Закон заломлення світла і показник заломлення
~20 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Застосовуй закон заломлення світла (закон Снеліуса) для обчислення кутів заломлення, абсолютного та відносного показників заломлення, швидкості й довжини хвилі в середовищі.
Заломлення світла — це зміна напряму поширення світлового променя на межі поділу двох прозорих середовищ. Ти щодня спостерігаєш це явище: ложка у склянці з водою здається зламаною, дно басейну — ближчим, ніж насправді. Усі ці ефекти пояснює закон заломлення, який ще називають законом Снеліуса.
Як відраховують кути
Кут падіння α — це кут між падаючим променем і перпендикуляром до межі поділу, проведеним у точці падіння. Кут заломлення γ — це кут між заломленим променем і тим самим перпендикуляром. Обидва кути завжди відраховують від перпендикуляра, а не від самої межі! Це дуже важливо: помилка в тому, звідки відраховувати кут, — одна з найпоширеніших пасток НМТ.
Формулювання закону заломлення
Закон заломлення світла (закон Снеліуса) складається з двох тверджень:
Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, проведений до межі в точці падіння, лежать в одній площині.
Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є сталою величиною для двох даних середовищ:
де n₁ — абсолютний показник заломлення першого середовища (з якого падає світло), n₂ — другого середовища (у яке входить світло), а n₂₁ — відносний показник заломлення другого середовища відносно першого.
Куди відхиляється промінь
Напрям відхилення залежить від того, у яке середовище переходить світло:
Якщо n₂ > n₁ (світло переходить в оптично густіше середовище), то γ < α — промінь наближається до перпендикуляра.
Якщо n₂ < n₁ (світло переходить в оптично менш густе середовище), то γ > α — промінь відхиляється від перпендикуляра.
Якщо α = 0 (нормальне падіння), то γ = 0 — промінь проходить без заломлення.
Важливий принцип — оборотність променів: якщо пустити світло вздовж заломленого променя у зворотному напрямі, воно піде вздовж падаючого. Тобто хід променів симетричний.
Числовий приклад
Світло падає з повітря (n₁ = 1) на рідину з n₂ = √3 під кутом 60°. Знайдемо кут заломлення:
Отже, γ = 30°. Промінь увійшов у густіше середовище (n₂ > n₁) і наблизився до перпендикуляра: γ = 30° < α = 60°.
Показник заломлення — це фізична величина, яка характеризує оптичні властивості середовища. Розрізняють абсолютний і відносний показники заломлення.
Абсолютний показник заломлення
Абсолютний показник заломлення n визначають як відношення швидкості світла у вакуумі c до швидкості світла в даному середовищі v:
Оскільки швидкість світла в будь-якому середовищі менша, ніж у вакуумі (v < c), то n ≥ 1. Чим більший показник заломлення, тим повільніше поширюється світло в середовищі, і тим більшою є його оптична густина.
Типові значення абсолютного показника заломлення
На НМТ значення показників заломлення завжди дають в умові задачі — таблиці показників у довідці немає. Однак варто запам'ятати найпоширеніші:
Середовище | Абсолютний показник n |
|---|---|
Повітря | ≈ 1,00 |
Вода | ≈ 1,33 |
Скло | ≈ 1,50 |
Алмаз | ≈ 2,40 |
Швидкість світла в склі: v = c/n = 3·10⁸ / 1,5 = 2·10⁸ м/с.
Відносний показник заломлення
Відносний показник заломлення n₂₁ показує, у скільки разів швидкість світла в першому середовищі більша (або менша) за швидкість у другому:
Саме ця величина фігурує в законі заломлення: sin α / sin γ = n₂₁. Якщо n₂₁ > 1, то друге середовище оптично густіше за перше; якщо n₂₁ < 1 — друге середовище оптично менш густе.
Числовий приклад
Світло падає з повітря (n₁ = 1) на скло (n₂ = 1,5) під кутом 30°. Знайдемо кут заломлення:
Промінь наблизився до перпендикуляра, оскільки скло оптично густіше за повітря.
