Распространение света в воде
Преломление света. На границе водной и воздушной среды проявляется эввект рефракции света, то есть преломления.
Поскольку воздух, стекло и вода имеют разную плотность, свет проходит через них с разной скоростью. Скорость распространения света в воде примерно на 25% ниже, чем в атмосфере. При прохождении границы между любыми двумя средами лучи света будут преломляться (если только не будут пересекать эту поверхность под прямым углом). В результате при прохождении светом границ воды, стекла и воздуха, образуемых маской дайвера. у последнего будет складываться неверное представление о расстояниях (в соотношении примерно 3:4) с эффектом увеличения на треть. Так. если объект находится на расстоянии 4 м, дайверу будет казаться, что до него 3 м и что он примерно в 1,33 раза больше, чем на самом деле (степень увеличения зависит от расстояний между объектом и стеклом маски и между стеклом и глазом) Коэффициент преломления воды равен 1.33. а воздуха — 1.00, поэтому 1,33 — максимально возможное увеличение. Кроме того, объекты кажутся ближе только на небольшом расстоянии. По ряду причин при более значительном расстоянии человек склонен его переоценивать.
Человеческий глаз воспринимает лишь небольшой участок спектра электромагнитного излучения (от самых длинных радиоволн до гамма-излучения с самой малой длиной волны). Различия в длине волны воспринимаются как разные цвета.
Когда свет падает на объект, волны одной длины поглощаются, а другой — отражаются. Глаз определяет цвет объекта в зависимости от длины отраженных волн видимой части спектра. Если отражаются все волны видимой части спектра, объект видится белым; если лишь немногие, объект воспринимается как черный. Некоторые объекты под действием коротких волн излучают волны большей длины видимого спектра. Этот эффект именуется флуоресценцией и не только используется при производстве дайверского снаряжения ради лучшей видимости, но и может наблюдаться ночью у некоторых видов планктона, актиний и кораллов.
По мере проникновения света в глубь воды волны разной длины последовательно отфильтровываются. Первыми меркнут обладающие наименьшей энергией цвета красного участка видимого спектра, затем следуют волны оранжевого и желтого цветов, далее — зеленого и наконец — синего. На глубине красные, оранжевые и желтые объекты кажутся серыми или черными и обретают присущий им цвет только при использовании дай весом искусственных источников света.
Количество преломлённого в воде света зависит от угла падения лучей, состояния водной поверхности и степени рассеяности света
Световые волны , воспринимаемые человеческим глазом как синие, проникают в воду дальше всего в любом направлении. Взвешенные в воде вещества, как органические, так и неорганические, вызывают ее помутнение, а в замутненной воде наибольшей проникающей способностью обладают световые волны, воспринимаемые как желто-зеленые. Таким образом, если в прозрачной воде преобладает синий цвет, то в замутненной — желто-зеленый.
Даже прозрачная вода рассеивает, преломляет и поляризует свет, уменьшает тени и сглаживает контрасты. Поскольку легче разглядеть объекты, выделяющиеся на каком-то фоне, избирательное восприятие цветов определяет, какие цвета контрастируют друг с другом. Отсутствие контраста снижает четкость восприятия мелких деталей в воде гораздо сильнее, чем в воздушной среде. Искажения усиливаются с увеличением дистанции, которую свет проходит в воде — главным образом из-за того, что с увеличением расстояния между объектом и глазом формирующий изображение свет все больше рассеивается.
Фотоны света при столкновении со взвешенными в воде частицами отклоняются от траектории своего движения. То, как свет рассеивается при взаимодействии с веществами, зависит от размера частиц вещества. Согласно закону рассеяния, выведенному лордом Рэлеем. угол рассеивания солнечного света в атмосфере при его взаимодействии с молекулами составляющих атмосферу газов обратно пропорционален четверти интенсивности волны той или иной длины. Потому коротковолновый синий свет рассеивается гораздо лучше, нежели длинноволновый красный. Вот почему при солнечной погоде мы воспринимаем цвет неба как голубой, а цвет прозрачной волы — как синий.
Глаз адаптируется к сумеречной водной среде, и. когда зрачок максимально открывается, мозг переключается на зрительные рецепторы, которые более чувствительны к свету и менее чувствительны к цветам. Потому в сумерках мы плохо различаем цвета. Хотя порой дайверы перед погружением проводят от 15 до 30 минут в затемненном помещении, это не помогает им видеть под водой более мелкие детали и лучше различать цвета.
