Chapter 1 · Section 2Textbook pages 10–12

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.

📖 What you need

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.

🧪 Straw lab – pour water and trace the ray from B to the eye

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?

Because light from the part of the straw under water changes direction at the water surface as it passes from water into air. The eye traces it back in a straight line, so the dipped part appears raised (B appears at C) – the straw seems to break at the water surface.
Why: the part of the straw above the water sends light to the eye through air only (straight), the part below through water and then air (bent at the surface). The two parts no longer line up.

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?

No. It travels in a straight line from B to the eye.
Why: in the empty glass the light travels through one medium (air) all the way, so its path is a straight line – press "Fig 1.6 (a)" in the lab.

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?

Yes. The ray reaching the eye seems to come from C, a point above B.
Why: the eye cannot know that the ray bent at the surface. It assumes light travels straight, so it extends the ray backwards (red dashed line) – and that line passes through C, not B. B എന്ന യഥാർഥ സ്ഥാനം C യിലേക്ക് ഉയർന്നതായി കാണപ്പെടുന്നതിനാൽ സ്ട്രോ ജലോപരിതലത്തിൽ വച്ച് ഒടിഞ്ഞതായി തോന്നുന്നു. Since the real position B appears raised to C, the straw looks broken at the water surface.
⭐ Refraction അപവർത്തനം (textbook page 11)

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.

⭐ Refractive index (textbook page 11)

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.

refractive index (n) = speed of light in vacuum (c)speed of light in the medium (v)    i.e.   n = cv

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 മാധ്യമംSpeed of light (v)Refractive index (n)
Air വായു3 × 10⁸ m/sn = c/v = (3 × 10⁸ m/s) ÷ (3 × 10⁸ m/s) = 1
Glass ഗ്ലാസ്2 × 10⁸ m/s?
Water ജലം2.25 × 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.

🎬 Glass – exam layout, step by step
🎬 Water – exam layout, step by step
Answer: glass n = 3 ÷ 2 = 1.5; water n = 3 ÷ 2.25 = 4/3 ≈ 1.33; (air n = 1).
Why: light is 1.5 times slower in glass and 1.33 times slower in water than in vacuum – the refractive index tells you "how many times slower". Full animated solutions: page 12.

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).

🎬 Diamond – exam layout, step by step
Answer: v = c/n = 3 × 10⁸ ÷ 2.4 = 1.25 × 10⁸ m/s.
Why: a refractive index of 2.4 means light is 2.4 times slower in diamond than in vacuum. This matches Table 1.1 (diamond 1.25 × 10⁸ m/s). (Tables of data give 2.42 for diamond; the textbook rounds it to 2.4 for this question.) Full animated solution: page 12.

3. Speed of light and refractive index

Q5. പ്രകാശവേഗം അപവർത്തനാങ്കവുമായി എങ്ങനെ ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു? – How is the speed of light related to the refractive index?

The greater the refractive index of a medium, the lower the speed of light in it (and the smaller the refractive index, the higher the speed). അപവർത്തനാങ്കം കൂടുതലുള്ള മാധ്യമത്തിൽ പ്രകാശവേഗം കുറവായിരിക്കും.
Why: n = c/v. The top, c, is fixed (3 × 10⁸ m/s), so a bigger n can only come from a smaller v. If n doubles, v halves – speed and refractive index are inversely related. Try the slider below.
🧪 Slide the refractive index – watch the speed

📒 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.

A medium with a higher refractive index has a higher optical density.
Why: optical density ↑ ⇒ speed of light ↓ (page 5), and speed of light ↓ ⇒ refractive index ↑ (n = c/v). So: optical density ↑ ⇔ refractive index ↑ ⇔ speed of light ↓. Air (1) < water (1.33) < glass (1.5) < diamond (2.42) – the same order as on page 5.
💻 Try it on a computer – PhET "Bending Light"

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).

🌐 Explore online needs internet · opens in a new tab
🌴 Kerala connection

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

🧭 Summary

Next: Incident and refracted rays – the rules of refraction ▶