Залежність показника заломлення від довжини хвилі
Показник заломлення залежить від довжини світлової хвилі — це явище називають дисперсією. Для більшості прозорих речовин n більший для коротших хвиль (синього світла) і менший для довших (червоного). Саме тому біле світло розкладається в спектр, проходячи через призму. У таблицях показників заломлення зазвичай наводять значення для жовтого світла (довжина хвилі близько 589 нм).
Коли світло переходить з одного прозорого середовища в інше, не всі його характеристики змінюються. Розуміння того, що саме зберігається, а що змінюється, — ключове для правильного розв'язування задач НМТ.
Частота і колір не змінюються
Частота світлової хвилі ν визначається джерелом світла і під час переходу з одного середовища в інше не змінюється. Оскільки колір світла залежить саме від частоти, колір світла також зберігається. Наприклад, червоний лазерний промінь залишається червоним і у воді, і в склі.
Швидкість і довжина хвилі змінюються
Швидкість світла в середовищі обчислюють за формулою:
де c — швидкість світла у вакуумі (3·10⁸ м/с), n — абсолютний показник заломлення середовища. Оскільки n ≥ 1, швидкість світла в будь-якому середовищі менша, ніж у вакуумі.
Довжина хвилі в середовищі λ пов'язана з довжиною хвилі у вакуумі λ₀ співвідношенням:
Оскільки частота ν не змінюється, а швидкість v зменшується, довжина хвилі λ у середовищі також зменшується в n разів (обернено пропорційно показнику заломлення).
Числовий приклад
Світло з довжиною хвилі у вакуумі λ₀ = 600 нм (оранжеве світло) потрапляє у скло з n = 1,5. Обчислимо:
Швидкість у склі: v = c/n = 3·10⁸ / 1,5 = 2·10⁸ м/с
Довжина хвилі у склі: λ = λ₀/n = 600 нм / 1,5 = 400 нм
Частота: ν = c/λ₀ = 3·10⁸ / 600·10⁻⁹ = 5·10¹⁴ Гц (не змінилась)
Зверни увагу: довжина хвилі в склі (400 нм) менша, ніж у повітрі (600 нм). Це поширена пастка — дехто помилково вважає, що в густішому середовищі довжина хвилі більша.
Показник заломлення через довжини хвиль
Відносний показник заломлення можна виразити через довжини хвиль у середовищах:
Оскільки частота не змінюється, відношення довжин хвиль дорівнює відношенню швидкостей. Довжина хвилі в оптично густішому середовищі (з більшим n) завжди менша.
Плоскопаралельна пластинка
Окремий випадок — проходження світла через плоскопаралельну пластинку (наприклад, скляну). На першій межі промінь заломлюється, наближаючись до перпендикуляра (вхід у скло). На другій межі промінь виходить зі скла в повітря і відхиляється від перпендикуляра. У результаті промінь, що вийшов, паралельний падаючому, але зміщений убік. Кут виходу дорівнює куту падіння.
Розв'яжемо кілька типових задач, які можуть трапитися на НМТ. Кожна з них ілюструє один з аспектів застосування закону заломлення.
Приклад 1. Обчислення кута заломлення
Завдання: Світло падає з повітря на речовину з показником заломлення √2 під кутом 45°. Знайди кут заломлення в градусах.
Розв'язання:
Записуємо закон заломлення: sin α / sin γ = n₂/n₁
Повітря: n₁ = 1, речовина: n₂ = √2, α = 45°
sin 45° = √2/2 ≈ 0,71
sin γ = sin α · n₁ / n₂ = 0,71 · 1 / 1,41 ≈ 0,5
γ = arcsin(0,5) = 30°
Відповідь: 30°.
Поширена помилка: переплутати n₂ і n₁ у знаменнику. Якщо написати sin γ = sin α · n₂ / n₁, то sin γ = 0,71 · 1,41 ≈ 1,0, що дало б γ = 90° — фізично безглуздий результат для цього випадку.