Количество света, проникающего в воду, зависит также от времени суток. Когда солнце стоит высоко в небе, обычно с 10.00 до 14.00 по местному времени, большее количество света пробивается сквозь поверхность воды под большим утлом и проникает в толщу воды. Именно в эти часы подводные фотографы предпочитают делать панорамные снимки. Когда солнце висит низко нал горизонтом, угол падения лучей небольшой, и значительная часть света отражается от границы воды. Если небо затянуто облаками, в воду будет проникать еше меньше света.
При взгляде из-под воды вверх дайвер может также видеть отражение от поверхности раздела воды и воздуха. Поверхность воды может иметь вид темного поля с ярким кругом прямо над головой. Этот круг, сквозь который видно небо, носит название люка Снеллиуса. Поле вокруг него — обратное рассеяние света, отраженного от более глубоких вод.
Когда водная поверхность покрыта рябью, блики яркого света беспрестанно вспыхивают на подводных объектах и на дне (эффект мятой фольги). Происходит это оттого, что волны работают как линзы. Гребень волны действует как увеличительное стекло, концентрирующее свет в виде яркого пятна. Подошва волны превращается в линзу с отрицательными диоптриями и рассеивает свет, образуя темные участки.
Вверху. Мелкие прибрежные воды, такие, как эти, в заливе Свиней на Кубе, кажутся желто-зелеными.
Внизу. Глубокие океанские воды, например эти, у рифа Эльфинстоун близ побережья Египта, кажутся синими
Источник
Особенности явления преломления света с точки зрения физики
Процессы, которые связаны со светом, являются важной составляющей физики и окружают нас в нашей обыденной жизни повсеместно. Самые важные в данной ситуации являются законы отражения и преломления света, на которых зиждется современная оптика. Преломление света является важной составляющей частью современной науки.
Эта статья расскажет вам, что собой представляет явление преломления света, а также как выглядит закон преломления и что из него вытекает.
Основы физического явления
При падении луча на поверхность, которая разделяется двумя прозрачными веществами, имеющими разную оптическую плотность (к примеру, разные стекла или в воде), часть лучей будет отражена, а часть – проникнет во вторую структуру (например, пойдет распространяться в воде или стекле). При переходе из одной среды в другую для луча характерно изменение своего направления. Это и есть явление преломления света.
Особенно хорошо отражение и преломление света видно в воде.
Эффект искажения в воде
Смотря на вещи, находящиеся в воде, они кажутся искаженными. Особенно это сильно заметно на границе между воздухом и водой. Визуально кажется, что подводные предметы слегка отклонены. В описываемом физическом явлении как раз и кроется причина того, что в воде все объекты кажутся искаженными. При попадании лучей на стекло, данный эффект менее заметен.
Преломление света представляет собой физическое явление, которое характеризуется изменением направления движения солнечного луча в момент перемещения из одной среды (структуры) в другую.
Для улучшения понимания данного процесса, рассмотрим пример попадания луча из воздуха в воду (аналогично для стекла). При проведении перпендикуляра вдоль границы раздела можно измерить угол преломления и возвращения светового луча. Данный показатель (угол преломления) будет изменяться при проникновении потока в воду (внутрь стекла).
Обратите внимание! Под данным параметром понимается угол, который образует перпендикуляр, проведенный к разделу двух веществ при проникновении луча из первой структуры во вторую.
Этот же показатель характерен и для других сред. Установлено, что данный показатель зависит от плотности вещества. Если падение луча происходит из менее плотной в более плотную структуру, то угол создаваемого искажения будет больше. А если наоборот – то меньше.
При этом изменение наклона падения также скажется и на данном показателе. Но отношение между ними не остается постоянным. В то же время, отношение их синусов останется постоянной величиной, которую отображает следующая формула: sinα / sinγ = n, где:
- n – постоянная величина, которая описана для каждого конкретного вещества (воздуха, стекла, воды и т.д.). Поэтому, какова будет данная величина можно определить по специальным таблицам;
- α – угол падения;
- γ – угол преломления.
Для определения этого физического явления и был создан закон преломления.
