Что такое явление полного внутреннего отражения
Перейти к содержимому

Что такое явление полного внутреннего отражения

  • автор:

Полное внутреннее отражение

Вну́треннее отраже́ние — явление отражения электромагнитных волн от границы раздела двух прозрачных сред при условии, что волна падает из среды с бо́льшим показателем преломления.

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. К тому же, коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

Этот оптический феномен наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения включая и рентгеновский диапазон.

В рамках геометрической оптики объяснение явления тривиально: опираясь на закон Снелла и учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

 \theta _ <\rm c>= \arcsin \!\left (\frac <n_2> <n_1>\right) » width=»» height=»» /></p>
<p>В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.</p>
<p><img decoding=

Содержание

Пример

Пример

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления \!\,n_1на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с коэффициентом преломления\!\,n_2.

Красный луч падает под углом \!\,\Phi _1&amp;amp;lt;\!\,\!\,\alpha _c=\!\,\Theta _c, то есть на границе сред он раздваивается — частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом \!\,\Phi_2.

\!\,\Theta&amp;amp;gt;\!\,\alpha _c=\!\,\Theta_c

Зелёный луч падает и полностью отражается .

Полное внутреннее отражение в природе и технике

Фата-моргана, эффекты миража, например иллюзия мокрой дороги при летней жаре. Здесь отражения возникают из-за полного отражения между слоями воздуха с разной температурой.

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней объясняется полным внутренним отражением, в результате которого каждый вошедший в кристалл луч образует большое количество достаточно ярких вышедших лучей, окрашенных в результате дисперсии.

Блеск алмазов, выделяющий их из прочих драгоценных камней, также определяется этим феноменом. Из-за высокого коэффициента преломления (n ≈ 2) алмаза оказывается большим и число внутренних отражений, которые претерпевает луч света с меньшими потерями энергии, по сравнению со стеклом и другими материалами с меньшим показателем преломления.

Полное внутреннее отражение звуковых волн в толще океана, связанное с изменениями свойств воды с глубиной, приводит к распространению некоторых, особенно сверхнизкочастотных звуков на тысячи километров.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать, если смотреть из-под воды на поверхность: при определенных углах на границе раздела наблюдаеться не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Светоделительная призма

Рисунок

Непосредственно за первой граничной поверхностью, то есть на расстоянии максимум, равной длине волны света, вторая граничная поверхность имеет тот же коэффициент преломления n1. Электромагнитная волна света проникает через полосу с коэффициентом преломления n2 и попадает во вторую граничную поверхность с коэффициентом преломления n1, но с меньшим значением энергии. Наблюдается раздвоение луча света, часть которого проникла в зону с коэффициентом преломления n2. В конечном результате луч раздваивается : часть распространяется дальше в первоначальном направлении, в то время как другая часть отражается. Потеря интенсивности в среде n2 проходит экспоненциально по формуле:

 I = I_0 \cdot \exp\!\left( -\frac<x><\lambda >\right)» width=»» height=»» /></p>
<h4>Световод</h4>
<p>Эффект полного внутреннего отражения использвуется в световодах. Осевая часть волокна создаётся из стекла с высоким показателем преломления и погружается в оптически менее плотную среду (пластиковая облочка волокна, специальная жидкость, воздух). Такие световоды используются для построения оптоволоконных кабелей</p>
<h3>Отражение рентгеновских лучей</h3>
<p>При рентгеновском излучении согласно общей формуле значений коэффициента преломления:</p>
<p> <img decoding=

\!\,\delta

вытекает, что вакуум — оптически более плотная среда, чем любое вещество. Значения коэффициента прохождении рентгеновских лучей лежат в области между < / 10 − 6 и < / 10 − 5 и зависят от квантовой энергии излучения, констант кристаллической решётки и плотности вещества.

При небольших углах падения, наблюдается эффект скольжения, преломления рентгеновских лучей с отражением под углом, равным углу падения (θ). Углы скольжения для «жёстких» рентгеновских лучей составляют доли градуса, для «мягких» — примерно 10-20 градусов. [1] [2]

Преломление рентгеновских лучей при скользящем падении было впервые сформулировано М. А. Кумаховым, разработавшим рентгеновское зеркало, и теоретически обосновано Артуром Комптоном в 1923 году.

