Показатель преломления стекла
Почему в автомобиле с тонированными стеклами ехать более комфортно, а стеклянная линза может поджечь траву — ответы на подобные вопросы можно найти, если знать законы преломления света в стекле. Современные оптические приборы тоже появились благодаря изучению оптических свойств стеклянных линз. Важнейшая их характеристика — показатель преломления стекла.
О законе преломления светового потока
Волновая природа света устроена так, что скорость прохождения волны уменьшается с увеличением плотности среды. Направление потока света также изменяется, это и есть преломление света (ПС) — важнейший физический процесс.
В вакууме нет никаких препятствий для движения световой волны, поэтому там она достигает максимальной скорости, которая принимается за эталон. В любой другой среде плотность больше, и скорость распространения светового потока меньше. Часто в расчетах за вакуум принимают воздух, так как скорость движения света в нём близка к скорости движения в вакууме, и направление мало отклоняется от первоначального.
В законе о преломлении света формулируется следующее соотношение для светового потока, проходящего через воздух в иную среду:
- «скорость света во второй среде во столько раз меньше скорости в вакууме (воздухе), во сколько раз синус угла преломления меньше синуса угла падения».
Здесь под углом падения понимают направление света в воздушной среде, а под углом преломления — направление движения луча в следующей среде.
Два показателя процесса преломления
Рассмотрим это соотношение, для этого введем некоторые обозначения.
Пусть a — угол падения, b — угол преломления, тогда: Этот коэффициент (вычисляется как sin a/sin b) – константа, постоянная величина для каждого вещества (или среды).
Если свет проходит через вакуум (воздух), то коэффициент называется в физике абсолютным показателем ПС. Для большинства веществ его величина находится в диапазоне от единицы до двух, например, показатель преломления
- обычного стекла 1,52;
- воды 1,33.
Редко он превышает двойку, например, у алмаза 2,42. Если же световой луч (поток) проходит через две среды разной плотности, то применяется относительный показатель ПС (обозначается латинской буквой n). Этот коэффициент вычисляется как частное от деления абсолютных показателей обеих сред. Например, показатель воды к воздуху 1,33; стекла к воздуху 1,52. Значит, показатель стекла относительно воды будет: 1,52/1,33 = 1,14.
Еще пример — величина показателя для стекла относительно спирта 1,1.
От чего зависит показатель ПС
Некоторые свойства любой среды оказывают влияние на величину коэффициента преломления. Рассмотрим основные факторы, влияющие на изменение показателя ПС: плотность среды (или вещества). Чем плотней среда, тем меньше скорость продвижения в ней света, и угол преломления меньше; температура среды (тела). Повышение температуры уменьшает показатель; длина световой волны. Чем короче длина волны, тем больше показатель ПС, поэтому в спектре он у фиолетовых лучей больше, чем у красных; состав стекла. Различные добавки могут изменять показатель преломления в ту или иную сторону. Например, SiO2 его уменьшает, а такие добавки, как PbO, ВаО, СаО, ZnO, увеличивают показатель.
Методы определения показателя преломления стекла
Значения показателя преломления, указанные в таблицах, могут не учитывать все тонкости и нюансы конкретной среды, при необходимости высокоточных значений проводят измерения показателя ПС различными способами.
Есть совсем простые методы с использованием подручных материалов и инструментов. Их обычно проводят со студентами и школьниками для наглядного обучения. Например, используют транспортир, плоскопараллельную пластину, микроскоп.
Для высокоточных измерений определение показателя преломления стекла и других сред проводят с помощью современных сложных приборов. Например, с помощью рефрактометров, интерферометров, эллипсометров, разных экспериментальных установок.
Где применяется закон
Практическое значение закона преломления света огромно. Любые устройства, приборы, использующие различные линзы, базируются на законах преломления и отражения света. Даже если это линза не из стекла, а из органической ткани. Хрусталик и стекловидное тело человеческого глаза тоже работают на основе законов света. Современные оптические приборы, от простейшего бинокля и до мощных телескопов и перископов, тоже не могли бы работать без этих законов. Можно отметить и такое важнейшее направление, как волоконная оптика. Это инновационные виды связи, скоростная передача информации, медицинские приборы и инструменты, эффективные системы освещения и многое другое.
С законами света связаны многие явления в нашей обычной жизни. Знание всех нюансов процесса преломления и отражения световых лучей сделает нашу жизнь более безопасной и комфортной. Человечеству предстоит еще множество открытий в мире стекла и в исследовании его важнейшей характеристики – показателя преломления стекла.
Определение показателя преломления стекла
При падении луча на границу сред с разными оптическими свойствами он частично отражается, а частично преломляется. При этом угол падения 
всегда равен углу отражения 
, а угол преломления 
зависит от соотношения показателей преломления сред: . Если n1 > n2, то < : лучи 1 – падающий луч, 1″ – преломлённый луч; 1′ – отражённый. [Интенсивность преломлённого луча зависит от угла падения. – Ред.]
