Свет на границе раздела сред
Когда луч света встречает границу двух сред (воздух-стекло, вода-воздух), происходит сразу несколько явлений: часть света отражается обратно в первую среду, часть — преломляется и проходит во вторую. Законы, описывающие эти явления, — основа геометрической оптики и лежат в основе работы линз, зеркал, призм и оптических волокон.
Закон отражения
Угол падения равен углу отражения, а падающий луч, нормаль к поверхности в точке падения и отражённый луч лежат в одной плоскости. Простым языком: луч «отскакивает» от зеркала, как шарик от стены — под тем же углом, под которым упал. Все углы измеряются от нормали (перпендикуляра) к поверхности.
Гладкие поверхности (зеркало, спокойная вода) дают зеркальное отражение. Шероховатые (белый лист бумаги) — диффузное: каждый участок отражает лучи в разных направлениях.
Закон преломления (Снеллиуса)
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂, где n — показатель преломления среды, θ — угол между лучом и нормалью. Показатель преломления n = c/v, где c — скорость света в вакууме, v — скорость света в данной среде. Для воздуха n ≈ 1, стекла n ≈ 1,5, воды n ≈ 1,33.
Когда луч идёт из менее плотной среды в более плотную (из воздуха в воду), он «загибается» к нормали. Поэтому ложка в стакане с водой «кажется» сломанной — наш мозг привык к прямолинейному распространению света.
Полное внутреннее отражение
При переходе из более плотной среды в менее плотную (стекло→воздух) угол преломления больше угла падения. При некотором критическом угле падения луч вообще перестаёт преломляться — возникает полное внутреннее отражение. На этом принципе работают оптические волокна: свет «зажат» внутри волокна и не выходит наружу, передавая информацию на тысячи километров.