Другие волновые явления

Демонстрация преломления, а значит и эффекта полного внутреннего отражения возможна, например, для звуковых волн на поверхности и в толще жидкости при переходе между зонами различной вязкости или плотности.

Явления, сходные с эффектом полного внутреннего отражения электромагнитного излучения, наблюдаются для пучков медленных нейтронов. [3]

Если на поверхность раздела падает вертикально поляризованная волна под углом Брюстера, то будет наблюдаться эффект полного преломления — отраженная волна будет отсутствовать.

Примечания

  1. http://dssplab.karelia.ru/sources/BOOK/glava1/01.html
  2. http://www.issep.rssi.ru/pdf/0110_095.pdf
  3. Нейтронная оптика — статья из Большой советской энциклопедии

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Полное внутреннее отражение» в других словарях:

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — отражение эл. магн. излучения (в частности, света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. П. в. о. осуществляется, когда угол падения i превосходит нек рый предельный (критический) угол … Физическая энциклопедия

Полное внутреннее отражение — Полное внутреннее отражение. При прохождении света из среды с n1 > n2 происходит полное внутреннее отражение, если угол падения a2 > aпр; при угле падения a1 Иллюстрированный энциклопедический словарь

Полное внутреннее отражение — отражение оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света) или электромагнитного излучения другого диапазона (например, радиоволн) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим преломления показателем… … Большая советская энциклопедия

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — электромагнитных волн, происходит при прохождении их из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2 под углом падения a, превышающим предельный угол aпр, определяемый соотношением sinaпр=n2/n1. Полным… … Современная энциклопедия

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ, ОТРАЖЕНИЕ без ПРЕЛОМЛЕНИЯ света на границе. При прохождении света из более плотной среды (например, стекло) в менее плотную (вода или воздух) существует зона углов преломления, в которой свет не проходит через границу … Научно-технический энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение — Отражение света от среды оптически менее плотной с полным возвращением в среду, из которой он падает. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики… … Справочник технического переводчика

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — электромагнитных волн происходит при их наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол… … Большой Энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение — электромагнитных волн, происходит при наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол iпр … Энциклопедический словарь

ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ — эл магн. волн, происходит при наклонном падении на границу раздела 2 сред, когда излучение проходит из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем преломления n2, а угол падения i превышает предельный угол iпр.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

полное внутреннее отражение — visiškasis vidaus atspindys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. total internal reflection vok. innere Totalreflexion, f rus. полное внутреннее отражение, n pranc. réflexion intégrée interne, f; réflexion totale interne, f … Fizikos terminų žodynas

Полное внутреннее отражение: что это такое, формула, пример расчета, применение

Полное внутреннее отражение (англ. total internal reflection) — это явление, при котором свет, падающий на границу двух сред из среды с большим показателем преломления под углом, превышающим предельный угол αпр , не преломляется, а полностью отражается, так что энергия падающего света отражается в первую среду.

Вам интересно, почему полное отражение электромагнитных волн зависит от различных сред и углов? А как можно вычислить угол, при которым происходит полное внутреннее отражение? Именно об этом вы узнаете далее из моей статьи.

Описание явления и формула

Свет, то есть электромагнитная волна в диапазоне от 380 нм до 780 нм, достигая границы сред, может претерпевать два явления: отражение и преломление (рис. 1.).

Явления полного отражения света

Рис. 1. Свет, падающий на границу между средами с различными показателями преломления, может претерпевать два явления: отражение и преломление.

Однако иногда случается, что явление преломления не происходит. Давайте рассмотрим это подробнее. В первой среде, показатель преломления которой будет больше, чем во второй, поместим источник света под малым углом падения. Затем вы заметите, что оба явления имеют место. Теперь давайте постепенно увеличивать угол падения. В определенный момент мы достигнем ситуации, когда угол преломления будет равен 90° и свет будет «скользить» через границу сред (рис. 2.). Угол падения в этом случае называется предельным углом.

