Преломление волн

Преломление волны на границе двух сред с разной скоростью ее распространения. Граница сред - бледная еле заметная прямая линия, проходящая слева снизу вправо вверх, примерно под 20° к горизонтали; пунктирная линия - нормаль к границе; левая красная стрелка и штриховая линия, ее продолжающая, соответствуют направлению распространения первоначальной (падающей) волны, правая красная стрелка - преломленной волны (обе стрелки изображают волновой вектор волны до и после преломления).

Преломле́ние (рефра́кция) — явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных (проницаемых для этих волн) сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. Преломление свойственно для многих видов излучения различной природы, например, электромагнитных и звуковых волн.

Преломление практически любых волн подчиняется закону Снелла (лишь бы длина волны не была настолько большой по сравнению с преломляющим объектом, что дифракция практически полностью замаскировала бы преломление, а среды были изотропными - что очень часто бывает на практике).

Тесно связано с преломлением такое явление, как отражение от границы прозрачных сред. В каком-то смысле это две стороны одного и того же явления. Так, например, явление полного внутреннего отражения связано с тем, что преломленной волны, которая бы удовлетворяла закону преломления для некоторых углов падения не находится, и волне приходится целиком отражаться.

Для каждого конкретного типа волн и сред имеются определенные соотношения, связывающие интенсивность падающей, преломленной и отраженной волны в зависимости от угла падения.

Физика явления

Построение преломленной волны с помощью принципа Гюйгенса.

Преломление возникает, когда скорость движения волн в контактирующих средах различается (см. показатель преломления). В этом случае полное значение скорости волны должно быть разным по разные стороны границы раздела сред. Однако скорость движения гребня волны вдоль границы должна быть для обеих "половинок" волны одинаковой (ведь на границе не может быть резкого разрыва). Из геометрических соображений получается, что скорость движения гребня $~v_\alpha$ вдоль линии, наклоненной к направлению распространения волны под углом $~\alpha$, выраженная через скорость гребня, измеренную в направлении распространения волны $~v$, будет

$~v_\alpha = v / sin \alpha.$

(Это ясно из того, что за то же время, пока волна пройдет в направлении своего распространения, то есть перпендикулярно гребню, расстояние, равное катету треугольника, вдоль наклонной линии она пройдет за это время расстояние, равное гипотенузе, а отношение этих расстояний, равное синусу угла, и даст отношение скоростей). См. также рисунки.

Тогда, записав для волны во второй среде то же самое и приравняв скорость вдоль границы раздела, получим

$~v_1 / sin \alpha = v_2 / sin \beta,$

что эквивалентно закону Снелла, если учесть, что $~v_1 = c / n_1, v_2 = c / n_2$.

Для синусоидальной волны, характеризуемой частотой и волновым вектором, перпендикулярным (в изотропной среде, которая здесь и рассматривается) направлению распространения волны, такие же соображения дают понять, что составляющая волнового вектора, параллельная границе раздела, должна быть одинаковой до и после прохождения этой границы, что приводит к тому же выводу. (См. верхний рисунок).

Дополнительно интересно заметить, что волновой вектор фотона равен вектору его импульса, деленному на постоянную Планка, и это дает возможность дополнительной физической интерпретации закона преломления в терминах сохранения компоненты импульса вдоль границы.

В итоге на границе раздела двух контактирующих сред наблюдается преломление луча света, качественно сводящееся к тому, что углы к нормали к границе падающего и преломленного луча отличаются друг от друга, т.е. луч изламывается - преломляется.

=\

Полное преломление

Основная статья: Полное преломление

Если на поверхность раздела падает вертикально поляризованная волна под углом Брюстера, то будет наблюдаться эффект полного преломления - отраженная волна будет отсутствовать.

См. также

• Закон преломления
• Двойное лучепреломление
• Полное преломление
• Дисперсия света
• Отражение