Закон Снеллиуса

Некоторые физические законы известны буквально каждому школьнику, но вот люди их открывшие порой неведомы даже учителям физики со стажем. Закон Снеллиуса (Снелля в голландской транскрипции) относится именно к таким понятиям.

Эффект преломления света на границе двух сред.

В конце статьи мы приведем видео нескольких простых и в тоже время эффектных экспериментов, демонстрирующих преломление света на границе сред.

Как был открыт закон преломления

Для начала вспомним классический опыт школьной физики. На дно непрозрачной чашки положим монету. Подготовим стакан с водой. Одной рукой начнем поднимать чашку вверх до того момента пока монета полностью не скроется из поля видимости. Затем свободной рукой берем стакан и начинаем наливать воду в чашку. Спустя некоторое время монета вернется в поле зрения. На этом примере школьные учителя чаще всего демонстрируют закон преломления света на границе раздела 2 сред, даже не подозревая, что открыт этот закон был профессором Лейденского университета Виллебрордом Снеллиусом (Снеллем) в 1621 году.

Виллеброрд Снелл — голландский математик, физик и астроном. Источник изображения: wikimedia.ru

Ученый не опубликовал свое открытие, оно осталось как запись в бумагах. Позднее известный французский ученый Рене Декарт разбирал архив своего предшественника. В 1637 году вышла книга Декарта «Диоптрика», в которой описывался закон преломления света. Открыл ли Декарт заново закон самостоятельно или просто воспользовался записями Снеллиуса до сих пор неизвестно. Исследователи этого вопроса по сей день не пришли к единому мнению.

Физический смысл «Закона Снеллиуса»

Практически любому человеку известно, что скорость света, обозначаемая латинской буквой c, в 300 000 км/с является предельной для всех объектов и излучений. На самом деле в этом утверждении имеются сразу 2 неточности, причем одна из них весьма существенная. Первая — скорость света на самом деле немного меньше 300 000 км/с, но это не имеет особого значения. Вторая — в первом предложении абзаца не упоминалось, что имеется в виду скорость света в вакууме, а эта поправка весьма существенна.

Источник изображения: light-fizika.ru

Существует много материалов сквозь которые проходит свет. Ради примера можно вспомнить стекло, лед, воду, алмаз. Но проходит свет через них по-разному. На своем пути через прозрачные материалы свет взаимодействует с веществом, что уменьшает его скорость. Если взять отношение скорости света в вакууме к его же скорости в оптически прозрачной среде, то получится некое число, которое в физике назвали коэффициент преломления среды. Для воды он равен 1.33, для обычного стекла около 1,5. Несложно вычислить, что в стекле скорость света примерно 200 000 км/с.

Проводя долгие исследования в геодезии, Снеллиус понял, что очень многое в этой науке зависит от соотношений сторон прямоугольного треугольника. Отношение стороны, противолежащей вершине острого угла к гипотенузе треугольника, называется синусом этого угла. Перенеся знания о треугольниках из геодезии в оптику, Виллеброрд обнаружил, что падающий на границу раздела двух прозрачных сред луч и луч преломленный находятся в единой плоскости, причем она размещена перпендикулярно границе раздела сред. А еще ученый вывел соотношение между углами падения, преломления и коэффициентами преломления сред. Получилось:

Закон Снеллиуса .

n1 * sin a1 = n2 * sin a2. В этой формуле n1 и n2 коэффициенты преломления сред, a1 и a2 углы падения и преломления соответственно. Приведенная формула имеет сразу несколько названий, среди них — закон преломления света, закон Снеллиуса, закон синусов.

Если проанализировать, то становится понятно, что при падении луча света из среды с меньшим коэффициентом преломления в среду с большим коэффициентом преломления луч приближается к нормали, восстановленной в точке падения. А если ситуация обратная, то луч стремится «прижаться» к границе раздела сред.

Важнейшее следствие и область применения закона в технике

В предыдущем пункте упоминалось, что если луч вырывается из среды с большим коэффициентом преломления в среду с меньшим коэффициентом преломления, то он стремится прижаться к границе раздела сред. Однако возможен вариант, когда луч начнет скользить прямо по границе раздела сред.

Так, если мы выберем пару стекло-воздух, то луч, идущий по стеклу под углом в 42 градуса, в воздух не вырвется, а пойдет по границе воздух-стекло. В случае, когда угол падения будет больше 42 градусов, то луч, отразившись от границы стекло-воздух, вернется в стекло. Произойдет полное отражение луча света.

Световод. Источник изображения: sp.mycdn.me

На принципе полного отражения света основано создание таких важных вещей в технике, как световоды. Световоды встречаются различных типов, самые известные для простого человека это медицинские зонды. Важную роль световоды играют для передачи информации, фактически, высокоскоростной интернет обязан своим существованием оптоволоконной связи. А оптическое волокно и представляет собой подобие веревки, где каждое волокно является световодом.

Обнаружение несплошностей металла и сварки является очень важным делом во многих областях техники. Одним из способов такого обнаружения является ультразвуковая дефектоскопия. Ее принцип прямо связан с законом Снеллиуса (в дефектоскопии он называется законом синусов), правда, вместо волн света в этом виде неразрушающего контроля качества выступают звуковые волны. Для них закон также справедлив и имеет аналогичную форму.

А теперь, как и обещали, эксперименты:

Источник: 4GIFs.comИсточник: youtube.com/illisionphileИсточник: youtube.com/illisionphileИсточник: youtube.com/illisionphile

Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!