Свет, падающий на границу сред под граничным углом, "скользит" через границу

Рис. 2. Свет, падающий на границу сред под граничным углом, «скользит» через границу

Предельный угол αпр (или критический угол) — максимальный угол падения света на границе двух сред, при котором происходит явление преломления.

Если продолжать увеличивать угол падения, то явление преломления не произойдет. Мы будем наблюдать только отражение. Это называется полным внутренним отражением. Это явление было описано в первой половине 19 века независимо друг от друга Жаком Бабинэ и Жаном-Даниэлем Колладоном.

Пример полного внутреннего отражения света

Рис. 3. Пример полного внутреннего отражения света

Если n1 > n2 и угол падения больше предельного угла αпр, то преломление отсутствует, т.е. происходит полное внутреннее отражение (см. рисунок 3).

Поэтому остается вопрос, каков вычислить этот предельный угол? Это максимальный угол падения, при котором мы еще можем говорить о явлении преломления. Затем, пройдя через границу сред, луч «скользит вдоль границы», и угол преломления составляет 90° (рис. 2.). Таким образом, закон преломления света принимает вид: sin ( αпр ) / sin ( 90° ) = n2 / n1 . Преобразуя приведенную выше формулу, получаем: sin ( αпр ) = sin ( 90° ) * ( n2 / n1 ) = n2 / n1 .

Предельным углом для вычисления полного отражения является угол, обратный функции синуса и отношения показателей преломления оптически менее плотной и оптически более плотной среды, то есть αпр = arcsin ( n2 / n1 ) .

Таким образом, если световая волна падает на границу двух сред таким образом, что угол падения больше arcsin ( n2 / n1 ), то мы говорим о полном внутреннем отражении света.

Но как именно можно определить, является ли среда оптически более плотной или менее плотной?

Закон преломления света можно использовать для описания изменения направления электромагнитных волн при их прохождении через различные среды. Прежде всего, необходимо дать некоторые определения.

В оптике показатель преломления n указывает на отношение длины волны λ или фазовой скорости c света в вакууме к скорости света в материале или среде ( cср ). Это определяет оптически более плотные среды и оптически менее плотные среды. Соответственно, показатель преломления без единиц измерения можно определить по следующей формуле: n = c / cср = λ / λср .

Формула закона преломления света, как известно, определяется как отношение угла падения α и угла преломленного света β. Это должно быть равно отношению показателей преломления, то есть sin α / sin β = n2 / n1 .

В случае полного внутреннего отражения угол падения или предельный угол αпр равен отношению показателя преломления оптически более плотной среды к оптически менее плотной среде.

Это означает, что если n1 > n2, то при достаточно большом угле падения α , β уже не соответствует действительному (вещественному) числу: sin β = sin α * n1/n2 > 1.

Примеры расчёта

Давайте перейдем от теории к практике и проиллюстрируем, как можно рассчитать предельный угол полного внутреннего отражения. В примере электромагнитная волна из воды попадает в воздух.

Показатель преломления воды составляет около 1,333 при 20°C, тогда как показатель преломления воздуха равен 1,000292. Из этого следует, что в данном примере вода является оптически более плотной средой, а воздух — оптически менее плотной средой, то есть nводы > nвоздуха .

Поэтому предельный угол αпр может быть рассчитан с помощью обратной функции синуса и отношения показателей преломления воздуха и воды, то есть αпр = arcsin ( 1,000292 / 1,333 ) = 48,6 ° .

На основе определенного предельного угла можно определить три результирующие области:

Если свет проникает через воду и попадает в оптически менее плотную среду — воздух под углом меньше 48,6°, то можно заметить, что часть света отражается, а часть преломляется в пограничном слое (см. рисунок 4).

Рис. 4. Переход света из воды в воздух α < 48,6°

Однако если свет падает на воздух с определенным предельным углом равным 48,6°, часть электромагнитной волны пройдет точно на границе раздела сред. Другая часть отразится (см. рисунок 5).

