Chapter 1 · Section 3Textbook pages 12–14

Incident and Refracted Rays: the Rules പതനരശ്മി, അപവർത്തനരശ്മി

Does light bend the same way going from air into water as it does coming out of water into air? Here you name the parts of a ray diagram – incident ray, refracted ray, angle of incidence, angle of refraction – measure them in two virtual experiments, sort six textbook figures, and end up with the four rules of refraction. Then you get a refraction explorer to test any pair of media.

📖 What you need

1. Same angle, two directions – Fig 1.7

വായുവിൽ നിന്ന് ജലത്തിലേക്കും ജലത്തിൽ നിന്ന് വായുവിലേക്കും ഒരേ പതനകോണിൽ പ്രവേശിക്കുമ്പോൾ പ്രകാശത്തിനുണ്ടാകുന്ന ദിശാവ്യതിയാനം ഒരുപോലെ ആയിരിക്കുമോ?When light enters water from air, and air from water, at the same angle of incidence, is the change of direction the same?

രണ്ട് മാധ്യമങ്ങളുടെ വിഭജനതലത്തിലേക്കു വന്നു പതിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മിയെ പതനരശ്മി (incident ray) എന്നും അപവർത്തനത്തിനു വിധേയമാകുന്ന രശ്മിയെ അപവർത്തനരശ്മി (refracted ray) എന്നും വിളിക്കാം. അപവർത്തനരശ്മിക്കും പതനബിന്ദുവിലെ ലംബത്തിനും (NN′) ഇടയിലുള്ള കോൺ ആണ് അപവർത്തനകോൺ.

Incident ray പതനരശ്മി – the ray that comes to the interface. The point where it strikes is the point of incidence പതനബിന്ദു.
Angle of incidence (i) പതനകോൺ – the angle between the incident ray and the normal.
Refracted ray അപവർത്തനരശ്മി – the ray that goes on into the second medium after refraction.
Angle of refraction (r) അപവർത്തനകോൺ – the angle between the refracted ray and the normal NN′ at the point of incidence.
🧪 Fig 1.7 lab – (a) air → water and (b) water → air at the same angle

Both incident rays make the same angle with the normal. Watch the refracted rays: in (a) it is closer to the normal than the incident ray, in (b) it is farther from it. (Angles drawn with n(water) = 1.33.)

Table 1.3 (page 12)

ഓരോ ചിത്രത്തിലേയും പതനരശ്മി, അപവർത്തനരശ്മി, പതനകോൺ, അപവർത്തനകോൺ എന്നിവ കണ്ടെത്തി പട്ടിക പൂർത്തീകരിക്കൂ. – Find the incident ray, refracted ray, angle of incidence and angle of refraction in each figure and complete the table.

Fig 1.7 (a)Fig 1.7 (b)
Incident ray പതനരശ്മിAB?
Refracted ray അപവർത്തനരശ്മി??
Angle of incidence (i) പതനകോൺ∠ABN?
Angle of refraction (r) അപവർത്തനകോൺ∠CBN′?
Angle of refraction greater / less than the angle of incidence??
(a) incident ray AB, refracted ray BC, i = ∠ABN, r = ∠CBN′, r is less than i. (b) incident ray PO, refracted ray OR, i = ∠PON′, r = ∠RON, r is greater than i.
Why: each angle is measured between a ray and the part of the normal on its own side. In (a) the incident ray is above the interface, so it pairs with N (top); the refracted ray is below, so it pairs with N′. In (b) it is the other way round: P is in the water (below), so i = ∠PON′, and R is in the air (above), so r = ∠RON. At i = 30°: (a) r ≈ 22°, (b) r ≈ 42°.

So – is the change of direction the same?

No. At the same angle of incidence (30°), going air → water the ray turns towards the normal (r ≈ 22°, a turn of about 8°), but going water → air it turns away from the normal (r ≈ 42°, a turn of about 12°). The direction of the bending depends on whether light goes into a denser or a rarer medium.

