Опыты на отражение и преломление. Опыты птолемея по преломлению света. Важный параметр для разных объектов

Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, плоское зеркало из деталей прибора.

При подготовке прибора по геометрической оптике к работе регулируют освещение экрана. Для этого ослабляют шаровой шарнир и поворачивают или смещают осветитель до тех пор, пока средняя полоска света не пройдет через весь экран (по его диаметру). В этом положении осветитель закрепляют. Если же при этом полоска света будет расплывчатой, не резкой, то, отпустив винт, фиксирующий электропатрон в осветителе, вращают, опускают или поднимают электропатрон до получения четкой полоски света на экране. Если боковые полоски света не доходят до края экрана, то следует изменить наклон осветителя. После наладки все винты надежно закрепляют.

Установку собирают по рисунку 278. С помощью прижима ус­танавливают плоское зеркало из набора оптических деталей так, чтобы его отражающая поверхность совпадала с горизонтальной осью. Оставляют лишь один средний луч. Изменяют угол паде­ния от 0 до 90°, отмечают угол отражения, сравнивают эти углы, делают вывод.

Повторяют опыт, демонстрируя свойства обратимости световых пучков, для чего переводят осветитель из одной части диска в дру­гую. (При демонстрации опытов по геометрической оптике поме­щение должно быть затемнено.)

Рис. 278 Рис. 280

Опыт 2. Преломления света

Вариант 1. Оборудование:

На экране устанавливают прозрачный полуцилиндр мато­вой стороной к экрану и плоским срезом вверх так, чтобы он со­впадал с горизонтальной осью. Центр полуцилиндра совмещают с центром экрана с помощью риски на матовой поверхности полу­цилиндра (рис. 280).

При демонстрации опыта пользуются средним лучом. Направ­ляют луч в центр полуцилиндра перпендикулярно плоскости (луч проходит без изменения направления). Отклоняют падающий луч от перпендикуляра и замечают, что преломленный луч выходит из полуцилиндра под другим углом. Сравнивают углы падения и пре­ломления, делают вывод.

Повторяют опыт при другом угле паде­ния. (Во время опыта следует обратить внимание на раздвоение пучка света на границе раздела двух сред.)

Опыт 3. Явление полного отражения света

Вариант 1. Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики, выпрямитель ВС-24 или ВС 4-12, полуцилиндр из набора оптических деталей.

Обратив внимание на соотношение углов падения и преломления в предыдущем опыте (рис.280), изменяют положение полуцилиндра. Его выпуклой стороной устанавливают к осветите­лю (плоский срез совпадает с горизонтальной осью). Изменяют углы падения, сравнивают с углами преломления, делают вывод.

Сравнивают соотношение углов падения и преломления в зависимости от соотношения оптической плотности сред (результаты данного и предыдущего опытов). Делают вывод.

Убеждаются, что при увеличении угла падения яр­кость отраженного пучка возрастает, а преломленного - уменьша­ется. Увеличивают угол падения до тех пор, пока преломленный луч не исчезнет. При дальнейшем увеличении угла падения будет на­блюдаться только отраженный луч. Наблюдают явление полного отра­жения света.

Вопрос. Чему равен предельный угол полного отражения? (Ответ дайте с одной значащей цифрой.)

Вариант 2. Оборудование: проекционный аппарат, аквариум.

Установку собирают по рисун­ку 281. В стеклянную ванну (аквариум) наливают слой воды толщиной 7-8 см и подкрашивают ее хвойным концентратом. Перед конденсором проекционного ап­парата устанавливают горизонтальную щель, а на оправу объек­тива надевают плоское зеркало. Направляют пучок света на бо­ковую стенку стеклянной ванны. Наблюдают преломление пучка света в воде, полное отражение от поверхности воды и преломление при выходе пучка из ванны. Изменяя угол падения, можно наблюдать многократное полное отражение пучка света от по­верхности воды и дна ванны.

На прошлых уроках мы говорили о плоских зеркалах и обсуждали законы отражения света. На этом уроке, тема которого: «Преломление света», мы рассмотрим ещё один эффект, наблюдающийся при попадании света на границу раздела двух сред.