Приклад 2. Обчислення абсолютного показника заломлення
Завдання: Швидкість світла в середовищі 2·10⁸ м/с, швидкість у вакуумі 3·10⁸ м/с. Знайди абсолютний показник заломлення.
Розв'язання:
Формула: n = c/v
n = 3·10⁸ / 2·10⁸ = 1,5
Відповідь: 1,5.
Типова помилка: обчислити n = v/c = 2/3 ≈ 0,67. Пам'ятай: n = c/v, а не навпаки. Показник заломлення завжди ≥ 1.
Приклад 3. Що не змінюється під час заломлення?
Завдання: Які характеристики світла не змінюються під час переходу з повітря у воду?
А: швидкість і довжина хвилі
Б: частота й колір
В: довжина хвилі
Г: швидкість
Розв'язання: Частота світла визначається джерелом і не змінюється під час заломлення. Колір залежить від частоти, тому він також зберігається. Швидкість і довжина хвилі змінюються: v = c/n, λ = λ₀/n.
Відповідь: Б (частота й колір).
Чому інші варіанти неправильні: А — швидкість і довжина хвилі якраз змінюються; В — довжина хвилі змінюється; Г — швидкість змінюється.
Приклад 4. Напрям відхилення променя
Завдання: Промінь переходить зі скла у воду. Куди відхиляється заломлений промінь?
А: до перпендикуляра
Б: від перпендикуляра
В: не відхиляється
Г: назад у скло
Розв'язання: Показник заломлення скла n_скла ≈ 1,5, води n_води ≈ 1,33. Оскільки n_води < n_скла, вода є оптично менш густим середовищем. Світло переходить у менш густе середовище, тому заломлений промінь відхиляється від перпендикуляра (γ > α).
Відповідь: Б (від перпендикуляра).
Чому інші варіанти неправильні: А — до перпендикуляра промінь відхиляється, коли входить у густіше середовище; В — відхилення відбувається завжди, крім нормального падіння; Г — промінь не може піти назад, це суперечить закону заломлення.
На НМТ з фізики завдання на заломлення світла часто містять пастки. Ось найпоширеніші помилки, яких припускаються учні, — переконайся, що ти їх уникаєш.
Помилка: вважати, що під час заломлення змінюється частота, а отже й колір. Насправді частота світла визначається джерелом і не змінюється під час переходу з одного середовища в інше. Колір світла залежить від частоти, тому він також зберігається. Змінюються лише швидкість і довжина хвилі.
Помилка: відраховувати кути від межі, а не від перпендикуляра. Кут падіння α і кут заломлення γ — це кути між променями та перпендикуляром до межі, а не між променями та самою межею. Якщо відраховувати від межі, значення синусів будуть неправильними.
Помилка: плутати порядок n₂/n₁ і n₁/n₂ у законі заломлення. Правильний запис: sin α / sin γ = n₂/n₁. Показник заломлення другого середовища (куди входить світло) ділиться на показник першого (звідки падає світло). Не плутай: n₂ у чисельнику, n₁ у знаменнику.
Помилка: плутати напрям відхилення променя. У густіше середовище (більше n) — промінь наближається до перпендикуляра (γ < α). У менш густе (менше n) — відхиляється від перпендикуляра (γ > α). Запам'ятай: «у густіше — до перпендикуляра».
Помилка: вважати, що довжина хвилі в склі більша, ніж у повітрі. Насправді λ = λ₀/n, а n > 1, тому довжина хвилі в середовищі завжди менша, ніж у вакуумі. Чим більший показник заломлення, тим менша довжина хвилі.
Заломлення світла входить до теми «Оптика» програми НМТ з фізики; у демоваріанті НМТ-2026 йому присвячено завдання № 12. Ось що варто знати про формат і стратегію.
