Chapter 1 · Section 1Textbook pages 7–10

Light Changes Direction പ്രകാശപാതയുടെ ദിശാവ്യതിയാനം

On a hot afternoon the road ahead looks wet. A straw in a glass of lime juice looks broken. Both tricks are played by light as it travels from one medium മാധ്യമം into another. On this page you shine a (virtual) laser into a tank of smoky air and milky water, watch a toy car swerve, and find out why light changes direction: its speed changes.

📖 What you need (pages 1–4 of this guide)

Light travels in straight lines; rays and beams; we see an object when light from it enters our eyes – page 1.
What a normal ലംബം is and how to measure angles from it – page 2.
Speed and numbers like 3 × 10⁸ – page 3; transparent media, density – page 4.

1. Water on the road? A broken straw? (page 7)

The chapter opens inside a car on a summer afternoon.

അതാ റോഡിൽ വെള്ളം കെട്ടിക്കിടക്കുന്നു, അമ്മേ സൂക്ഷിച്ച് വണ്ടി ഓടിക്കണേ!The girl: Look, there is water on the road! Drive carefully, Amma!

വേനൽക്കാലമല്ലേ, അത് വെള്ളം കെട്ടിക്കിടക്കുന്നതല്ല. അവിടെയെത്തുമ്പോൾ കണ്ടോളൂ.Her mother: It's summer – that isn't water. You'll see when we get there.

ഇത്തരം അനുഭവം നിങ്ങൾക്കുമുണ്ടായിട്ടില്ലേ? Haven't you seen this too – on the NH on a hot day, the road far ahead shines like a pool, but the "water" keeps moving away as you drive closer? That is a mirage മരീചിക; you will understand it fully on page 11. Many such experiences are linked to the behaviour of light.

Q (Fig 1.1). ഗ്ലാസിലെ നാരങ്ങാവെള്ളത്തിലേക്കിട്ട സ്ട്രോ ഒടിഞ്ഞിരിക്കുന്നതുപോലെ തോന്നിയിട്ടുണ്ടോ? എന്തായിരിക്കും ഇതിന്റെ കാരണം? – Have you noticed that a straw in a glass of lime juice looks broken? What could be the reason?

Yes – the straw seems to break at the surface of the juice. The reason is refraction അപവർത്തനം: light from the dipped part of the straw changes direction when it leaves the juice and enters the air, so that part appears raised.

Why: ഒരു വസ്തുവിൽ പതിച്ച പ്രകാശം പ്രതിപതിച്ച് നമ്മുടെ കണ്ണിൽ പതിക്കുമ്പോഴാണല്ലോ നാം ആ വസ്തുവിനെ കാണുന്നത്. We see an object when light reflected from it enters our eyes. Light from the dipped part of the straw travels through different media – juice, glass and air – before reaching the eye; the part above the juice sends light through air only. You will trace these rays yourself on page 6.

2. Activity: a laser through smoke and milky water – Fig 1.2, 1.3

ഒരു ഗ്ലാസ് ടാങ്കിൽ മുക്കാൽ ഭാഗത്തോളം ജലം എടുക്കുക. ജലത്തിൽ ഒന്നോ രണ്ടോ തുള്ളി പാൽ ചേർക്കുക. ടാങ്ക് സുതാര്യമായ പേപ്പർ ഷീറ്റ് കൊണ്ട് അടയ്ക്കുക. ടാങ്കിൽ ബാക്കി ഭാഗത്ത് പുക നിറച്ചശേഷം ഒരു ലേസർ ടോർച്ചിൽ നിന്നുള്ള പ്രകാശം ചിത്രം 1.2 (a) ൽ കാണുന്നരീതിയിൽ പതിപ്പിച്ച് പ്രകാശപാത നിരീക്ഷിക്കൂ.

Fill a glass tank about three-quarters with water and add one or two drops of milk. Cover the tank with a transparent sheet of paper and fill the rest with incense smoke. Shine a laser torch slantwise into it as in Fig 1.2 (a) and observe the path of light പ്രകാശപാത. The smoke and the milk scatter a little of the light sideways – that is the only reason you can see the beam.

⚠ Never shine a laser torch into anyone's eyes (or at a mirror towards a face); an adult should handle the laser.

