§ 43. Преломление света. Закон преломления света. Полное внутреннее отражение

Представьте летний полдень: вы спускаетесь в прохладный водоём и замечаете, что ноги в воде выглядят заметно короче, а глубина — меньшей, чем она есть. Тот же обман зрения даёт ложка, опущенная в стакан: у линии соприкосновения воздуха и жидкости она кажется резко изломанной. Эти бытовые наблюдения указывают на одну закономерность: у границы двух прозрачных веществ лучи света меняют направление.

Перейдём к опыту. Нальём в прозрачный сосуд чистую воду и направим на её поверхность узкий пучок — луч АО. У линии раздела MN пучок делится: часть энергии возвращается в воздух отражённым лучом OC, а остальная проникает внутрь жидкости, изменив направление, — это преломлённый луч OB (рис. 1: найди точку O, в которой единый пучок расходится надвое, и подписи обеих сред по краям чертежа). Явление, при котором путь световой волны смещается при переходе из одного прозрачного вещества в другое, и называют преломлением света.

Чтобы описать процесс числом, вводят угловые величины. Углом преломления γ называют угол, который отсчитывают от перпендикуляра OD, восставленного к поверхности MN в точке падения O, до преломлённого луча OB. Стоит увеличить угол падения α, растёт и угол преломления, но их отношение при этом не сохраняется. Зато для конкретной пары веществ неизменным остаётся отношение синусов: измерения при переходе света из воздуха в воду дают sin 45° / sin 33° ≈ 1,3, и такое же число получается для углов падения 30° и 60°. Опытный факт записывают так:

sin α / sin γ = n₂₁,

где α — угол падения (°), γ — угол преломления (°), n₂₁ — относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой. Величина безразмерная, единиц измерения у неё нет; от наклона пучка она не зависит и определяется только свойствами двух соприкасающихся веществ.

Отсюда формулируется закон преломления света. Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр к границе раздела, проведённый из точки падения, всегда лежат в одной плоскости; при этом дробь sin α / sin γ для данной пары сред сохраняет своё значение.