Физический закон
Закон преломления световых потоков позволяет определить характеристики прозрачных веществ. Сам закон состоит из двух положений:
- первая часть. Луч (падающий, измененный) и перпендикуляр, который был восстановлен в точке падения на границе, например, воздуха и воды (стекла и т.д.), будут располагаться в одной плоскости;
- вторая часть. Показатель соотношения синуса угла падения к синусу этого же угла, образовавшегося при переходе границы, будет величиной постоянной.
При этом в момент выхода луча из второй структуры в первую (например, при прохождении светового потока из воздуха, через стекло и обратно в воздух), также будет возникать эффект искажения.
Важный параметр для разных объектов
Основной показатель в данной ситуации — это соотношение синуса угла падения к аналогичному параметру, но для искажения. Как следует из закона, описанного выше, данный показатель являет собой постоянную величину.
При этом при изменении значения наклона падения, такая же ситуация будет характерна и для аналогичного показателя. Данный параметр имеет большое значение, поскольку является неотъемлемой характеристикой прозрачных веществ.
Показатели для разных объектов
Благодаря этому параметру можно довольно эффективно различать виды стекол, а также разнообразные драгоценные камни. Также он важен для определения скорости перемещения света в различных средах.
Обратите внимание! Наивысшая скорость светового потока – в вакууме.
При переходе из одного вещества в другие, его скорость будет уменьшаться. К примеру, у алмаза, который обладает самым большим показателем преломляемости, скорость распространения фотонов будет в 2,42 раза выше, чем у воздуха. В воде же они будут распространяться медленнее в 1,33 раза. Для разных видов стекол данный параметр колеблется в диапазоне от 1,4 до 2,2.
Обратите внимание! Некоторые стекла имеют показатель преломляемости 2,2, что очень близко к алмазу (2,4). Поэтому не всегда получится отличить стекляшку от реального алмаза.
Оптическая плотность веществ
Свет может проникать через разные вещества, которые характеризуются различными показателями оптической плотности. Как мы уже говорили ранее, используя данный закон можно определить характеристику плотности среды (структуры). Чем более плотной она будет, тем с меньшей скоростью в ней будет распространяться свет. Например, стекло или вода будут более оптически плотными, чем воздух.
Кроме того, что данный параметр является постоянной величиной, он еще и отражает отношение скорости света в двух веществах. Физический смысл можно отобразить в виде следующей формулы:
Данный показатель говорит, каким образом изменяется скорость распространения фотонов при переходе из одного вещества в другое.
Еще один важный показатель
При перемещении светового потока через прозрачные объекты возможна его поляризация. Она наблюдается при прохождении светового потока от диэлектрических изотропных сред. Поляризация возникает при прохождении фотонов через стекло.
Частичная поляризация наблюдается, когда угол падения светового потока на границе двух диэлектриков будет отличаться от нуля. Степень поляризации зависит от того, каковы были углы падения (закон Брюстера).
Полноценное внутреннее отражение
Завершая наш небольшой экскурс, еще необходимо рассмотреть такой эффект, как полноценное внутреннее отражение.
Явление полноценного отображения
Для появления данного эффекта необходимо увеличение угла падения светового потока в момент его перехода из более плотного в менее плотную среду в границе раздела между веществами. В ситуации, когда данный параметр будет превосходить определенное предельное значение, тогда фотоны, падающие на границу этого раздела будут полностью отражаться. Собственно это и будет наше искомое явление. Без него невозможно было сделать волоконную оптику.
Заключение
Практическое применение особенностей поведения светового потока дали очень многое, создав разнообразные технические приспособления для улучшения нашей жизни. При этом свет открыл перед человечеством далеко не все свои возможности и его практический потенциал еще полностью не реализован.
Источник
Свет через вода воздух
Задание 18. Пучок монохроматического света переходит из воды в воздух. Частота световой волны — v, длина световой волны в воде — λ, показатель преломления воды относительно воздуха — n.
Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать.
А) Показатель преломления воды относительно воздуха n можно выразить формулой
, (1)
где 
— скорость света в воздухе; 
— скорость света в воде. Отсюда имеем:
,
и скорость света в воздухе
.
Б) Из формулы (1) имеем:
,
и длина волны в воздухе
.
Источник