🔥 Incense smoke

Light the agarbatti only with an adult present, keep it away from paper and curtains, and put it out in water afterwards.

🧪 Laser tank – smoky air above, milky water below

angle of the laser from the normal °

The dashed grey line is the normal ലംബം – the line perpendicular to the water surface at the point where the ray strikes it. The faint dashed red line shows where the ray would have gone if it had not changed direction. (The drawing uses the real refractive index of water, 1.33.)

Observe and answer (page 8)

Q1. ടാങ്കിനുള്ളിൽ ഏതെല്ലാം മാധ്യമങ്ങളിലൂടെയാണ് പ്രകാശരശ്മി സഞ്ചരിക്കുന്നത്? – Through which media does the ray of light travel inside the tank?

Through air (with smoke) വായു and then water ജലം.

Why: the upper part of the tank holds smoky air and the lower part milky water. (The smoke and the drop of milk only make the beam visible; they do not change the media.)

Q2. ഒരു മാധ്യമത്തിലൂടെ മാത്രം സഞ്ചരിക്കുമ്പോൾ പ്രകാശപാതയുടെ ദിശ എപ്രകാരമായിരിക്കും? – What is the direction of the path of light while it travels within one medium only?

It goes in a straight line – no change of direction.

Why: in the lab, the beam is perfectly straight all through the smoky air, and again perfectly straight all through the water. It bends only where the two meet.

Q3. ഒന്നാമത്തെ മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് രണ്ടാമത്തെ മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രകാശം ചരിഞ്ഞ് പ്രവേശിക്കുമ്പോൾ പ്രകാശരശ്മിക്ക് ദിശാവ്യതിയാനം ഉണ്ടാകുന്നുണ്ടോ? – When light enters the second medium obliquely (slantwise) from the first, does the ray change direction?

Yes. The ray has a change of direction ദിശാവ്യതിയാനം.

Why: compare the red ray in the water with the faint dashed "straight-on" line – they part company at the surface. Going from air into water, the ray turns closer to the normal.

Q4. പ്രകാശരശ്മിക്ക് ദിശാവ്യതിയാനം ഉണ്ടാകുന്നത് എവിടെ വച്ചാണ്? – Where does the ray change direction?

At the interface വിഭജനതലം – the boundary between the two media, here the surface of the water.

Why: the kink in the beam is exactly at the water surface; nowhere else does the beam bend.

Q5 (Fig 1.3). ലംബമായി പതിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മിക്ക് ദിശാവ്യതിയാനം ഉണ്ടാകുമോ? … ലേസർ ടോർച്ചിൽ നിന്നുള്ള പ്രകാശം ടാങ്കിലെ ജലോപരിതലത്തിലേക്ക് ലംബമായി പതിപ്പിച്ചു നോക്കൂ. ഇവിടെ പ്രകാശ രശ്മിക്ക് ദിശാവ്യതിയാനം ഉണ്ടായോ? – Will a ray falling perpendicularly change direction? Shine the laser perpendicularly onto the water surface. Did the ray change direction here?

No. A ray falling perpendicularly ലംബമായി പതിക്കുന്ന on the surface goes straight on without any change of direction.

Why: press "Fig 1.3 – perpendicular" in the lab: the angle from the normal is 0° in air and 0° in water. The light still slows down in water, but because it meets the surface "head-on", both sides of the beam slow down at the same moment – nothing makes it turn (see the toy car below).

📒 Science diary – Fig 1.2 (b) and Fig 1.3 (b)

Draw two line diagrams of the path of light: a horizontal line for the water surface, label air വായു above and water ജലം below, a dashed normal at the point where the ray strikes. (b) of Fig 1.2: a slanting ray in air that bends at the surface and continues, straight again, in the water, closer to the normal. (b) of Fig 1.3: a vertical ray that goes straight through. Put arrows on the rays to show the direction of travel.

⭐ Path of light at an interface (textbook page 9)

ഒരു മാധ്യമത്തിലൂടെ പ്രകാശം സഞ്ചരിക്കുമ്പോൾ പ്രകാശപാത നേർരേഖയിലായിരിക്കും. ഒരു മാധ്യമത്തിൽനിന്ന് മറ്റൊരു മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രകാശരശ്മി ചരിഞ്ഞ് പ്രവേശിക്കുമ്പോൾ മാധ്യമങ്ങളുടെ വിഭജനതലത്തിൽ വച്ച് അതിന് ദിശാവ്യതിയാനം സംഭവിക്കാറുണ്ട്. ലംബമായി പതിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മിക്ക് ദിശാവ്യതിയാനം സംഭവിക്കുന്നില്ല.

