Refraction and Refractive Index അപവർത്തനം, അപവർത്തനാങ്കം
Why does a straw look broken in water? You will pour water into a virtual glass, trace the light from the bottom of the straw to your eye, and see the bottom "rise" to a new place. Then you will meet a number that measures how strongly a medium slows light down – the refractive index അപവർത്തനാങ്കം – and calculate it for glass, water and diamond.
1. Activity: the broken straw – Fig 1.5, 1.6
നാരങ്ങാവെള്ളത്തിൽ സ്ട്രോ ഒടിഞ്ഞതായി തോന്നിയതിന് കാരണം കണ്ടെത്തുന്നതിനായി ഒരു പ്രവർത്തനം ചെയ്തു നോക്കാം. ഗ്ലാസിൽ ഒരു സ്ട്രോ ചരിച്ചു വയ്ക്കുന്നു. പിന്നീട് അതിലേക്ക് ചിത്രത്തിലേതു പോലെ ജലം നിറയ്ക്കുന്നു. എന്തു വ്യത്യാസമാണ് നിരീക്ഷിക്കാൻ കഴിയുന്നത്? നിരീക്ഷണം സയൻസ് ഡയറിയിൽ ചിത്രീകരിക്കൂ.
Lean a straw in an empty glass (Fig 1.5 a). Then fill the glass with water (Fig 1.5 b). What difference do you notice? Draw your observation in your science diary. Below, Fig 1.6 shows the path of the ray from the bottom B of the straw to the eye – (a) before and (b) after the water is poured.
Red: the ray that really reaches the eye. Red dashed: the straight line the brain "draws back" from the eye – it ends at C, where B appears to be. The purple straw is the straw you see; the pale blue one is where it really is. The glass is 10 cm tall; n(water) = 1.33.
Q1. സ്ട്രോ ഒടിഞ്ഞതായി തോന്നാനുള്ള കാരണമെന്താണ്? – Why does the straw appear broken?
Q2. ജലം ഒഴിക്കുന്നതിനുമുമ്പ്, സ്ട്രോയുടെ B എന്ന ഭാഗത്തുനിന്ന് കണ്ണിൽ വന്നു പതിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മിക്ക് ദിശാവ്യതിയാനം സംഭവിക്കുന്നുണ്ടോ? – Before the water is poured, does the ray from the part B of the straw to the eye change direction?
ജലം ഒഴിച്ചശേഷം സ്ട്രോയുടെ, ജലത്തിൽ മുങ്ങിയിരിക്കുന്ന ഭാഗത്തുനിന്നു വരുന്ന പ്രകാശരശ്മി വായുവിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുമ്പോൾ ജലോപരിതലത്തിൽ വച്ച് ദിശാവ്യതിയാനം സംഭവിക്കുന്നുണ്ടല്ലോ. After the water is poured, the ray coming from the dipped part of the straw changes direction at the water surface when it enters the air.
Q3. B യിൽ നിന്നാണ് പ്രകാശരശ്മി യഥാർഥത്തിൽ വരുന്നതെങ്കിലും C എന്ന ഭാഗത്തുനിന്നും വരുന്നതായല്ലേ നാം കാണുന്നത്? – Although the ray really comes from B, don't we see it as coming from C?
ഒരു മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് പ്രകാശികസാന്ദ്രതയിൽ വ്യത്യാസമുള്ള മറ്റൊരു മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രകാശം ചരിഞ്ഞ് പ്രവേശിക്കുമ്പോൾ മാധ്യമങ്ങളുടെ വിഭജനതലത്തിൽ വച്ച് അതിന്റെ ദിശയ്ക്ക് വ്യതിയാനം ഉണ്ടാകുന്നു. ഈ പ്രതിഭാസമാണ് അപവർത്തനം (refraction).
When light passes obliquely from one medium into another medium of different optical density, its direction changes at the interface of the media. This phenomenon is called refraction.
📒 Science diary – Fig 1.6
Draw the glass, the straw AB, and the eye. (a) Empty: one straight ray from B to the eye. (b) With water: the ray from B goes up to the water surface, bends away from the normal there and reaches the eye; extend the air part of the ray backwards with a dashed line to find C above B. Join the point where the straw meets the water surface to C – that is the "broken" straw you see.
2. Refractive index അപവർത്തനാങ്കം
പ്രകാശത്തെ അപവർത്തനത്തിന് വിധേയമാക്കാനുള്ള മാധ്യമത്തിന്റെ കഴിവ് അതിന്റെ പ്രകാശികസാന്ദ്രതയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. പ്രകാശികസാന്ദ്രതയാകട്ടെ മാധ്യമത്തിന്റെ അപവർത്തനാങ്കവുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. വിവിധ പ്രകാശിക ഉപകരണങ്ങളുടെ രൂപകല്പനയിൽ അപവർത്തനാങ്കത്തിന്റെ പങ്ക് നിർണ്ണായകമാണ്.
How strongly a medium refracts light depends on its optical density, and optical density is linked to a number called the refractive index of the medium. The refractive index is crucial in designing optical instruments – spectacles, camera lenses, microscopes, optical fibres.
പ്രകാശത്തിന്റെ ശൂന്യതയിലെ വേഗവും ഒരു മാധ്യമത്തിലെ വേഗവും തമ്മിലുള്ള അനുപാത സംഖ്യയാണ് ആ മാധ്യമത്തിന്റെ അപവർത്തനാങ്കം.