വായുവിൽ നിന്ന് ജലത്തിലേക്ക് കടക്കുമ്പോഴും ജലത്തിൽ നിന്ന് വായുവിലേക്ക് കടക്കുമ്പോഴും അപവർത്തനരശ്മിയുടെ ദിശാ വ്യതിയാനത്തിന് എന്ത് പ്രത്യേകതയാണ് കാണാൻ കഴിയുന്നത്? സയൻസ് ഡയറിയിൽ രേഖപ്പെടുത്തൂ. – What is special about the change of direction when light goes from air to water, and from water to air? Record it in your science diary.

Q1. വായുവിൽ നിന്ന് ജലത്തിലേക്ക് ചരിഞ്ഞു പ്രവേശിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മിയുടെ ദിശാവ്യതിയാനം എപ്രകാരമാണ്? (ലംബത്തോട് അടുക്കുന്നു/ലംബത്തിൽ നിന്ന് അകലുന്നു) – How does a ray entering water obliquely from air change direction? (bends towards the normal / away from the normal)

It bends towards the normal ലംബത്തോട് അടുക്കുന്നു.
Why: in Fig 1.7 (a) the angle of refraction (22°) is smaller than the angle of incidence (30°). Water is optically denser than air, so light slows down on entering it.

Q2. ജലത്തിൽ നിന്ന് വായുവിലേക്ക് ചരിഞ്ഞ് പ്രവേശിക്കുന്ന പ്രകാശരശ്മിയുടെ ദിശാവ്യതിയാനം എപ്രകാരമാണ്? – How does a ray entering air obliquely from water change direction?

It bends away from the normal ലംബത്തിൽ നിന്ന് അകലുന്നു.
Why: in Fig 1.7 (b) the angle of refraction (≈ 42°) is larger than the angle of incidence (30°). Light speeds up as it enters the rarer air. (This is why the straw on page 6 looks raised.)

2. Six pairs of media – Fig 1.8 (a)–(f)

വ്യത്യസ്ത മാധ്യമജോഡികളിൽ കൂടി പ്രകാശം കടന്നു പോകുന്ന ചിത്രങ്ങൾ നിരീക്ഷിക്കൂ. – Observe the figures in which light passes through different pairs of media. (Redrawn from the textbook with the real refractive indices; air grey, water blue, glass green.)

🧩 Sorter – what is happening in each figure?

Score: 0 / 6

മാധ്യമങ്ങളുടെ പ്രകാശികസാന്ദ്രതയുടെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ ചുവടെ നൽകിയ ചോദ്യങ്ങൾക്ക് ഉത്തരം കണ്ടെത്തി സയൻസ് ഡയറിയിൽ രേഖപ്പെടുത്തൂ. – Using the optical densities of the media, answer these questions and record them in your science diary.

(a) പ്രകാശികസാന്ദ്രത കൂടിയ മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞ മാധ്യമത്തിലേക്ക് പ്രകാശരശ്മി ചരിഞ്ഞ് പ്രവേശിക്കുന്നതായി കാണിച്ചിരിക്കുന്ന ചിത്രങ്ങൾ ഏതൊക്കെയാണ്? – Which figures show a ray entering obliquely from an optically denser medium into a rarer one?

Fig 1.8 (b) – glass → water.
Why: glass (n = 1.5) is optically denser than water (1.33), and in (b) the ray comes up slantwise from the glass into the water. In all the other slanting figures light goes from air (the rarest) into water or glass.

(b) ഇവിടെ അപവർത്തനം സംഭവിക്കുന്ന രശ്മിയുടെ ദിശാവ്യതിയാനം എപ്രകാരമാണ്? (ലംബത്തിനടുത്തേക്ക് / ലംബത്തിൽ നിന്ന് അകലേക്ക്) – How does the refracted ray change direction here? (towards the normal / away from the normal)

It bends away from the normal ലംബത്തിൽ നിന്ന് അകലേക്ക്.
Why: going from denser to rarer, light speeds up and swings away from the normal – the refracted ray in water makes a bigger angle with the normal (≈ 46°) than the incident ray in glass (40°).