Преломление часто встречается в повседневной жизни и воспринимается нами как обыденное явление, например ложка, которая находится в стакане с чаем и выглядит поломанной на границе раздела воздух - вода (см. Рис. 8). Преломление и отражение света в каплях воды порождает радугу, а многократным преломлением в мелких прозрачных элементах структуры (снежинках, волокнах бумаги, пузырьках) объясняется свойство матовых, не зеркальных отражающих поверхностей (белый снег, бумага, белая пена).

Луч света из-за преломления может искривляться. Если бросить в большой сосуд с водой много сахара, не размешивая, и через несколько минут посветить сбоку лучом лазерной указки, то можно увидеть искривление луча (см. Рис. 9). Это связано с тем, что растворение сахара в воде происходит неравномерно и образуется множество слоёв с разными коэффициентами преломления, следовательно, на границе каждого слоя луч немного преломляется.

Рис. 8. Искривление ложки в результате преломления света ()

Рис. 9. Искривление луча в сосуде с водой и сахаром

Проведём опыт, для которого понадобятся лазерная указка, сосуд с жидкостью, а также экран в виде листа бумаги. Направляем луч лазерной указки на поверхность сосуда с водой (см. Рис. 1). Видим:

1. луч отражается от поверхности воды (точка на экране);

Рис. 1. Опыт, демонстрирующий преломление света

Преломление света - изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред.

Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древнегреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом, почему палка в воде кажется сломанной.

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).

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.

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 ()

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 ()

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.

Табл. 1. Скорость света в различных средах

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

Табл. 2. Абсолютные показатели преломления света для различных веществ

Оптическая плотность - мера ослабления света прозрачными объектами (кристаллы, стёкла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (фотография, металлы).

Чем меньше скорость распространения света в среде, тем больше оптическая плотность среды.

Чем больше отличаются оптические плотности двух сред, тем сильнее свет преломляется на границе их раздела.

Рассмотрим преломление света с помощью оптической шайбы (оптическая шайба - это белый диск, по кругу которого нанесены деления, а на краю установлен осветитель), на которую установим стеклянный полуцилиндр (см. Рис. 2). Направим узкий пучок света на этот полуцилиндр: часть пучка отразится, а часть пройдёт сквозь него, изменив своё направление.

Рис. 2. Наблюдение преломления с помощью оптической шайбы

На схеме (см. Рис. 3) видим, что луч SO задаёт направление падающего пучка света, луч OK - направление отражённого пучка, луч OB - направление преломлённого пучка; MN - перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча SO . Все указанные лучи лежат в одной плоскости - плоскости поверхности диска.

Угол, образованный преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным в точке падения луча, называется углом преломления (γ ).

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке падения, называется углом падения .

Рис. 3. Схема преломления и отражения луча света при переходе из воздуха в стекло

Если увеличивать угол падения (α ), то увеличится и угол преломления (γ ).

Соотношение углов падения и преломления луча света при переходе из одной среды в другую всегда зависит от оптической плотности сред:

Если свет идёт из менее оптически плотной в более оптически плотную среду, то угол преломления будет меньше угла падения ();

Если свет идёт из более оптически плотной среды в менее оптически плотную, то угол преломления будет больше угла падения ().

Закон Снеллиуса (закон преломления света) гласит, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная.

где , и - абсолютные показатели преломления среды, в которой луч света двигался соответственно до пересечения границы раздела и после;

n - относительный показатель преломления второй среды относительно первой;

И - скорости движения луча света в средах соответственно до пересечения границы раздела и после.

Решение задач

Задача 1

В жарких пустынях иногда наблюдается мираж: вдалеке возникает поверхность водоёма. Какими физическими явлениями обусловлен такой мираж?

Решение

Воздух в пустыне нагревается днём, получая тепло от горячего песка, поэтому нижние слои воздуха иногда оказываются самыми тёплыми. Тогда эти нижние слои имеют меньшую плотность, следовательно, и меньший показатель преломления, чем верхние слои. Отражённый каким-либо предметом солнечный свет может испытать настолько большое искривление в оптически неоднородной среде, что это приведёт к полному отражению от слоя тёплого воздуха у поверхности Земли. Возникнет иллюзия, что свет отражается от зеркальной поверхности, которую принимают за поверхность водоёма (см. Рис. 10).