Переход света из воды в воздух с α=48,6 градусов

Рис. 5. Переход света из воды в воздух с α=48,6 градусов

Если угол падения теперь больше предельного угла αпр , равного 48,6°, мы говорим о полном внутреннем отражении. В этом случае свет полностью отражается на границе раздела сред, больше не преломляется и, следовательно, больше не проникает в воздух.

Однако существуют некоторые ограничения, чтобы не нарушить общее отражение. Оптически менее плотная среда должна иметь определенную минимальную толщину. Кроме того, оптически менее плотная среда не должна быть абсорбирующей.

Коэффициент экстинкции k используется для описания ослабления электромагнитных волн, например, за счет рассеяния или поглощения. Он определяется как произведение показателя преломления n и коэффициента поглощения κ, то есть k = n * κ .

Применение

Далее рассматриваются некоторые примеры практического применения принципа полного внутреннего отражения электромагнитных волн.

Эффект полного внутреннего отражения особенно полезен для оптических волокон, таких как оптоволоконные кабели. Оптоволоконные кабели состоят из сердечника и оболочки. Сердечник из стекловолокна является оптически плотной средой, а оболочка — оптически менее плотной средой. Благодаря полному внутреннему отражению, свет внутри оптоволоконного кабеля почти полностью отражается от оболочки и остается в сердцевине.

Известный всем кабельный интернет также передается с помощью оптоволоконных кабелей. Здесь электрические сигналы преобразуются в электромагнитные импульсы с помощью электрооптических преобразователей.

Призмы часто используются в оптике. Эти призмы обладают физическим эффектом дисперсии. Благодаря различным частотам электромагнитных волн, призмы могут быть использованы для разделения света на его спектр или спектральные цвета.

Они также используются для определения расстояния от Земли до Луны. Призма, которая служит здесь отражателем, находится на Луне. Если теперь направить лазер с Земли на эту призму, она отразит лазерный луч и отправит его обратно на Землю. Исходя из характеристики скорости света c, равной 300 000 км/с, и расчетного времени возврата t, равного примерно 2,55 с, получается, что расстояние составляет: s = c * t = 300 000 * (2,55 / 2) ≈ 382 500 км .

Другой важной областью, в которой явление полного внутреннего отражения нашло ряд применений, является медицина. Здесь в первую очередь следует отметить возможность заглянуть внутрь тела без хирургического вмешательства. Для этой цели служит устройство, состоящее из нескольких оптических волокон, объединенных вместе. Это нашло применение прежде всего в эндоскопии, которая позволяет проводить неинвазивное обследование, а также брать биопсию и проводить небольшие хирургические вмешательства.

Одно из самых популярных и известных применений этого явления — ювелирная промышленность. Он заключается в придании полированному камню соответствующей формы и покрытии его симметричными плоскостями, так что внутри камня происходит полное внутреннее отражение, и около 80% лучей преломляются. Это позволяет наблюдать характерный блеск бриллиантов

Полное внутреннее отражение. Световод. (лекция 3_6)

Явление полного внутреннего отражения заключается в том, что луч, падающий на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления при определенном угле падания в среду с меньшим показателем не выйдет.

Короче, надо искать такой угол падения, чтобы угол выходящего луча был равен 90 градусов, т.е.

Волоконный световод представляет собой кварцевую нить, окруженную оболочкой тоже из кварца, но легированного германием или фосфором.

Поляризация при двойном лучепреломлении. (лекция 3_6)

При прохождении света через кристаллы, за исключением кристаллов кубической симметрии, наблюдается явление двойного лучепреломления, т.е. луч, упавший на кристалл, разделяется внутри кристалла на 2 луча, распространяющихся с различной скоростью. Такие кристаллы подразделяются на одноосные и двухосные. К одноосным относятся: исландский шпат, кварц, турмалин. У одноосных кристаллов один луч подчиняется обычным законам геометрической оптики. В частности, он лежит в одной плоскости с падающим лучом и распространяется нормально к преломляющей поверхности, если падающий луч был нормален к этой поверхности. Этот луч называют обыкновенным («о»). Для другого луча – необыкновенного («е») – не выполняется закон преломления. Даже при нормальном падении он отклоняется от нормали. «е» не лежит в одной плоскости с падающим лучом. В двуосных кристаллах оба луча необыкновенные.

