Введение

Физическое явление, связанное с направлением волн, жаропрочные металлы и керамика.

В физике преломление – это изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую. Это изменение может быть вызвано изменением скорости волны или изменением самой среды. Преломление света – наиболее распространенное явление, но преломлению подвержены и другие волны, такие как звуковые и водные. Степень преломления волны определяется изменением её скорости и начальным направлением распространения относительно направления изменения скорости. Для света преломление описывается законом Снелла, который утверждает, что для данной пары сред отношение синусов угла падения и угла преломления равно отношению фазовых скоростей в этих средах, или, что эквивалентно, отношению показателей преломления этих сред:

Оптические призмы и линзы используют преломление для изменения направления света, как и человеческий глаз. Показатель преломления материалов зависит от длины волны света, и, следовательно, угол преломления также изменяется соответствующим образом. Это явление называется дисперсией и объясняет, почему призмы и радуги разлагают белый свет на составляющие его спектральные цвета.

Общие пояснения

Правильное объяснение преломления включает в себя две отдельные части, обе являющиеся результатом волновой природы света. Свет замедляется, когда распространяется в среде, отличной от вакуума (например, в воздухе, стекле или воде). Это не связано с рассеянием или поглощением. Скорее, это происходит потому, что свет, как электромагнитное колебание, заставляет другие электрически заряженные частицы, такие как электроны, колебаться. Колеблющиеся электроны излучают собственные электромагнитные волны, которые взаимодействуют с исходным светом. В результате образуется "комбинированная" волна, волновые пакеты которой проходят мимо наблюдателя с меньшей скоростью. Свет как бы замедляется. Когда свет возвращается в вакуум, где нет электронов поблизости, этот эффект замедления прекращается, и его скорость возвращается к c.

Когда свет входит в более медленную среду под углом, одна сторона волнового фронта замедляется раньше другой. Это асимметричное замедление света приводит к изменению угла его распространения. Как только свет попадает в новую среду с постоянными свойствами, он снова движется по прямой.

Замедление света

Как описано выше, скорость света в среде, отличной от вакуума, ниже. Это замедление применимо к любой среде, такой как воздух, вода или стекло, и является причиной таких явлений, как преломление. Когда свет покидает среду и возвращается в вакуум, и пренебрегая любыми эффектами гравитации, его скорость возвращается к обычной скорости света в вакууме, c.

Распространенные объяснения этого замедления, основанные на идее рассеяния света атомами или его поглощения и последующего переизлучения, неверны. Подобные объяснения привели бы к эффекту "размытия" света, поскольку он больше не распространялся бы только в одном направлении. Однако такого эффекта в природе не наблюдается. Правильное объяснение основывается на природе света как электромагнитной волны. Поскольку свет представляет собой колеблющуюся электрическую/магнитную волну, распространение света в среде вызывает колебания электрически заряженных электронов материала. (Протоны материала также колеблются, но поскольку они примерно в 2000 раз массивнее, их движение и, следовательно, их влияние значительно меньше). Движущийся электрический заряд излучает собственные электромагнитные волны. Электромагнитные волны, излучаемые колеблющимися электронами, взаимодействуют с электромагнитными волнами, составляющими исходный свет, подобно волнам на воде в пруду, процесс, известный как конструктивная интерференция. Когда две волны взаимодействуют таким образом, результирующая "объединенная" волна может иметь волновые пакеты, которые проходят мимо наблюдателя с меньшей скоростью. Свет фактически замедляется. Когда свет покидает материал, это взаимодействие с электронами прекращается, и, следовательно, скорость волновых пакетов (и, следовательно, его скорость) возвращается к нормальной.

Сгибание света

Рассмотрим волну, переходящую из одной среды в другую, где её скорость меньше, как показано на рисунке. Если волна достигает границы между средами под углом, одна сторона волны достигнет второй среды первой и, следовательно, замедлится раньше. Поскольку одна сторона волны движется медленнее, вся волна повернётся в сторону этой стороны. Именно поэтому волна отклоняется от поверхности или к нормали при переходе в более медленную среду. В обратном случае, когда волна достигает среды, где скорость выше, одна сторона волны ускорится, а волна отклонится от этой стороны. Другой способ понять это – рассмотреть изменение длины волны на границе. Когда волна переходит из одной среды в другую, где она имеет другую скорость *v*, частота *f* волны остаётся неизменной, но расстояние между волновыми фронтами, то есть длина волны *λ = v/f*, изменяется. Если скорость уменьшается, как на рисунке справа, длина волны также уменьшается. При наличии угла между волновыми фронтами и границей и изменении расстояния между волновыми фронтами, угол должен изменяться на границе, чтобы волновые фронты оставались непрерывными. Исходя из этих соображений, можно вывести соотношение между углом падения *θ₁*, углом преломления *θ₂* и скоростями волн *v₁* и *v₂* в двух средах. Это закон преломления, или закон Снелла, который можно записать как…

Феномен преломления может быть более фундаментально выведен из двумерного или трёхмерного волнового уравнения. Граничное условие на границе требует, чтобы тангенциальная составляющая волнового вектора была одинаковой с обеих сторон границы. Поскольку величина волнового вектора зависит от скорости волны, это требует изменения направления волнового вектора. Скорость волны, о которой идёт речь в вышеизложенном, – это фазовая скорость волны. Обычно она близка к групповой скорости, которую можно рассматривать как истинную скорость волны, но когда они различаются, важно использовать фазовую скорость во всех расчётах, связанных с преломлением. Волна, распространяющаяся перпендикулярно границе, то есть имеющая волновые фронты, параллельные границе, не изменит направление, даже если скорость волны изменится.