Урок по физике в 11 классе по теме "Преломление света" .

Цели урока:

проверить знание законов отражения;

научить измерять показатель преломления стекла, используя закон преломления;

развитие навыков самостоятельной работы с оборудованием;

развитие логического мышления, памяти, умение подчинять внимание выполнению заданий.

воспитание аккуратной работы с оборудованием;

воспитание сотрудничества в процессе совместного выполнения задач.

Межпредметные связи: физика, математика, литература.

Тип урока: изучение нового материала, совершенствование и углубление знаний, умений, навыков.

Оборудование:

Приборы и материалы для лабораторной работы: стакан высокий вместимостью 50 мл, пластина стеклянная (призма) с косыми гранями, пробирка, карандаш.

Чашка с водой, на дне которой монета; тонкий стеклянный стакан.

Пробирка с глицерином, стеклянная палочка.

Карточки с индивидуальным заданием.

Демонстрация: Преломление света. Полное внутреннее отражение.

ХОД УРОКА.

I. Организационный момент. Сообщение темы урока.

Учитель: Ребята, мы с вами перешли к изучению раздела физики «Оптика», в которой изучаются законы распространения света в прозрачной среде на основе представлений о световом луче. Сегодня вы узнаете, что закон преломления волн справедлив и для света.

Итак, цель сегодняшнего урока – изучение закона преломления света.

II. Актуализация опорных знаний.

1. Что такое световой луч? (Геометрическая линия, указывающая направление распространения световой энергии, называется световым лучом.)

Природа света – электромагнитная. Одним доказательством этого является совпадение величин скоростей электромагнитных волн и света в вакууме. При распространении света в среде он поглощается и рассеивается, а на границе раздела сред – отражается и преломляется.

Повторим законы отражения. (УСТНО: на интерактивной доске подготовлены задания)

Карточка 1.
Построить в тетради отраженный луч.

Карточка 2.
Будут ли параллельны отраженные лучи?

Карточка 3.
Постройте отражающую поверхность.

Карточка 4.
Угол между падающим лучом и отраженным лучом 60°. Чему равен угол падения? Начертить в тетради.

2. Сформулируйте закон распространения света.

А в полдень лужи под окном
Так разливаются и блещут,
Что ярким солнечным пятном
По залу «зайчики» трепещут.
И.А. Бунин.

Объясните с точки зрения физики наблюдаемое явление, описанное Буниным в четверостишии.

Проверка выполнение заданий по карточкам.

III. Объяснение нового материала.

На границе раздела двух сред свет, падающий из первой среды, отражается в неё обратно. Если вторая среда прозрачная, то свет частично может пройти через границу сред. При этом, как правило, он меняет направление распространения, или испытывает преломление.

Преломление волн при переходе из одной среды в другую вызвано тем, что скорости распространения волн в этих средах различны.

Выполните опыты «Наблюдение преломления света».

Расположите карандаш наклонно в стакане с водой и посмотрите на него сверху, а затем сбоку. Почему при наблюдении сверху карандаш у поверхности воды кажется надломленным?
Почему при наблюдении сбоку часть карандаша, расположенная в воде, кажется сдвинутой в сторону и увеличенной в диаметре?
Это все объясняется тем, что при переходе из одной прозрачной среды в другую световой луч преломляется.

Наблюдение отклонения лучика лазерного фонарика при прохождении через плоскопараллельную пластину.

Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Показатель преломления относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления.

В сборнике задач найдите таблицу «Показатель преломления веществ». Обратите внимание, что стекло, алмаз имеют больший показатель преломления, чем вода. Как вы думаете почему? Твердые тела имеют более плотную кристаллическую решетку, свету труднее пройти через неё, поэтому вещества имеют больший показатель преломления.

Вещество, имеющее больший показатель преломления n 1 , называется оптически более плотной средой, если n 1 > n 2 . Вещество, имеющее меньший показатель преломления n 1 , называется оптически менее плотной средой, если n 1 < n 2 .

IV. Закрепление пройденной темы.

2. Решение задач №1395.