Light travels in a straight line within one medium. When a ray passes obliquely from one medium into another, its direction changes at the interface between the media. A ray falling perpendicularly on the interface does not change direction.

3. Why does the path bend? The toy car – Fig 1.4

ഒരു മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് മറ്റൊരു മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രകാശം ചരിഞ്ഞ് കടക്കുമ്പോൾ പ്രകാശപാതയ്ക്ക് വ്യതിയാനം സംഭവിക്കാറുണ്ട്. കാരണമെന്തായിരിക്കും? – Why does the path of light change direction when light passes obliquely into another medium? The textbook answers with an everyday model.

മിനുസമുള്ള ഒരു പ്രതലത്തിൽനിന്ന് പരുപരുത്ത പ്രതലത്തിലേക്ക് സഞ്ചരിക്കുന്ന ടോയ് കാറിന്റെ ചലനവേഗവും ദിശയും നിരീക്ഷിക്കൂ. – Watch the speed and direction of a toy car that rolls from a smooth surface മിനുസമുള്ള പ്രതലം onto a rough surface പരുപരുത്ത പ്രതലം.

🚗 Toy car lab – smooth floor to rough mat (top view)

approach angle from the normal ° speed on the rough mat % of the smooth-floor speed

Watch the two front wheels. The wheel that reaches the rough mat first slows down first, while the other wheel is still running fast on the smooth floor – so the car swings round until both wheels are on the mat. Set the speed on the mat to 100 % (no slowing) or the angle to 0° and the car does not turn.

Q6. കാറിന്റെ ചലനദിശയ്ക്ക് മാറ്റം ഉണ്ടാകുന്നുണ്ടോ? – Does the car's direction of motion change?

Yes – it turns, closer to the normal (more "straight across" the boundary).

Why: the tracks in Fig 1.4 (b) and in the lab have a kink: slanting more on the smooth floor, less on the rough mat.

Q7. എവിടെ വച്ചാണ് ഈ മാറ്റം ഉണ്ടാകുന്നത്? – Where does this change happen?

At the boundary between the smooth and the rough surface.

Why: before the boundary both wheels run at the same speed, and after it both run at the same (lower) speed – only while the car straddles the boundary are the wheel speeds unequal, and that is when it turns.

Q8. മിനുസമുള്ള പ്രതലത്തിലൂടെയും പരുപരുത്ത പ്രതലത്തിലൂടെയും ഒരേ വേഗത്തിലാണോ കാർ നീങ്ങിയത്? – Did the car move at the same speed on the smooth and the rough surface?

No – it is slower on the rough surface.

Why: the rough surface offers more friction. ഒരു പ്രതലത്തിൽ നിന്ന് മറ്റൊരു പ്രതലത്തിലേക്ക് മാറുന്നതുമൂലം കാറിന്റെ വേഗത്തിൽ വ്യത്യാസമുണ്ടാകുന്നതാണല്ലോ അതിന്റെ ദിശാവ്യതിയാനത്തിന് കാരണം. The change of speed when the car passes from one surface to the other is what changes its direction.

വിവിധ മാധ്യമങ്ങളിലൂടെയുള്ള പ്രകാശവേഗം വ്യത്യസ്തമാണ്. പ്രകാശവേഗത്തിലുള്ള ഈ മാറ്റമാണ് ഒരു മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് മറ്റൊരു മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രകാശം കടക്കുമ്പോൾ പ്രകാശപാതയുടെ ദിശാവ്യതിയാനത്തിന് കാരണം. Light is the same: the speed of light പ്രകാശവേഗം is different in different media, and this change in speed is what changes the direction of the path of light when it passes from one medium into another. A beam of light has a width, like the car's axle: the side of the beam that enters the water first slows down first, and the beam swings round.