При достаточно большом угле падения угол преломления становится равным 90° (лучи 2 и 2″). Это значит, что на границе сред луч 2 будет только отражаться (луч 2′), а интенсивность преломлённого луча станет равной нулю. Это значение угла падения 0 называется предельным углом внутреннего отражения. При дальнейшем увеличении угла падения лучи тоже будут только отражаться (например, лучи 3 и 3′).
Если взять полуцилиндр из стекла и смотреть через него из положений глаза 1, 2, 3, 4, то лучи 1 и 2 будут преломляться [в воздушную прослойку между стеклом и столом. – Ред.], так что из положений 1, 2 окажется видна линия оси О. Лучи 3 и 4 будут полностью отражаться от нижней грани, так что из положений 3, 4 будет видна вертикально поставленная у края полуцилиндра линейка.
Зная предельный угол преломления и радиус полуцилиндра R, можно рассчитать показатель преломления стекла:
Для луча 3: sin0 = sin KOA;
По теореме Пифагора, OA = .
1. На листе бумаги чертим толстую линию ОО и перпендикуляр к ней. Торцом вдоль перпендикуляра, симметрично относительно оси ОО, кладём полуцилиндр, а сбоку приставляем к нему линейку (перпендикулярно столу).
2. Через цилиндр рассматриваем линию оси ОО и постепенно смещаем глаз от положения 1 к положениям 2, 3, 4. Когда вместо линии ОО начинаем видеть шкалу линейки, измеряем длину отрезка АВ. Диаметр полуцилиндра измеряем непосредственно линейкой и вычисляем радиус.
чему равен показатель преломления стекла?
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, или КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕЛОМЛЕНИЯ , -отвлеченное число, характеризующее преломляющую силу прозрачной среды. Показатель преломления обозначается латинской буквой π и определяется как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления луча, входящего из пустоты в данную прозрачную среду:
n = sin α/sin β = const или как отношение скорости света в пустоте к скорости света в данной прозрачной среде: n = c/νλ из пустоты в данную прозрачную среду. Показатель преломления считается мерой оптической плотности среды
Определенный таким образом показатель преломления называется абсолютным показателем преломления, в отличие от относительного т. е. показывает, во сколько раз замедляется скорость распространения света при переходе его показателя преломления, который определяется отношением синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе луча из среды одной плотности в среду другой плотности. Относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления: n = n2/n1, где n1 и n2 — абсолютные показатели преломления первой и второй среды.
Абсолютный показатель преломления всех тел — твердых, жидких и газообразных — больше единицы и колеблется от 1 до 2, превосходя значение 2 только в редких случаях.
Показатель преломления зависит как от свойств среды, так и от длины волны света и увеличивается с уменьшением длины волны. Поэтому к букве п приписывают индекс, указывающий, к какой длине волны относится показатель. Например, для стеклаТФ-1 показатель преломления в красной части спектра составляет nC=1,64210, а в фиолетовой nG’ =1,67298.
Показатели преломления некоторых прозрачных тел
Воздух — 1, 000292
Спирт этиловый — 1,363
Глицерин — 1, 473
Органическое стекло (плексиглас) — 1, 49
(Стекло крон — 1,5163
Пихтовый (канадский) , бальзам 1,54
Стекло тяжелый крон — 1, 61 26
Стекло флинт — 1,6164
Стекло тяжелый флинт — 1, 64 75
Стекло самый тяжелый флинт — 1, 92
Неодинаковость показателя преломления для разных участков спектра является причиной хроматизма, т, е. разложения белого света, при прохождении его через преломляющие детали — линзы, призмы и т. д.
Коэффициент преломления материала (показатель преломления)
Показатель преломления (индекс) относится к важным оптическим свойствам линзы, определяет толщину и объем линзы, коэффициент отражения от её поверхности.
Это важный параметр, который влияет на комфортное ношение и эстетическую привлекательность готовых очков.
Показатели преломления для стеклянных линз:
- 1, 5 — неутонченное стекло;
- 1, 6 — средний индекс;
- 1,7 — высокий индекс для стеклянных линз с добавлением титана;
- 1,8 и 1,9 — очень высокий индекс для линз с включением лантана и ниобия;
Показатели преломления для пластиковых линз:
- 1, 5 – неутонченный пластик;
- 1,56 — средний индекс;
- 1, 6; 1,67 — высокий индекс;
- 1,74; 1,76 — очень высокий индекс;
*Цифры могут незначительно отличаться в зависимости от производителя.
Комфортность и эстетическая привлекательность
Чем больше показатель преломления, тем тоньше линза. Удельный вес линз из стекла при этом возрастает (добавление свинца и т.п.), в результате чего утонченная линза вдвое тоньше обычной, но она весит столько же, сколько линза из неутонченного стекла. Вес пластиковой линзы менее зависим от показателя преломления.
Чем выше показатель преломления материала линзы, тем больше света отражается от её поверхности, собственное светопропускание линзы уменьшается. Эта проблема устраняется с помощью нанесения качественных просветляющих покрытий.
Пластиковые линзы с утончением специально создавались для установки в оправы с креплением очковых линз на винтах и на леске. Конечно, чем больше коэффициент преломления, тем дороже линзы. Но использование таких линз в очках, позволяет существенно увеличить зрительный комфорт и эстетическую привлекательность.