Номер 5, страница 169 - гдз по физике 10-11 класс сборник задач Громцева

13. Оптика. 13.4. Закон преломления света - номер 5, страница 169.

Решение.

Решение 2.

При переходе света, который является электромагнитной волной, из одной прозрачной среды в другую, происходит явление преломления. При этом некоторые характеристики волны изменяются, а другие остаются постоянными. Это связано со взаимодействием электромагнитной волны с частицами среды.

Характеристики, которые изменяются:

1. Скорость распространения волны ($v$). Скорость света в среде зависит от ее оптической плотности, которая характеризуется абсолютным показателем преломления $n$. Связь между скоростью света в вакууме ($c$) и в среде ($v$) выражается формулой $v = c/n$. Так как при переходе в другую среду показатель преломления изменяется ($n_1 \neq n_2$), то и скорость распространения света также изменяется ($v_1 \neq v_2$). Например, при переходе из воздуха ($n \approx 1$) в воду ($n \approx 1.33$) скорость света уменьшается.

2. Длина волны ($λ$). Длина волны, скорость и частота связаны соотношением $v = λν$. Поскольку частота $ν$ при переходе из одной среды в другую не меняется, а скорость $v$ меняется, то длина волны $λ$ также должна измениться. Новая длина волны $λ_2$ в среде с показателем преломления $n_2$ связана с длиной волны $λ_1$ в среде с показателем $n_1$ как $λ_2 = v_2/ν = (c/n_2)/ν$. Отношение длин волн будет $λ_2/λ_1 = n_1/n_2$. Если свет переходит в более плотную оптическую среду ($n_2 > n_1$), его длина волны уменьшается.

3. Направление распространения. За исключением случая, когда свет падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, его направление изменяется. Это явление называется преломлением и описывается законом Снеллиуса: $n_1 \sin\alpha = n_2 \sin\beta$, где $\alpha$ — угол падения, а $\beta$ — угол преломления. Если $n_1 \neq n_2$ и $\alpha \neq 0$, то $\alpha \neq \beta$, что означает изменение направления луча.

4. Амплитуда и интенсивность волны. На границе раздела двух сред часть световой энергии отражается, а часть проходит в другую среду. Из-за этого энергия прошедшей (преломленной) волны меньше энергии падающей волны. Интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды. Следовательно, амплитуда и интенсивность преломленной волны, как правило, изменяются (уменьшаются по сравнению с падающей волной).

Ответ: При переходе света из одной прозрачной среды в другую изменяются его скорость распространения, длина волны, направление распространения (при падении не по нормали), амплитуда и интенсивность.

Характеристики, которые остаются без изменения:

1. Частота волны ($ν$). Частота колебаний электромагнитного поля в световой волне определяется источником света и не зависит от свойств среды, в которой волна распространяется. При переходе через границу раздела двух сред количество волновых гребней, пересекающих границу за единицу времени, должно быть одинаковым с обеих сторон, иначе на границе происходило бы накопление или исчезновение энергии, что противоречит закону сохранения энергии. Поэтому частота волны остается неизменной.

2. Период колебаний ($T$). Период является величиной, обратной частоте ($T = 1/ν$). Так как частота не изменяется, период колебаний также остается постоянным.

3. Энергия фотона ($E$). В квантовой физике свет рассматривается как поток частиц-фотонов. Энергия каждого фотона связана с частотой волны соотношением Планка $E = hν$, где $h$ — постоянная Планка. Поскольку частота $ν$ при переходе из среды в среду не меняется, энергия каждого отдельного фотона также остается неизменной.

4. Цвет света. Восприятие цвета человеческим глазом определяется именно частотой световой волны. Так как частота не меняется, то и цвет света при переходе из одной среды в другую не изменяется.

Ответ: При переходе света из одной прозрачной среды в другую остаются без изменения его частота, период, энергия фотонов и, как следствие, цвет.