У одноосных кристаллов имеется направление, в котором «о» и «е» идут не разделяясь. Это оптическая ось кристаллов. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла. Лучи «о» и «е» являются полностью поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. Плоскость колебаний «о» луча перпендикулярна главной плоскости кристалла. В «е» луче колебания совпадают с главным сечением кристалла. При выходе из кристалла оба луча отличаются друг от друга только направлением поляризации.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. Из-за этого скорость распространения волны в кристалле зависит от направления распространения. Для «о» луча скорость везде одинакова. Для «о» и «е» лучей показатели преломления равны:

В зависимости о того, чья скорость больше, различают положительные (V0 > Ve) и отрицательные (V0 < Ve) кристаллы

Основные характеристики спектральных приборов. (лекция 3_6)

Разрешающая способность – безразмерная величина, равная отношению длины волны к минимальной разности двух спектральных линий, при которой эти линии воспринимаются раздельно. R = λ / δλ

Максимумы двух спектральных линий, расположены близко и воспринимаются как один. Если середина одного максимума совпадает с краем другого, то такие максимумы воспринимаются как две раздельные спектральные линии. Интенсивность в середине между максимумами должна составлять не более 80% от интенсивности в максимуме. Это критерий Релея. Для разрешающей способности дифракционной решетки: R = mN, где m – порядок спектра, N – число щелей.

Угловая дисперсия — Dϕ = δϕ / δλ , где δϕ — угловое расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на δλ

d*sinϕ = ± mλ => d * cosϕ * δϕ = m * δλ

Dϕ = δϕ / δλ = m / dcosϕ

Линейная дисперсия — DL = δL / δλ, где δL – минимальное расстояние между спектральными линиями, отличающимися на по длине волны на δλ. Линейная и угловая дисперсия связаны через фокусное расстояние: DL = FDϕ

Тепловое излучение. (лекция 6)

Тепловое излучение – испускание ЭМ волн за счет внутренней энергии тела. Любой нагретой тело излучает волны. Виды свечения, возбуждаемые за счет любой энергии, кроме внутренней, называются люминесценцией (хемилюминесценция, электролюминесценция – свечение газов при самостоятельном разряде, фотолюминесценция – свечение твердого тела под действием поглощаемого ЭМ излучения).

Тепловое излучение – единственный вид излучения, которое может находиться в равновесии с излучающим телом. Это связано с тем, что интенсивность излучение увеличивается при повышении температуры, и уменьшается при понижении.

Основные характеристики теплового излучения:

Интенсивность характеризуется величиной потока энергии – Ф [Вт]

Энергетическая светимость – поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела по всем направлениям во всем интервале длин волн. Размерность: [Вт / м 2 ]. Энергетическая функция является функцией длины волны и температуры.

Спектральная испускательная способность тела – энергия, выпущенная в единицу времени с единичной площади в единичном интервале длин волн, в окрестности какой либо длины волны.

Все тела поглощают энергию падающих на них ЭМ волн. Характеристикой поглощения служит коэффициент поглощения (поглощательная способность), определяемый отношением поглощенного потока Ф’ к величине падающего потока Ф.

Поглощательная способность в единичном интервале длин волн в окрестности какой-либо длины волны называется спектральной поглощательной способностью.

Падающая энергия еще может и отражаться. Интегральная характеристика отражения – коэффициент отражения – отношение отраженного потока к падающему.

Закон преломления света

Закон преломления света

Мы уверены, что вы хотя бы раз в жизни задумывались, откуда берется радуга. Даже малышам известно, что она появляется на небе после дождя, но почему происходит это явление? А если вы посмотрите на свои ноги, погруженные в воду, то они будут казаться искаженными, словно волнистыми. И еще пример странности: если поставить ложку в прозрачный стакан с водой, на границе раздела двух сред она будет выглядеть согнутой.

