двух сред. Какое из направлений 1–4 соответствует преломлённому лучу?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Абсолютный показатель преломления стекла больше, чем абсолютный показатель преломления воздуха. Поэтому преломленный луч в стекле должен лежать ближе к перпендикуляру, чем падающий в воздухе, но не совпадать с ним, т.к. угол падения отличен от нуля. Получается, что луч 2, у которого угол преломления меньше угла падения – соответствует переходу луча из воздуха в стекло.

Ответ: 2

[свернуть]

15. Явление дисперсии света используется

А. для разложения света в спектр при прохождении солнечного луча через призму.
Б. для изменения хода светового луча в перископе.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Явление дисперсии света используется для разложения света в спектр при прохождении солнечного луча через призму. Изменения хода светового луча в перископе основывается на явлении отражения.

Ответ: 1

[свернуть]

16. На каком рисунке правильно изображён ход луча через плоскопараллельную стеклянную пластину, находящуюся в воздухе?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Абсолютный показатель преломления стекла больше, чем абсолютный показатель преломления воздуха. Поэтому луч в стекле должен лежать ближе к перпендикуляру, чем луч в воздухе, но не совпадать с ним, т.к. угол падения отличен от нуля. Кроме того преломленный луч должен распространяться по другую сторону от нормали относительно падающего луча. Правильно показан ход луча на рисунке 3, он удовлетворяет всем вышеописанным условиям.

Ответ: 3

[свернуть]

17. В куске стекла имеется воздушная полость в форме плоскопараллельной пластины. На каком рисунке правильно изображён ход луча через эту полость?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Абсолютный показатель преломления стекла больше, чем абсолютный показатель преломления воздуха. Поэтому луч в стекле должен лежать ближе к перпендикуляру, чем луч в воздухе, но не совпадать с ним, т.к. угол падения отличен от нуля. Кроме того преломленный луч должен распространяться по другую сторону от нормали относительно падающего луча. Правильно показан ход луча на рисунке 3, он удовлетворяет всем вышеописанным условиям.

Ответ: 3

[свернуть]

18. Если рассматривать предмет сквозь стеклянную призму, то вокруг предмета можно наблюдать радужный ободок. Какое явление объясняет появление радужного ободка?

1) отражение света
2) рассеяние света
3) дисперсия света
4) поглощение света

Нажмите, чтобы увидеть решение

Еще Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом телескопа, по краям окрашено. Было замечено также что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей прошедших через призму, окрашивается по краям. По результатам опытов, проведенных Ньютоном, им был сформулирован важный вывод: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» (для них стекло имеет различные показатели преломления). Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других — красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии.

Ответ: 3

[свернуть]

19. Свет распространяется из воды в воздух, преломляясь на границе раздела этих сред. Сравните угол падения α и угол преломления γ.

1) При любом угле падения α = γ
2) При любом угле падения α > γ
3) При любом угле падения α ≥ γ
4) При любом угле падения α ≤ γ

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Абсолютный показатель преломления воды больше, чем абсолютный показатель преломления воздуха. Поэтому луч в воде должен лежать ближе к перпендикуляру, чем луч в воздухе, т.е. угол падения будет меньше, чем угол преломления. Кроме того, если угол падения равен нулю, то луч не преломляется, т.е. угол преломления также равен нулю. Таким образом, угол падения либо всегда меньше угла преломления, либо равен ему, если луч не преломляется. 

Ответ: 4

[свернуть]

20. На границе воздух-стекло световой луч частично отражается, частично преломляется (см. рисунок).

На рисунке цифрами обозначены, соответственно, 

1) 3-падающий луч, 1 – отражённый луч, 2 – преломлённый луч
2) 1-падающий луч, 2 – отражённый луч, 3 – преломлённый луч
3) 2-падающий луч, 3 – отражённый луч, 1 – преломлённый луч
4) 2-падающий луч, 1 – отражённый луч, 3 – преломлённый луч

Нажмите, чтобы увидеть решение

Падающий и отраженный лучи должны лежать в одной среде, а преломленный луч должен распространяться по другую сторону от нормали относительно падающего луча. Тогда падающий луч — это луч 2, луч 1 — отраженный, а луч 3 — преломленный.

Ответ: 4

[свернуть]

21. На рис. 1 и 2 приведены опыты по наблюдению отражения и преломления светового луча на границе воздух-стекло.

Рис.1 Рис.2

Из  предложенного перечня выберите два утверждения, соответствующие проведённым опытам. Укажите их номера.

1) Угол преломления в первом опыте равен примерно 45о.
2) В обоих опытах угол преломления равен углу отражения.
3) В обоих опытах угол отражения больше угла преломления.
4) Отношение угла падения к углу преломления есть величина постоянная.
5) Угол падения во втором опыте равен примерно 60о.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Прежде чем отвечать на вопросы задания, необходимо провести перпендикуляр к границе раздела «воздух-стекло»

Утверждение 1 — неверно. Угол падения и отражения в первом опыте равен примерно 45о. Угол преломления в первом опыте равен примерно 30о.