3. Лабораторная работа «Определение показателя преломления стекла».

Оборудование: Стеклянная пластина с плоскопараллельными гранями, дощечка, транспортир, три булавки, карандаш, угольник.

Порядок выполнения работы.

V.

Можно повторить опыт изобретателя со стеклянной палочкой – «палочкой-невидимкой». В колбу с глицерином через пробку вставляется стеклянная палочка, часть палочки, погруженная в глицерин, становится невидимой. Если колбу перевернуть, то невидимой становится другая часть палочки. Наблюдаемый эффект легко объясняется. Показатель преломления стекла почти равен показателю преломления глицерина, поэтому на границе данных веществ не происходит ни преломления, ни отражения света.

Полное отражение.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду (на рисунке), то при некотором угле падения α0 угол преломления β становится равным 90°. Интенсивность преломленного луча в этом случае становится равной нулю. Свет, падающий на границу раздела двух сред полностью отражается от неё. Происходит полное отражение.

Угол падения α0 , при котором наступает полное внутреннее отражение света, называется предельным углом полного внутреннего отражения. При всех углах падения, равных и больших α0 , происходит полное отражение света.

Величина предельного угла находится из соотношения . Если n 2 =1 (вакуум, воздух), то .

Опыты «Наблюдение полного отражения света».

1. Расположите карандаш наклонно в стакане с водой, поднимите стакан выше уровня глаз и посмотрите снизу через стакан на поверхность воды. Почему при рассматривание снизу поверхность воды в стакане кажется зеркальной?

2. Опустите пустую пробирку в стакан с водой и посмотрите на неё сверху часть пробирки, погруженная в воду, кажется блестящей?

3. Проделайте дома опыт «Делаем монетку невидимой». Вам понадобится монетка, чаша с водой и прозрачный стакан. Положите монетку на дно чаши и заметьте, под каким углом она видна снаружи. Не сводя глаз с монетки, опускайте потихонечку сверху в чашу перевернутый пустой прозрачный стакан, держа его строго вертикально, чтобы вода не заливалась внутрь. Объясните на следующем уроке наблюдаемое явление.

(В некоторый момент монета исчезнет! Когда вы опускаете стакан, уровень воды в чаше поднимается. Теперь, чтобы выйти из чаши, луч должен дважды пройти границу раздела вода-воздух. После прохождения первой границы угол преломления будет значительным, так что на второй границе произойдет полное внутреннее отражение. Свет уже не выходит из чаши, поэтому вы и не видите монетки.)

Для границы раздела стекло-воздух угол полного внутреннего отражения равен: .

Предельные углы полного отражения.

Алмаз…24º
Бензин….45º
Глицерин…45º
Спирт…47º
Стекло различных сортов …30º-42º
Эфир…47º

Испытывая полное внутреннее отражение, световой сигнал может распространятся внутри гибкого стекловолокна (световода). Свет может покидать волокно лишь при больших начальных углах падения и при значительном изгибе волокна. Использование пучка, состоящего из тысяч гибких стекловолокон (с диаметром каждого волокна от 0,002-0,01 мм), позволяет передавать из начала в конец пучка оптические изображения.

Волоконная оптика – система передачи оптических изображений с помощью стекловолокон (стекловодов).

Волоконно-оптические устройства повсеместно используются в медицине в качестве эндоскопов – зондов, вводимых в различные внутренние органы (бронхиальные трубы, кровеносные сосуды и т. д.) для непосредственного визуального наблюдения.

В настоящее время волоконная оптика вытесняет металлические проводники в системах передачи информации.

Увеличение несущей частоты передаваемого сигнала увеличивает объём передаваемой информации. Частота видимого света на 5-6 порядков превосходит несущую частоту радиоволн. Соответственно с помощью светового сигнала можно передавать в миллион раз больше информации, чем с помощью радиосигнала. Необходимая информация по волоконному кабелю передается в виде модулированного лазерного излучения. Волоконная оптика необходима для быстрой и качественной передачи компьютерного сигнала, содержащего большой объём передаваемой информации.

Полное внутреннее отражение используется в призматических биноклях, перископах, зеркальных фотоаппаратах, а также в световращателях (катафотах), обеспечивающих безопасную стоянку и движение автомобилей.

Подведение итогов.

На сегодняшнем уроке мы познакомились с преломлением света, узнали, что такое показатель преломления, определили показатель преломления плоскопараллельной стеклянной пластины, познакомились с понятием полного отражения, узнали о применение волоконной оптики.

Домашнее задание.

Мы рассмотрели преломление света на плоских границах. При этом размер изображения остается равным размеру предмета. На следующих уроках мы рассмотрим прохождение светового луча через линзы. Необходимо повторить из биологии строение глаза.

Список литературы:

Г.Я. Мякишев. Б.Б. Буховцев . Учебник по физике 11 класс.

В.П.Демкович, Л.П.Демкович . Сборник задач по физике.

Я.И.Перельман . Занимательные задачи и опыты.

И.Я. Ланина . Не уроком единым.

На предыдущих уроках вы познакомились с основными законами распространения света: законами отражения и преломления. Но, как известно, любой постигнутый закон человек стремится использовать на практике. Если для двух сред показатель преломления остается постоянным, можем ли мы, например, определять вещество одной среды, зная вещество другой по углу отклонения светового луча при прохождении границы раздела этих сред? Как это сделать на практике, вы узнаете из этого урока, посвященного лабораторной работе.

Тема: Оптика

Урок: Практическая работа по теме "Определение показателя преломления стекла"

Цель работы : определение относительного показателя преломления стекла с помощью плоскопараллельной пластины.

Рис. 1. Определение показателя

sinα – угол падения

sinγ – угол преломления

На рисунке – две горизонтальные линии: малая и большая грань плоскопараллельной пластины (см. Рис. 1).

В точке О располагается первая булавка. Вторая булавка располагается в точке А. Направление АО – направление падающего луча.

Направление от точки О до булавки, расположенной на большой грани, – преломленный луч.

Отмерим при помощи линейки расстояние ОD = ОА.

Из точки А на перпендикуляр раздела двух сред опускаем перпендикуляр. Из точки D на перпендикуляр раздела двух сред опускаем перпендикуляр.

Два треугольника – прямоугольные. В них можно определять синус угла падения и синус угла преломления.

При помощи линейки измеряются расстояние АС и расстояние DB.

Необходимо сделать несколько измерений. Для этого нужно изменять расположение второй булавки под любым другим углом. Вследствие этого угол падения и угол преломления будут меняться, но показатель преломления будет постоянным для данных двух сред.

1 способ

Оборудование : плоскопараллельная пластина, 3 булавки, линейка, транспортир, лист бумаги, карандаш, кусок поролона.

Ход работы:

1. Положим на стол кусок поролона, чтоб было удобнее воткнуть булавки.

2. Накрываем поролон белым листом бумаги.

3. Положим сверху плоскопараллельную стеклянную пластинку.

4. Карандашом обводим малую и большую грани.

5. Первую булавку воткнем возле первой грани, вторую булавку воткнем под некоторым углом к первой.

6. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга (см. Рис. 2).

Рис. 2. Плоскопараллельная пластина

7. Отмечаем место расположения всех трех булавок.

8. Снимаем оборудование и смотрим на полученный чертеж.

9. При помощи линейки измеряем катеты (см. Рис. 3).

Рис. 3. Определение показателя

СА = 15 мм, DB = 10 мм.

Для более точного результата необходимо выполнить несколько экспериментов.

Относительный показатель преломления равен 1,5, это означает, что скорость света при переходе из воздуха в стекло уменьшается в 1,5 раза.

Чтоб проверить полученные данные, необходимо сравнить их с таблицей показателей преломления для различных веществ (см. Рис. 4).

Рис. 4. Таблица показателей преломления

По показателю преломления можно определить, какое у нас вещество.

2 способ

Оборудование: лампочка, экран со щелью, лист бумаги.

Ход работы:

1. При помощи проводов соединяем гальванический элемент (батарейку) с лампочкой накаливания.

2. Перед лампой ставим экран со щелью, а за ним кладем плоскопараллельную пластинку.

3. Измеряем угол падения и угол преломления при помощи транспортира.

4. Используя таблицу Брадиса, найдем значения синусов по углам.

5. Вычисляем показатель преломления (см. Рис. 5).

Рис. 5. Плоскопараллельная пластина

Пример расчета погрешности

Погрешность:

1. Абсолютная.

2. Относительная.

Абсолютные погрешности: измерительного прибора, измерения

В металлической линейке погрешностью можно считать половину цены деления этого измерительного прибора, т.е. 0,5 мм.

Погрешность измерения также может составить половину цены деления линейки (0,5 мм).

В целом абсолютная погрешность равна 1 мм.

Относительная погрешность (ε) (см. Рис. 6):

Рис. 6. Относительная погрешность

Определение абсолютной погрешности измеряемого показателя преломления (см. Рис. 7):

Рис. 7. Абсолютной погрешность

1. Нижегородский филиал МИИТ ( ).

Опыты Птолемея по преломлению света

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) - автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника, Птолемей написал еще книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и описал исследование явления преломления света.
С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звезды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звездный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по ломаной линии, то есть происходит рефракция (преломление света). Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.
Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провел следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на нем две подвижные линейки l 1 и l 2 (см. рисунок). Линейки могли вращаться около центра круга на общей оси О.
Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Птолемей не нашел «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.

III. Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта...

Выпуск 3

В видеоуроке физики от Академии занимательных наук профессор Даниил Эдисонович продолжает начатый в предыдущей серии передачи разговор о свете. Что такое отражение света телезрители уже знают, а вот что такое преломление света? Именно преломлением света объясняются некоторые странные оптические явления, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни.

Явление преломления света

Почему ноги стоящих в воде людей кажутся короче, чем на самом деле, а если посмотреть на дно реки, то оно кажется ближе? Всё дело в явлении преломления света. Свет всегда старается двигаться по прямой линии, кратчайшим путём. Но попадая из одной физической среды в другую часть солнечных лучей меняет направление. В этом случае мы имеем дело с явлением преломления света. Именно поэтому ложка в стакане с чаем кажется сломанной — свет от части ложки, которая в чае, достигает наших глаз под другим углом, чем свет от части ложки, которая находится над поверхностью жидкости. Преломление света в данном случае происходит на границе воздуха с водой. При отражении луч света движется самым коротким путём, а при преломлении — самым быстрым. Используя законы отражения и преломления света, люди создали множество вещей, без которых сегодня наша жизнь немыслима. Телескопы, перископы, микроскопы, увеличительные стёкла, всё это было бы невозможно создать без знания законов преломления и отражения света. Увеличительное стекло увеличивает потому, что пройдя через него, лучи света попадают в глаз под углом большим, чем лучи, отражённые от самого предмета. Для этого предмет нужно расположить между лупой и её оптическим фокусом. Оптический фокус; это точка, в которой пересекаются (фокусируются) первоначально параллельные лучи после прохождения через собирающую систему (либо где пересекаются их продолжения, если система рассеивающая). У линзы (например, линзы очков) есть две стороны, поэтому луч света преломляется дважды — входя и выходя из линзы. Поверхность линзы может быть выгнутой, вогнутой или плоской, что определяет, каким именно образом в ней произойдёт явление преломления света. Если у линзы обе стороны выпуклые — это собирательная линза. Преломляясь в такой линзе, лучи света собираются в одной точке. Она называется главным фокусом линзы. Линза с вогнутыми сторонами называется рассеивающей. На первый взгляд она лишена фокуса, ведь лучи, проходя через неё, рассеиваются, расходятся в стороны. Но если мы перенаправим эти лучи обратно, то они, вновь пройдя через линзу, соберутся в точке, которая и будет фокусом этой линзы. Есть линза и в глазу человека, она называется хрусталиком. Его можно сравнить с кинопроектором, который проецирует картинку на экран — заднюю стенку глаза (сетчатку). Вот и получается, что озеро — это гигантская линза, вызывающая явление преломления света. Потому и кажутся короткими ноги у стоящих в нём рыбаков. Радуга тоже появляется на небе из-за линз. В их роли выступают мельчайшие капельки воды или частицы снега. Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов. В результате белый свет разлагается в спектр (происходит дисперсия света). Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по окружностям (дугам).