Формат завдань
У демоваріанті НМТ 2026 року завдання № 12 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал) перевіряло, які характеристики світлової хвилі зберігаються під час заломлення. Це типова якісна задача, яка не потребує обчислень, але потребує чіткого розуміння теорії.
Довідка НМТ містить закон заломлення у вигляді:
а також формули для показника заломлення через швидкості й довжини хвиль: n = c/v, n₂₁ = v₁/v₂ = λ₁/λ₂. Значення показників заломлення завжди дають в умові задачі — окремої таблиці показників у довідці немає.
Програмні вимоги
Програма НМТ (тема «Оптика») вимагає вміти застосовувати закони заломлення й будувати хід променів на межі двох середовищ. Завдання з короткою відповіддю (№ 17–22, 0 або 2 бали) можуть містити розрахунок кута заломлення, показника заломлення, швидкості або довжини хвилі. Відповідь — число в одиницях, указаних в умові.
Стратегія розв'язування
Спершу з'ясуй, з якого середовища в яке переходить світло, і порівняй їхні показники заломлення.
Перед обчисленням передбач, до перпендикуляра чи від нього відхилиться промінь — це допоможе перевірити результат.
Запиши закон заломлення, підстав відомі величини й виконай обчислення. Стеж, щоб n₂ був у чисельнику, а n₁ — у знаменнику.
Якщо задача про зміну швидкості чи довжини хвилі, згадай, що частота не змінюється, а v = c/n, λ = λ₀/n.
Чому колір світла не змінюється у воді?
Колір світла визначається його частотою. Частота світлової хвилі задається джерелом (наприклад, лазером або Сонцем) і не змінюється, коли світло переходить з одного середовища в інше. Тому червоний лазерний промінь залишається червоним і в повітрі, і у воді, і в склі. Змінюються лише швидкість поширення та довжина хвилі, але не частота.
Чому в склі швидкість світла менша, а частота та сама?
Швидкість світла в середовищі визначається взаємодією електромагнітної хвилі з атомами речовини. У склі (n ≈ 1,5) світло поширюється повільніше, ніж у вакуумі, тому що електромагнітна хвиля змушує коливатися заряди в атомах речовини, а їхнє вторинне випромінювання, накладаючись на падаючу хвилю, зменшує швидкість її поширення. Частота ж хвилі — це кількість коливань за секунду, яку задає джерело; вона не залежить від середовища. Тому частота залишається незмінною, а швидкість зменшується.
Що буде, якщо світло падає перпендикулярно до межі?
Якщо світло падає перпендикулярно до межі поділу (α = 0), то sin α = 0, і згідно із законом заломлення sin γ = 0, тобто γ = 0. Це означає, що промінь проходить з одного середовища в інше без заломлення, не змінюючи напряму. Однак швидкість і довжина хвилі все одно змінюються відповідно до показника заломлення середовища.
Чи може показник заломлення бути меншим за 1?
Абсолютний показник заломлення n = c/v не може бути меншим за 1, оскільки швидкість світла в будь-якому середовищі не перевищує швидкості світла у вакуумі (v ≤ c). Для вакууму n = 1, для всіх інших середовищ n > 1. Відносний показник заломлення n₂₁ = n₂/n₁ може бути меншим за 1, якщо друге середовище оптично менш густе, ніж перше (наприклад, при переході зі скла у воду n₂₁ ≈ 1,33/1,5 ≈ 0,89).
Закон заломлення: sin α / sin γ = n₂/n₁; кути α і γ відраховують від перпендикуляра до межі.
Абсолютний показник заломлення: n = c/v; n ≥ 1.
Відносний показник заломлення: n₂₁ = n₂/n₁ = v₁/v₂.
У густіше середовище (більше n) промінь наближається до перпендикуляра (γ < α).
Частота (і колір) світла під час заломлення не змінюється.
Швидкість і довжина хвилі змінюються: v = c/n, λ = λ₀/n.
Довжина хвилі в середовищі менша, ніж у вакуумі: λ = λ₀/n.