· Обновлено 23 июня 2023

Преломление света на кружке с водой

Интересно, но все перечисленные выше явления происходят по одной и той же причине — преломление лучей света. Сегодня мы подробно изучим его, а также поговорим про оптическую плотность различных сред, законы оптики и даже применим знания тригонометрии к физическим процессам. Будет очень интересно, так что не переключайтесь!

Что такое преломление света в физике

Здесь мы будем говорить только о прозрачных средах и веществах. Например о воздухе, воде, стекле, прозрачных кристаллах. То есть если лучи света из одной прозрачной среды переходят в другую прозрачную среду, то луч света в месте их соприкосновения исказится. Он изменит направление, в котором распространяется его движение. При этом, скорость распространения в другой среде тоже изменится, но об этом поговорим чуть позже.

Дисперсия света и оптическая плотность среды

Теперь, когда вы знаете о преломлении лучей, попробуйте объяснить возникновение радуги. Верно! Солнечные лучи распространяются в воздухе и встречают на своем пути мельчайшие капельки воды. Когда лучи проходят через них, они преломляются. Помимо этого, преломляясь, белый луч света будто расщепляется на радужный спектр от красного до фиолетового цветов, рождая при этом радугу.

Теперь вам может стать интересно, реально ли получить радугу самим, в условиях эксперимента. Если да, то нам нравится ваше научное любопытство! Самостоятельно получить радугу возможно, и впервые этот опыт проделал ученый Исаак Ньютон. Он направил световой луч через прозрачную стеклянную призму и получил радужный спектр.

Дисперсия света

Внимательно посмотрите на картинку. Световой луч, если бы не разница в оптической плотности между воздухом и стеклом, не изменил бы свое направление. Он продолжил бы двигаться, как ни в чем не бывало. Но по законам геометрической оптики, он был вынужден исказиться дважды: при переходе из воздуха в стекло и еще раз, при переходе из стекла в воздух. Этот излом луча происходит благодаря такому показателю, как оптическая плотность среды.

Этот показатель можно сравнить с обыкновенной плотностью. Только представьте: луч света распространяется в воздухе. Воздух — это газ, он состоит из бесконечного множества молекул. Расстояние между ними достаточно велико, что позволяет свету распространяться без каких-либо помех. При переходе из воздуха в воду (или стекло, кристалл), луч «замечает»: вещество также состоит из мельчайших частиц, но они расположены друг к другу ближе. «Проталкиваясь» среди молекул, луч теряет свою скорость. Это можно сравнить с тем, как вы бы проходили через толпу на танцполе к сцене, где выступает ваша любимая группа. Быстро это сделать точно бы не получилось.

Угол падения и угол преломления луча

Давайте посмотрим на процесс преломления с точки зрения геометрии. Для этого обратимся к схеме ниже.

Преломление света

Угол α на картинке — угол падения — это угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения луча на границу раздела сред. Угол γ — угол преломления — это угол между преломленным лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения луча на границу раздела сред.

Теперь рассмотрим картинку ниже и разберемся, как меняется угол преломления света при переходе в вещества разной плотности оптической среды.

Преломление света в веществах разной плотности оптической среды

Из иллюстрации можно сделать такие выводы:

При переходе света из менее плотной оптической среды в более плотную, скорость уменьшается, и угол преломления меньше угла падения.

При переходе света из более плотной оптической среды в менее плотную, скорость увеличивается, и угол преломления больше угла падения.

При переходе света из одной среды в другую с такой же оптической плотностью, скорость распространения не изменяется, и угол падения равен углу преломления.

Показатель преломления лучей света

Сейчас вы можете задуматься о том, относительно чего искажается луч света. Может, есть какие-то физические величины или показатели, которые показывают степень излома луча? Да, такие в физике имеются. За эти характеристики отвечают показатели преломления: абсолютный и относительный. Рассмотрим их все.

Абсолютный показатель преломления света

Абсолютный показатель преломления обозначается буквой [n]. Его можно рассчитать по формуле:

с — скорость света в вакууме (с=3 * 10 8 м/с),

v — скорость распространения света в среде.