4. How fast is light in different media? – Table 1.1

Medium മാധ്യമം	Speed of light (approx.) പ്രകാശവേഗം (ഏകദേശം)
Air വായു	3 × 10⁸ m/s
Water ജലം	2.25 × 10⁸ m/s
Glass ഗ്ലാസ്	2 × 10⁸ m/s
Diamond വജ്രം	1.25 × 10⁸ m/s

🏁 Light race – four lanes, same start

time since the start ns

1 ns (nanosecond) = 10⁻⁹ s, one billionth of a second. In 1 ns light covers 30 cm in air – and less in the other media. The full lane length is the distance covered in air in 2 ns (60 cm), so each bar is also the speed bar of Table 1.1.

വിവിധ മാധ്യമങ്ങളിൽ പ്രകാശവേഗം വ്യത്യാസപ്പെടാൻ കാരണം മാധ്യമങ്ങളുടെ പ്രകാശികസാന്ദ്രതയിലുള്ള വ്യത്യാസമാണ്. The speed of light differs from medium to medium because the media differ in optical density പ്രകാശികസാന്ദ്രത.

⭐ Optical density (textbook page 10)

ഒരു മാധ്യമത്തിലൂടെയുള്ള പ്രകാശവേഗത്തെ സ്വാധീനിക്കാനുള്ള മാധ്യമത്തിന്റെ കഴിവിനെ മാധ്യമത്തിന്റെ പ്രകാശികസാന്ദ്രത (optical density) എന്ന് പറയുന്നു.

The ability of a medium to affect the speed of light through it is called the optical density of the medium.

പ്രകാശികസാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൽ (optically denser medium) പ്രകാശത്തിന്റെ വേഗം കുറവായിരിക്കും. പ്രകാശികസാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിൽ (optically rarer medium) പ്രകാശത്തിന്റെ വേഗം കൂടുതലായിരിക്കും. പ്രകാശികസാന്ദ്രതയ്ക്ക് പദാർഥ സാന്ദ്രതയുമായി ബന്ധമില്ല എന്ന് ഓർക്കുമല്ലോ.

Optically denser medium പ്രകാശികസാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമം
light travels slower in it. Example: glass compared with water.

Optically rarer medium പ്രകാശികസാന്ദ്രത കുറഞ്ഞ മാധ്യമം
light travels faster in it. Example: air compared with water.

🤔 Optical density is not mass density പദാർഥ സാന്ദ്രത

Kerosene floats on water, so it has a smaller mass density (about 0.8 g/cm³ against 1 g/cm³). Yet light is slower in kerosene (refractive index 1.44) than in water (1.33) – kerosene is optically denser. "Heavier" and "optically denser" are two different ideas.

Arrange in increasing optical density (page 10)

പട്ടിക 1.1 ലെ മാധ്യമങ്ങളെ പ്രകാശികസാന്ദ്രത കൂടിവരുന്ന വിധത്തിൽ ക്രമീകരിക്കൂ. വായു < -------- < -------- < വജ്രം – Arrange the media of Table 1.1 in order of increasing optical density.

🧩 Density ladder – tap the media from the least to the most optically dense

Tap a medium.

air < water < glass < diamond വായു < ജലം < ഗ്ലാസ് < വജ്രം

Why: the slower light travels in a medium, the greater its optical density. Speeds: air 3, water 2.25, glass 2, diamond 1.25 (× 10⁸ m/s) – decreasing speed means increasing optical density.

🌴 Kerala connection

Next time you are served naranga vellam (lime juice) at a wayside shop, look at the straw from the side: broken! Look at a coconut-shell spoon in a pot of water, or your legs while standing in a temple pond – they look shorter and bent. All of these are light changing direction at a water–air interface. And the shimmering "water" on the hot NH road in April is the same light playing a bigger trick (page 11).

5. Check yourself

🧭 Summary

Within one medium light travels in a straight line.
Entering another medium obliquely, a ray changes direction at the interface വിഭജനതലം; a ray falling perpendicularly does not.
Cause: the speed of light is different in different media (toy car: speed changes → direction changes).
Table 1.1: air 3 × 10⁸, water 2.25 × 10⁸, glass 2 × 10⁸, diamond 1.25 × 10⁸ m/s.
Optical density: the ability of a medium to affect the speed of light. Denser → slower. Order: air < water < glass < diamond. Not the same as mass density.

Next: Refraction and refractive index – why the straw looks broken ▶