Утверждение 2 — неверно. Угол преломления равен углу падения (и отражения, соответственно), если луч не преломляется.

Утверждение 3 — верно. По рисункам хорошо видно, что преломленный луч в обоих опытах лежит блище к нормали, проведенной в точку падения, т.е. угол преломления в обоих случаях меньше угла падения.

Утверждение 4 — неверно. Закон преломления гласит, что постоянным является отношение синуса угла падения к синусу угла преломления, а не отношение угла падения к углу преломления.

Утверждение 5 — верно. Угол падения и отражения во втором опыте равен примерно 60о. Угол преломления во втором опыте равен примерно 40о.  

Ответ: 35

[свернуть]

22. Свет распространяется из воздуха в масло, преломляясь на границе раздела этих сред. На каком рисунке правильно представлены падающий и преломлённый лучи?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Абсолютный показатель преломления масла больше, чем абсолютный показатель преломления воздуха. Поэтому луч в масле должен лежать ближе к перпендикуляру, чем луч в воздухе, т.е. угол преломления будет меньше, чем угол падения.  

Ответ: 3

[свернуть]

23. Световой луч падает на границу раздела двух сред. Скорость света во второй среде

1) равен скорости света в первой среде
2) больше скорости света в первой среде
3) меньше скорости света в первой среде
4) используя один луч, нельзя дать точный ответ

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Судя по рисунку, абсолютный показатель преломления второй среды больше, чем абсолютный показатель преломления первой среды, т.к. во второй среде луч лежи к перпендикуляру. Чем больше показатель преломления, тем меньше скорость света в среде, значит скорость света во второй среде меньше скорости света в первой среде.  

Ответ: 3

[свернуть]

24. Из воздуха на поверхность воды падает луч света. Под слоем воды располагается стекло. Известно, что показатель преломления стекла больше показателя преломления воды. На каком рисунке правильно изображён ход светового луча?

Нажмите, чтобы увидеть решение

В ряду «воздух-вода-стекло» абсолютный показатель преломления увеличивается. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Другими словами, луч все время должен приближаться к перпендикуляру, но не совпадать с ним, при переходе из одной среды в другую. Этому условию удовлетворяет рисунок 3.

Ответ: 3

[свернуть]

25. Дима рассматривает красные розы через зеленое стекло. Какого цвета будут казаться ему розы? Объясните наблюдаемое явление. Дайте развернутое, логически связанное обоснование.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: розы будут казаться черными.

Пояснение. Их цвет зависит от света, который попадает к Диме в глаза. Красные розы поглощают все цвета, кроме красного, а красный цвет отражают. Зеленое стекло поглощает весь свет, кроме зеленого. Но зеленого цвета нет в свете, который отражают розы, – они его поглотили. К Диме в глаза через зеленое стекло не попадет никакого света от красных роз – они покажутся черными.

[свернуть]

26. Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведённого списка.

Два параллельно идущих световых луча, распространяющихся в воздухе, на границе двух разных сред (А)__________ (см. рисунок).

Оптическая плотность среды 1 (Б)__________оптической плотности воздуха и  (В)__________ оптической плотности среды 2. При небольшом увеличении угла падения углы преломления в средах 1 и 2 (Г)__________.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Список слов и словосочетаний:

1) увеличиваются
2) уменьшаются 
3) рассеиваются
4) преломляются
5) больше
6) меньше
7) равна

Нажмите, чтобы увидеть решение

Комментарий. Преломление света связано с изменением скорости распространения световых лучей при переходе из одной среды в другую. При переходе из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду скорость света уменьшается. При этом угол падения луча больше, чем угол преломления. Чем больше оптическая плотность среды (и чем меньше скорость света в ней соответственно), тем меньше угол преломления.

Решение. Два параллельно идущих световых луча, распространяющихся в воздухе, на границе двух разных сред (А-4) преломляются (см. рисунок). Оптическая плотность среды 1 (Б-5) больше оптической плотности воздуха и (В-6) меньше оптической плотности среды 2. При небольшом увеличении угла падения углы преломления в средах 1 и 2 (Г-1) увеличиваются.

Ответ: 4561

[свернуть]

27. Луч света переходит из стекла в воздух, преломляясь на границе раздела двух сред. Какое из направлений 1-4 соответствует преломлённому лучу?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чем больше оптическая плотность среды, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Чем больше абсолютный показатель преломления, тем ближе луч к перпендикуляру, проведенному в точку падения. Абсолютный показатель преломления стекла больше, чем абсолютный показатель преломления воздуха. Поэтому луч в стекле должен лежать ближе к перпендикуляру, чем луч в воздухе, но не совпадать с ним, т.к. угол падения отличен от нуля. Получается, что луч 1, у которого угол преломления больше угла падения – соответствует переходу луча из стекла в воздух.

Ответ: 1

[свернуть]

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Преломление света. Дисперсия света (2264 Загрузки )