Эта величина показывает, во сколько раз меняется скорость света при переходе из вакуума в воздух, воду, стекло и т. д. Абсолютный показатель преломления n некоторых веществ можно найти в таблице ниже.

Как мы видим, абсолютный показатель преломления воздуха равен 1. Это означает, что при переходе из вакуума в воздух, луч света никак не искажается. А вот при переходе из вакуума в алмаз, скорость распространения света уменьшается почти в 2,5 раза!

Относительный показатель преломления

Этот показатель указывает на то, во сколько раз изменится скорость распространения луча при переходе из одной среды в другую. Его можно рассчитать по такой формуле:

n1 — показатель преломления 1-й среды,

n2 — показатель преломления 2-й среды.

Закон преломления света

Давайте разберемся, как мы можем найти угол преломления и угол падения, если знаем относительный или абсолютный показатель. В этом нам помогут законы преломления света. В свое время их изучал голландский математик Виллеброрд Снелл, именно поэтому их часто называют законами Снеллиуса или Снелла.

Рассмотрим формулировку законов преломления.

Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ — это постоянная величина для двух данных сред:

Благодаря этой формуле мы можем найти угол преломления и угол падения. Круто, правда?

Если вы не сильно дружны с математикой, а от синусов и косинусов хочется упасть в обморок — не расстраивайтесь! Чтобы решать задачи о преломлении света, вам не нужно знать мельчайшие нюансы тригонометрии. Достаточно запомнить формулу, а также иметь при себе великую таблицу Брадиса. Это такая таблица, в которой записаны все значения тригонометрических функций углов от нуля до 90 градусов. А значит, не нужно ничего заучивать и запоминать — можно просто воспользоваться готовыми данными.

Мнимое изображение, которое образовано преломлением лучей

Давайте вспомним еще пару примеров, о которых говорили ранее: об «изломанной» ложке и «волнистых» ногах в бассейне. Давайте попытаемся объяснить их с точки зрения законов физики.

Преломление лучей, как и отражение света плоским зеркалом, создает обманчивое изменение положения источника света. Причем оно будет различным для лучей, которые падают на границу раздела двух сред под разными углами. Именно поэтому нам только кажется, что ложка сломана — такой ее делают преломляющиеся лучи света.

В разных устройствах применяют эти свойства преломления, когда пропускают лучи света через стеклянную призму и через их сочетания. Например, как это делал Исаак Ньютон в эксперименте, который мы рассмотрели ранее. Ниже — схема преломления лучей через разные виды призм.

Виды призм

Полное внутреннее отражение

Последнее, что мы обсудим сегодня, касается процесса полного внутреннего отражения. Давайте разберемся, как он связан с преломлением.

Полное внутреннее отражение

Интересно, что явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике — для передачи световых сигналов на большие расстояния.

Оптоволокно

В свою очередь, волоконную оптику используют во многих отраслях науки и искусства: в медицине, телекоммуникациях, датчиках различного спектра и освещении.

Примеры задач

Теперь попробуем решить задачку и заодно повторим все, о чем сегодня поговорили.

Задание № 1

Известно, что показатель преломления воздуха и некоторой среды равен 3. Если угол между лучом и границей двух сред 30°, то каким будет угол преломления?

Решение

Воспользуемся формулой, описанной во втором законе преломления:

Проанализировав текст задачи, мы видим, что нам дано значение угла между лучом и границей, а не угол падения. Найдем угол падения:

∠α = 90 – 30 = 60.

Выразим из формулы:

sin(y) = sinα / n21.

Подставим значения и рассчитаем угол преломления:

Формула закона преломления света

Ответ: 30°.

Если вы хотите детально разобраться в законах отражения и преломления света, а также попрактиковаться в решении задач, приходите на онлайн-курсы физики в школу Skysmart! Там вы не только станете экспертом в школьных темах, но еще подготовитесь к экзаменам, а также превратитесь в настоящих ученых с нашими опытами и лабораторными работами. Ждем вас, юные ученые, и до новых встреч!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *