Теория работы. При падении света на границу раздела двух прозрачных сред свет частично отражается и частично преломляется

При падении света на границу раздела двух прозрачных сред свет частично отражается и частично преломляется. Это обусловлено различием скоростей распространения света в разных средах. Оптической характеристикой среды является ее абсолютный показатель преломления, показывающий, во сколько раз скорость света с = 3×10⁸ м/с в вакууме больше скорости света u в среде:

. (1)

Величина абсолютного показателя преломления среды зависит от длины волны света, а также от природы и строения вещества, его агрегатного состояния, температуры, давления и др. Например, в видимом диапазоне длин волн абсолютные показатели преломления для большинства твердых и жидких прозрачных тел лежат в диапазоне n = 1,3 - 2,5, в рентгеновском практически для всех сред n» 1.

Относительным показателем преломления n ₂₁ второй среды относительно первой называется отношение абсолютных показателей преломления n ₂, n ₁ этих сред или фазовых скоростей u ₁, u ₂ света в них:

(2)

Если n ₂₁ >1, то вторая среда является оптически более плотной, чем первая.

Так как показатель преломления воздуха в видимом диапазоне незначительно (в четвертом знаке после запятой) отличается от показателя преломления вакуума, то показатель преломления воздуха так же, как и вакуума, принимают равным единице, а измеренные относительно воздуха показатели преломления сред считают абсолютными. В высокоточных измерениях отличием показателя преломления воздуха от единицы пренебрегать нельзя.

При падении световой волны на идеально плоскую границу раздела двух различных оптически однородных сред выполняются законы отражения и преломления света (рис. 1).

Закон отражения света: луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела сред в точке падения луча, и образованные ими углы падения a и отражения b равны по абсолютной величине.

Закон преломления света: луч, падающий на преломляющую поверхность, и

Рис. 1

луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела в точке падения луча, при этом произведение показателя преломления первой среды на синус угла падения равно произведению показателя преломления второй среды на синус угла преломления: n ₁ sin a = n ₂ sin g. Отсюда следует, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

. (3)

Для определения показателя преломления прозрачных сред существуют различные методы. Одним из них является метод определения показателя преломления стекла при помощи микроскопа. В основе метода лежит явление кажущегося уменьшения толщины стеклянной плоскопараллельной пластинки вследствие преломления проходящих сквозь нее световых лучей.

Схема прохождения лучей света сквозь плоскопараллельную стеклянную пластинку дана на рис. 2.

Рис. 2

В точку А, находящуюся на нижней поверхности стеклянной пластинки, падают два луча света 1 и 2. Луч 2 падает на пластинку нормально к ее поверхности и поэтому проходит сквозь пластинку и выходит в воздух в точке С, не испытывая преломления. Луч 1, преломляясь на нижней и верхней поверхностях пластинки, выходит из нее через точку О в направлении D. При выходе из пластинки луч ОD образует угол преломления a, больший, чем угол падения g, т. к. n ₂ > n ₁ = 1. Таким образом, плоскопараллельная пластинка сдвигает падающий под углом к ней луч параллельно самому себе.

Рассматривая ход лучей 1 и 2 в обратном направлении, наблюдатель будет видеть точку пересечения лучей DО и СА не в точке А, а в точке Е, т.е. толщина пластинки будет казаться наблюдателю равной СЕ = h, потому что попадающий в глаз наблюдателя расходящийся световой пучок лучей СA и DO при прямолинейном распространении должен исходить из мнимой точки Е, а не из реальной точки А.

Из рис. 2 видно, что кажущаяся толщина пластинки h меньше истинной Н, т.е. действительной ее толщины СА = Н. Для лучей, близких к нормально падающим лучам, углы падения и преломления малы. В этом случае синусы можно заменить тангенсами и закон преломления света для рассмотренного обратного хода лучей от D к А можно представить в виде:

Из рис. 2 имеем: ; , и после соответствующих преобразований получим: . (4)

Следовательно, показатель преломления n стекла можно найти из отношения истинной толщины Н стеклянной пластинки к кажущейся ее толщине h.

Истинная толщина пластинки определяется с помощью микрометра, кажущаяся – с помощью микроскопа.

Микроскоп представляет собой оптический прибор, предназначенный для получения сильно увеличенных изображений мелких объектов. Простейшая оптическая схема микроскопа состоит из объектива и окуляра, которые совместно формируют изображение объекта. Объектив и окуляр находятся в тубусе микроскопа, который может сильно перемещаться при вращении винта грубой наводки и очень слабо – при вращении микрометрического винта. Перемещение тубуса с помощью микрометрического винта определяется с точностью до тысячных долей мм.