The refractive index of a medium is the ratio of the speed of light in vacuum ശൂന്യത to the speed of light in that medium.
Speed of light in vacuum: c = 3 × 10⁸ m/s. Because n is a speed divided by a speed, the units cancel – the refractive index has no unit.
The speed of light in air is almost exactly the same as in vacuum, so we take n(air) = 1 (more precisely 1.0003).
Table 1.2 – find the refractive index (page 11)
Textbook: ചില മാധ്യമങ്ങളിലൂടെയുള്ള പ്രകാശവേഗം പട്ടികയിൽ നൽകിയിരിക്കുന്നു. ഓരോ മാധ്യമത്തിന്റേയും അപവർത്തനാങ്കം കണ്ടെത്തി പട്ടിക പൂർത്തീകരിക്കൂ. – The speed of light in some media is given in the table. Find the refractive index of each medium and complete the table.
| Medium മാധ്യമം | Speed of light (v) | Refractive index (n) |
|---|---|---|
| Air വായു | 3 × 10⁸ m/s | n = c/v = (3 × 10⁸ m/s) ÷ (3 × 10⁸ m/s) = 1 |
| Glass ഗ്ലാസ് | 2 × 10⁸ m/s | ? |
| Water ജലം | 2.25 × 10⁸ m/s | ? |
Use n = c/v with c = 3 × 10⁸ m/s. The 10⁸ on top and bottom cancel, and so do the units m/s – so only 3 ÷ 2 and 3 ÷ 2.25 are left.
Diamond (page 12)
Q4. വജ്രത്തിന്റെ (diamond) അപവർത്തനാങ്കം 2.4 ആണ്. വജ്രത്തിൽ കൂടിയുള്ള പ്രകാശവേഗം എത്രയായിരിക്കും? – The refractive index of diamond is 2.4. What is the speed of light in diamond?
n = c/v, so v = c/n. Divide 3 × 10⁸ m/s by 2.4 (3 ÷ 2.4 = 30 ÷ 24 = 1.25).
3. Speed of light and refractive index
Q5. പ്രകാശവേഗം അപവർത്തനാങ്കവുമായി എങ്ങനെ ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു? – How is the speed of light related to the refractive index?
📒 Science diary – optical density and refractive index (page 12)
പ്രകാശവേഗവും പ്രകാശികസാന്ദ്രതയും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം നിങ്ങൾക്കറിയാമല്ലോ. എങ്കിൽ പ്രകാശികസാന്ദ്രത അപവർത്തനാങ്കവുമായി എങ്ങനെ ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നുവെന്ന് സയൻസ് ഡയറിയിൽ കുറിക്കൂ.
You know how the speed of light and optical density are related. So how is optical density related to the refractive index? Write it in your science diary.
The textbook suggests the free PhET simulation Bending Light → Intro (University of Colorado). Shine its laser from air into water or glass, switch on the protractor, and change the "index of refraction" slider of the lower medium. Check: the larger the index, the more the ray bends towards the normal. The link is in the "Explore online" box below (needs internet).
- 🧪 Bending Light (PhET simulation) PhET
The sim your textbook names: open 'Intro', shine the laser into water or glass and watch the ray bend. - 📄 Refraction – Boundary Behavior The Physics Classroom
What happens to light when it crosses from one medium into another, with clear diagrams. - ▶️ Explanation: Refraction | Middle school physics | Khan Academy YouTube – Khan Academy India - English · 3:15
Short, simple explanation of why light changes direction at a boundary. - ▶️ How Does Light Bend? | Earth Science YouTube – BBC Earth Science · 5:53
BBC demo-style explainer of light bending as it passes between materials. - ▶️ Refraction - Science experiment YouTube – Coolphysicsvideos Physics · 0:40
40-second demo: a laser beam visibly bends as it enters water. - 📄 Optical Density and Light Speed The Physics Classroom
Why light travels slower in water and glass, and what 'optically denser' means. - 📄 Refractive index – Higher Physics revision BBC Bitesize
n = speed of light in vacuum ÷ speed in the medium, with worked examples. - ▶️ Absolute & Relative refractive index YouTube – Khan Academy India - English · 8:19
Absolute vs relative refractive index, explained for Indian school students. - ▶️ The Speed of Light in Glass YouTube – minutephysics · 1:41
A 2-minute animation on how fast light actually goes in glass.
In a jewellery shop in Thrissur, a real diamond sparkles far more than a piece of glass of the same cut. The reason is its huge refractive index, 2.42: light inside a diamond travels at only about 1.24 × 10⁸ m/s and bends very strongly at every face (you will see on page 10 why it then gets trapped and bounces around inside). Opticians in your town choose "high-index" spectacle glass for strong powers – the higher n bends light more, so the lens can be thinner.
4. Check yourself
- A straw looks broken because light from the dipped part bends at the water surface; the eye traces it back, so B appears raised to C.
- Refraction: change of direction of light at the interface when it passes obliquely into a medium of different optical density.
- Refractive index n = c/v, c = 3 × 10⁸ m/s; no unit. Air 1, water 4/3 ≈ 1.33, glass 1.5, diamond 2.4 (2.42).
- Higher n ⇔ lower speed of light ⇔ higher optical density.
Next: Incident and refracted rays – the rules of refraction ▶