Рассеивание света

Преломление также является причиной образования радуги и разложения белого света на спектр цветов при прохождении через стеклянную призму. Стекло и вода имеют более высокие показатели преломления, чем воздух. Когда луч белого света переходит из воздуха в среду, показатель преломления которой изменяется в зависимости от частоты (и длины волны), возникает явление, известное как дисперсия, при котором различные цветные составляющие белого света преломляются под разными углами, то есть отклоняются по-разному на границе раздела сред, в результате чего они разделяются. Различные цвета соответствуют различным частотам и длинам волн.

На воде

Преломление происходит, когда свет проходит через поверхность воды, поскольку показатель преломления воды равен 1,33, а показатель преломления воздуха – примерно 1. Если смотреть на прямой предмет, например карандаш на рисунке, расположенный под углом и частично погруженный в воду, то кажется, что объект изгибается на поверхности воды. Это происходит из-за отклонения световых лучей при их переходе из воды в воздух. Когда лучи достигают глаза, глаз мысленно продолжает их путь по прямым линиям (линиям зрения). Линии зрения (показаны пунктирными линиями) пересекаются в точке, расположенной выше, чем фактическое положение лучей. Это создает иллюзию, что карандаш находится выше, а вода – мельче, чем она есть на самом деле. Глубина, которую вода кажется имеющей при взгляде сверху, называется кажущейся глубиной. Это важный фактор, который необходимо учитывать при подводной охоте с поверхности, так как он искажает положение целевой рыбы, и охотнику необходимо целиться ниже, чтобы её поймать. И наоборот, объект над водой кажется выше при взгляде снизу. Рыбе-стрелке необходимо вносить противоположную поправку. При малых углах падения (измеряемых относительно нормали, когда sin θ приблизительно равен tan θ), отношение кажущейся глубины к реальной глубине равно отношению показателя преломления воздуха к показателю преломления воды. Однако, по мере приближения угла падения к 90°, кажущаяся глубина стремится к нулю, хотя при этом увеличивается отражение, что ограничивает наблюдения при больших углах падения. С другой стороны, кажущаяся высота стремится к бесконечности при увеличении угла падения (при взгляде снизу), но еще раньше, по мере приближения к углу полного внутреннего отражения, изображение также начинает исчезать.

Атмосферный

Индекс преломления воздуха зависит от плотности воздуха и, следовательно, изменяется с температурой и давлением воздуха. Поскольку давление ниже на больших высотах, индекс преломления также ниже, что вызывает преломление световых лучей к земной поверхности при прохождении больших расстояний в атмосфере. Это незначительно смещает видимое положение звёзд, когда они находятся близко к горизонту, и делает солнце видимым до того, как оно геометрически восходит над горизонтом во время восхода. Изменения температуры воздуха также могут вызывать преломление света. Это можно наблюдать как марево, когда горячий и холодный воздух смешиваются, например, над костром, в выхлопных газах двигателя или при открывании окна в холодный день. Это заставляет объекты, рассматриваемые сквозь смешанный воздух, казаться мерцающими или перемещаться случайным образом по мере движения горячего и холодного воздуха. Этот эффект также заметен при обычных колебаниях температуры воздуха в солнечный день при использовании телеобъективов с большим увеличением и часто ограничивает качество изображения в таких случаях. Аналогично, атмосферная турбулентность вызывает быстро меняющиеся искажения в изображениях астрономических телескопов, ограничивая разрешение наземных телескопов, не использующих адаптивную оптику или другие методы для компенсации этих атмосферных искажений. Изменения температуры воздуха вблизи поверхности могут приводить к другим оптическим явлениям, таким как миражи и фата-моргана. Чаще всего воздух, нагретый горячей дорогой в солнечный день, отклоняет свет, приближающийся под малым углом к наблюдателю. Это создаёт иллюзию отражения дороги, как будто она покрыта водой.

Клиническое значение

В медицине, особенно в оптометрии, офтальмологии и ортоптике, рефракция (также известная как рефрактометрия) – это клинический тест, в ходе которого квалифицированный специалист по уходу за глазами может использовать фороптер для определения рефракции глаза и подбора оптимальных корректирующих линз. Серия тестовых линз с постепенно изменяющейся оптической силой или фокусным расстоянием используется для выявления линз, обеспечивающих наиболее четкое и ясное зрение. Рефракционная хирургия – это медицинская процедура для лечения распространенных нарушений зрения.

Вода

Водные волны распространяются медленнее на меньшей глубине. Это можно использовать для демонстрации преломления в волновых баках, а также объясняет, почему волны у берега стремятся ударять о берег под углом, близким к перпендикулярному. Когда волны переходят из глубокой воды в более мелкую воду вблизи берега, они преломляются, отклоняясь от первоначального направления движения к углу, более нормальному к береговой линии.

Звук

В подводной акустике преломление – это изгиб или искривление звукового луча, возникающее при прохождении луча через градиент скорости звука из области с одной скоростью в область с другой скоростью. Степень изгиба луча зависит от разницы в скоростях звука, то есть от изменения температуры, солености и давления воды. Аналогичные акустические эффекты наблюдаются и в атмосфере Земли. Явление преломления звука в атмосфере известно с давних времен. Начиная с начала 1970-х годов, широкое изучение этого эффекта стало актуальным при проектировании городских автомагистралей и шумозащитных экранов для учета метеорологического влияния изгиба звуковых лучей в нижних слоях атмосферы.