Закон преломления света. Полное отражение

На границе двух сред происходит отражение и преломление света. Свет меняет направление своего распространения и часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть происходит отражение света.
Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом направление распространения. Происходит преломление света.

Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров.
Проведем простое наблюдение. Положим на дно пустого непрозрачного стакана монету. Поставим стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одном уровне. Не меняя положение, будем наливать воду. По мере повышения уровня воды дно стакана как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью.
Опустим карандаш в стакан с водой. Если посмотреть на стакан с боку, то можно заметить, что часть карандаша, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону.
Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред – преломлением света. Угол  называется углом падения, угол   – углом преломления. Траектория луча не зависит от того, в прямомили обратном направлении распространяется луч. Двигаясь в обратном направлении, луч пойдёт в точности по тому же пути, что и в прямом направлении. Это явление называют принципом обратимости световых лучей.
Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения есть величина постоянная для двух сред, которое называют относительным показателем преломления. Его можно еще определить, как отношение скоростей распространения световой волны в двух средах, на границе между которыми происходит преломление.

Переходя из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, световой луч после преломления идёт ближе к нормали. В этом случае угол падения больше угла преломления. И наоборот, переходя из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, лучотклоняется дальше от нормали. Здесь угол падения меньше угла преломления.
Надо отметить, что падающий луч, луч преломленный, и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду.  
Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.
Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, то есть от температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света: для разного цвета света показатель преломления разный.
Закон преломления света позволяет рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например, в треугольной призме, изготовленной из стекла или других прозрачных материалов. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях АВ и ВС. Угол  между этими гранями называют преломляющим углом призмы. Угол β – угол отклонения луча зависит от преломляющего угла  призмы, показателя преломления  материала призмы n и угла падения.
Закон преломления света позволяет объяснить интересное и практически очень важное явление – полное отражение света. При прохождении света из оптически менее плотной среды в более  плотную преломленный луч приближается к перпендикуляру к границе раздела сред. Если направить луч света в обратном направлении – из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль ранее преломленного луча, то преломленный луч отклоняется от перпендикуляра.
По мере увеличения угла падения  угол преломления β также увеличивается, оставаясь все время больше угла . Наконец при некотором угле падения значение угла преломления приблизится в 90 градусам, и преломленный луч пойдет почти по границе раздела двух сред.
Если продолжать увеличивать угол падения, то преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление называется полным отражением света.
Угол падения, соответствующий углу преломления в 90 градусов, называют предельным углом полного отражения.
Для вычисления предельного угла полного внутреннего отражения необходимо знать табличные значения абсолютных показателей преломления веществ. Рассмотрим на примере «вода – воздух». Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения есть величина постоянная для двух сред, и оно равно отношению абсолютных показателей преломления этих сред. После преобразований пропорции получим, что предельный угол полного внутреннего отражения равен арксинусу произведения абсолютного показателя преломления воздуха и синуса угла преломления к абсолютному показателю преломления воды Приняв во внимание значение угла преломления, составляет 90 градусов, и то, что синус 90 градусов равен единице, вычисляем значение предельного угла полного внутреннего отражения на границе сред «вода-воздух». Это соответствует углу 49 градусов.
Угол падения, угол преломления, угол отражения света и перпендикуляр, восстановленный в точке падения света к границе раздела сред, лежат в одной плоскости.
Явление полного отражения легко наблюдать и на простом опыте. Нальем в стакан воду и поднимем его несколько выше уровня глаз. Поверхность воды при рассматривании ее снизу сквозь стенку кажется блестящей, словно посеребренной, вследствие полного отражения света.
Полное отражение света используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления.

За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому прямому или изогнутому пути. Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения. Данный способ широко используется в медицине, например, для исследования внутренних органов.
Вначале полное отражение представляло собой лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции в способах передачи информации. По мере улучшения технологии изготовления длинных пучков волокон – световодов все шире начинает применяться связь (в том числе и телевизионная) с помощью световых лучей.
На явлении внутреннего отражения основано устройство перископа. Перископ состоит из двух плоских зеркал и двух угловых поворотных призм.   Перископ является обязательным прибором любой подводной лодки.
На транспорте применяется угловой отражатель – катафот, его укрепляют сзади – красный, впереди – белый, на спицах колес велосипеда – оранжевый.
Чудом природы можно назвать миражи - оптическое явление в ясной, спокойной атмосфере при различной степени нагревания отдельных ее слоев, состоящее в том, что невидимые, находящиеся за горизонтом предметы отражаются в преломленной форме в воздухе.