(c) അപവർത്തനരശ്മി ലംബത്തോട് അടുക്കുന്ന സന്ദർഭങ്ങൾ വ്യക്തമാക്കുന്ന ചിത്രങ്ങൾ ഏതൊക്കെയാണ്? – Which figures show the refracted ray bending towards the normal?

Fig 1.8 (a), (d) and (f).
Why: in each of them the refracted ray is closer to the normal than the incident ray: (a) air → water 40° → 29°, (d) air → glass 40° → 25°, (f) air → glass 55° → 33°.

(d) ലംബത്തോട് അടുക്കുന്ന സന്ദർഭങ്ങളിൽ പ്രകാശം ഏത് മാധ്യമത്തിൽ നിന്ന് ഏത് മാധ്യമത്തിലേക്കാണ് കടന്നു പോകുന്നത്? (പ്രകാശികസാന്ദ്രത കൂടിയതിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞതിലേക്ക്/പ്രകാശികസാന്ദ്രത കുറഞ്ഞതിൽ നിന്ന് കൂടിയതിലേക്ക്) – When the ray bends towards the normal, from which medium into which does light pass? (denser → rarer / rarer → denser)

From an optically rarer medium into an optically denser medium പ്രകാശികസാന്ദ്രത കുറഞ്ഞതിൽ നിന്ന് കൂടിയതിലേക്ക്.
Why: (a), (d), (f) all start in air, the rarest medium, and enter water or glass.

(e) ചിത്രം 1.8 (c), 1.8 (e) എന്നിവയിൽ പ്രകാശത്തിന് അപവർത്തനം സംഭവിക്കുന്നില്ല. കാരണം എന്തായിരിക്കും? – In Fig 1.8 (c) and (e) the light is not refracted. What could be the reason?

Because the ray falls perpendicularly on the interface – along the normal (angle of incidence = 0°).
Why: refraction (a change of direction) happens only when light enters obliquely. Along the normal, the whole width of the beam reaches the new medium at the same instant and slows down together, so it goes straight on (the toy car on page 5 driving head-on).

3. The rules of refraction

⭐ Rules of refraction (textbook page 14)
  1. The incident ray, the refracted ray and the normal at the point of incidence all lie in the same plane.
  2. When light passes obliquely from an optically rarer medium into a denser one, the refracted ray bends towards the normal.
  3. When light passes obliquely from an optically denser medium into a rarer one, the refracted ray bends away from the normal.
  4. A ray falling perpendicularly (normally) on the interface is not refracted.
🧠 Memory hook

Slower → Towards (rarer → denser: light slows, bends towards the normal). Faster → Away (denser → rarer: light speeds up, bends away). And always measure i and r from the normal, never from the surface.

4. Refraction explorer – test any pair

🔦 Refraction explorer – choose the media and the angle

The faint ray going back up is the small part of the light that is always reflected at an interface (not in the syllabus, but you can see it in the laser tank too). Try glass → air at more than 42° – something surprising happens; it is the subject of page 10.

🚀 Go further (not in the Class 9 textbook): Snell's law

The explorer draws every ray with Snell's law: n₁ × sin i = n₂ × sin r where n₁ is the refractive index of the first medium and n₂ that of the second. If n₂ > n₁ (into a denser medium), sin r must be smaller than sin i, so r < i – the ray bends towards the normal. If n₂ < n₁, r > i – away. If i = 0, then r = 0 – no bending. The four rules of page 14 are all hidden in this one equation. You will learn "sin" in higher classes; the readout of the explorer shows that both sides come out equal.

🌴 Kerala connection

Stand at the edge of a temple pond or a paddy-field canal and look at a stick standing slantwise in the water: light from its tip comes up from the water (denser) into the air (rarer) and bends away from the normal – so the stick looks bent upwards. A diver in the pond looking up at the sky sees the light from above bent towards the normal as it enters the water. Same interface, opposite direction, opposite bending.

5. Check yourself

🧭 Summary

Next: Glass slab and everyday refraction – coins, ponds and fishing ▶