В таблице 1 представлены скорости света в различных средах. Видим, например, что в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в алмаз, его скорость уменьшается ещё в 1,8 раза. Именно изменение скорости света в случаи перехода из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления.

Абсолютный показатель преломления вещества (n) – величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.

,

где c – скорость света в вакууме; v – скорость света в данной среде.

Среда

V, км/с

Вакуум

Воздух

Лёд

Вода

Стекло

Рубин

Алмаз

300000

299704

228782

225341

199803

170386

123845

Табл. 1. Скорость света в различных средах

В таблице 2 представлены абсолютные показатели преломления света для различных веществ.

Среда

Показатель

Воздух

Лёд

Вода

Глицерин

Алмаз

Кремний

1,0002926

1,31

1,33

1,4729

2,419

4,010

Табл. 2. Абсолютные показатели преломления света для различных веществ

Полное внутреннее отражение

Существует эффект полного внутреннего отражения. Рассмотрим пример, когда преломление света будет происходить на границе «стекло (показатель преломления ) – воздух ()». В этом случае , а угол падения α будет меньше угла преломления γ (), так как стекло является более оптически плотной средой (см. рис. 4).

Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух

Рис. 4. Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух

Если n – показатель преломления стекла относительно воздуха, то показатель преломления воздуха относительно стекла – . Тогда закон преломления света можно записать таким образом:

При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления, то есть при угле падения, близком к 90 преломлённый луч практически исчезает, а вся энергия падающего луча переходит в энергию отражённого.

При предельном значении угла падения (α) преломлённый луч распространяется вдоль границы раздела двух сред, то есть угол преломления (γ) равен 90 (см. рис. 5). Однако заметить распространение преломлённого луча вдоль границы раздела двух сред практически невозможно, так как интенсивность светового луча становится близкой к 0.

Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух при предельном угле падения

Рис. 5. Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух при предельном угле падения

Уравнение для нахождения предельного угла падения () можно записать так:

,

так как угол преломления , а

Например, для воды значение n равно 1,33, следовательно, значение предельного угла равно:

Для стекла:

Для алмаза:

Если световой луч падает на границу раздела двух сред под углом, большим предельного угла падения, то в этом случае луч не проникает во вторую среду и полностью отражается – явление полного внутреннего отражения. Необходимым условием для полного внутреннего отражения является движение луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду.

Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике для передачи сигналов на большие расстояния. При входе в световод падающий луч направляется под углом, заведомо большим предельного, что обеспечивает отражение луча без потери энергии (см. рис. 6).

Рис. 6. Оптическое волокно (Источник)

Волоконные световоды также применяются в медицине. Например, световод вводят в желудок или в область сердца для освещения или наблюдения участков этих органов.

В морских биноклях внутреннее отражение используют для того, чтобы свет мог пройти через несколько линз при относительно маленьком корпусе аппарата (см. рис. 7).

В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение.

Рис. 7. Прохождение света в морском бинокле (Источник)