Преломление

Преломление волны на границе двух сред с разной скоростью её распространения. Граница сред — бледная еле заметная прямая линия, проходящая слева снизу вправо вверх, примерно под 20° к горизонтали; пунктирная линия — нормаль к границе; левая красная стрелка и штриховая линия, её продолжающая, соответствуют направлению распространения первоначальной (падающей) волны, правая красная стрелка — преломленной волны (обе стрелки изображают волновой вектор волны до и после преломления).

Преломле́ние (рефра́кция) — явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных (проницаемых для этих волн) сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. Преломление свойственно для многих видов излучения различной природы, например, электромагнитных и звуковых волн.

Рефракция радиоволн имеет специфику, и рассмотрена в отдельной статье.

Общие сведенияПравить

Преломление практически любых волн подчиняется закону Снелла. Ограничения применимости этого закона возникают, если длина волны будет большой по сравнению с преломляющим объектом, так что дифракция сможет полностью замаскировать преломление; необходима также изотропность сред — что очень часто встречается на практике.

Тесно связано с преломлением такое явление, как отражение от границы прозрачных сред. В каком-то смысле это две стороны одного и того же явления. Так, например, явление полного внутреннего отражения связано с тем, что преломленной волны, которая бы удовлетворяла закону преломления для некоторых углов падения не находится, и волне приходится целиком отражаться.

Для каждого конкретного типа волн и сред имеются определенные соотношения, связывающие интенсивность падающей, преломленной и отраженной волны в зависимости от угла падения.

Физика явленияПравить

Построение преломленной волны с помощью принципа Гюйгенса.

Преломление возникает, когда скорость движения волн в контактирующих средах различается (см. Коэффициент преломления). В этом случае полное значение скорости волны должно быть разным по разные стороны границы раздела сред. Однако скорость движения гребня волны вдоль границы должна быть для обеих «половинок» волны одинаковой (ведь на границе не может быть резкого разрыва). Из геометрических соображений получается, что скорость движения гребня $~v_\alpha$ вдоль линии, наклоненной к направлению распространения волны под углом $~\alpha$ , выраженная через скорость гребня, измеренную в направлении распространения волны $~v$ , будет

$~v_\alpha = v / sin \alpha.$

(Это ясно из того, что за то же время, пока волна пройдет в направлении своего распространения, то есть перпендикулярно гребню, расстояние, равное катету треугольника, вдоль наклонной линии она пройдет за это время расстояние, равное гипотенузе, а отношение этих расстояний, равное синусу угла, и даст отношение скоростей). См. также рисунки.

Тогда, записав для волны во второй среде то же самое и приравняв скорость вдоль границы раздела, получим

$~v_1 / sin \alpha = v_2 / sin \beta,$

что эквивалентно закону Снелла, если учесть, что $~v_1 = c / n_1, v_2 = c / n_2$ .

Для синусоидальной волны, характеризуемой волновым вектором, перпендикулярным (в изотропной среде, которая здесь и рассматривается) направлению распространения волны, и частотой, такие же соображения дают понять, что составляющая волнового вектора, параллельная границе раздела, должна быть одинаковой до и после прохождения этой границы, что приводит к тому же выводу.

Дополнительно интересно заметить, что волновой вектор фотона равен вектору его импульса, деленному на постоянную Планка, и это дает возможность дополнительной физической интерпретации закона преломления в терминах сохранения компоненты импульса вдоль границы.

В итоге на границе раздела двух контактирующих сред наблюдается преломление луча света, качественно сводящееся к тому, что углы к нормали к границе падающего и преломленного луча отличаются друг от друга, то есть луч изламывается — преломляется.

Преломление в технике и научных приборахПравить

Явление преломление лежит в основе работы телескопов-рефракторов (научного и практического назначения, в том числе подавляющей доли зрительных труб, биноклей и других приборов наблюдения), объективов фото-, кино- и телекамер, микроскопов, увеличительных стекол, очков, проекционных приборов, приемников и передатчиков оптических сигналов, концентраторов мощных световых пучков, призменных спектроскопов и спектрометров, призменных монохроматоров, и многих других оптических приборов, содержащих линзы и/или призмы. Её учёт необходим при расчете работы почти всех оптических приборов. Всё это относится к разным диапазонам электромагнитного спектра.

В акустике преломление звука особенно важно учитывать при исследовании распространения звука в неоднородной среде и, конечно, на границе разных сред.

Преломление в обычной жизниПравить

Двойная радуга — одно из самых красивых явлений, связанных с рефракцией.

Преломление света в разных жидкостях и стекле

Соломинка в жидкости кажется сломанной из-за разных показателей преломления света в воздухе и в жидкости.

Преломления света, проходящего через стекло

Преломление света встречается на каждом шагу и воспринимается как совершенно обыденное явление: можно видеть как ложка, которая находится в чашке с чаем, будет «переломлена» на границе воды и воздуха. Тут уместно отметить, что данное наблюдение при некритическом восприятии дает неверное представление о знаке эффекта: кажущийся «излом» ложки происходит в обратную сторону реальному преломлению лучей света.

Преломление и отражение света в каплях воды порождает радугу.

Многократным преломлением (отчасти и отражением) белого света в мелких прозрачных элементах различных структур (снежинка, волокна бумаги, пузырьки) объясняются свойства матовых (не зеркальных) диффузно-отражающих поверхностей, таких как белый снег, бумага, белая пена.

Рефракцией в атмосфере объясняются многие интересные эффекты. Например, при определенных метеорологических условиях Земля (с небольшой высоты) может выглядеть как вогнутая чаша (а не часть выпуклого шара).

Полное преломлениеПравить

Основная статья: Полное преломление

Если на поверхность раздела падает вертикально поляризованная волна под углом Брюстера, то будет наблюдаться эффект полного преломления — отраженная волна будет отсутствовать.