Zastosowanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła i jego zastosowanie Odbicie światła i jego zastosowanie
Działalność
Peryskop cyfrowy
Oto nowość techniczna.
Tradycyjny kanał optyczny istniejących peryskopów zastępuje się kamerami wideo o wysokiej rozdzielczości i komunikacją światłowodową. Informacje z zewnętrznych kamer monitorujących przesyłane są w czasie rzeczywistym na wielkoformatowy wyświetlacz w centralnej sterowni.
Testy odbywają się na pokładzie okrętu podwodnego SSN 767 Hampton klasy Los Angeles. Nowy model całkowicie zmienia wieloletnią praktykę pracy z peryskopem. Oficer wachtowy obsługuje teraz kamery zamontowane na wysięgniku, regulując wyświetlacz za pomocą joysticka i klawiatury.
Oprócz wyświetlacza umieszczonego na słupku centralnym, obraz z peryskopu można wyświetlić na dowolnie dużej liczbie wyświetlaczy w dowolnym pomieszczeniu łodzi. Kamery umożliwiają jednoczesną obserwację różnych sektorów horyzontu, co znacznie zwiększa szybkość reakcji zegarka na zmiany sytuacji taktycznej na powierzchni.
Jak wytłumaczyć „grę w kamienie”? W biżuterii szlif kamieni dobiera się tak, aby na każdej twarzy występowało pełne odbicie światła.
Całkowite zjawisko wewnętrzne wyjaśnia zjawisko mirażu
Miraż to zjawisko optyczne w atmosferze: odbicie światła przez granicę pomiędzy warstwami powietrza znacznie różniącymi się ciepłem. Dla obserwatora takie odbicie oznacza, że wraz z odległym obiektem (lub częścią nieba) widoczny jest jego wirtualny obraz, przesunięty względem obiektu.
Miraże dzielimy na dolne, widoczne pod obiektem, górne, nad obiektem i boczne. Miraż górny obserwuje się nad powierzchnią zimnej ziemi, miraż dolny obserwuje się nad przegrzaną płaską powierzchnią, często pustynią lub asfaltową drogą. Wirtualny obraz nieba tworzy iluzję wody na powierzchni. Tak więc droga rozciągająca się w dal w upalny letni dzień wydaje się mokra. Czasami w pobliżu bardzo nagrzanych ścian lub skał obserwuje się boczny miraż.
2. Odbicie i załamanie światła. Całkowite wewnętrzne odbicie. Światłowody, ich zastosowanie w medycynie.
Z teorii pola elektromagnetycznego opracowanej przez J. Maxwella wynikało, że fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła - 300 000 km/s, że fale te są poprzeczne, podobnie jak fale świetlne. Maxwell zaproponował, że światło jest falą elektromagnetyczną. Przewidywanie to zostało później potwierdzone eksperymentalnie.
Podobnie jak fale elektromagnetyczne, propagacja światła podlega tym samym prawom.
Prawo odbicia. Kąt padania jest równy kątowi odbicia (α=β). Promień padający AO, promień odbity OB i prostopadła OS, odtworzona w punkcie padania, leżą w tej samej płaszczyźnie.
Prawo załamania. Promień padający AO i promień załamany leżą w tej samej płaszczyźnie z prostopadłą CD narysowaną w punkcie padania promienia do płaszczyzny separacji obu ośrodków. Stosunek sinusów kąta padania a i kąta załamania y jest stały dla tych dwóch ośrodków i nazywany jest współczynnikiem załamania światła drugiego ośrodka w stosunku do pierwszego: .
Prawa odbicia światła są brane pod uwagę przy konstruowaniu obrazu obiektu w zwierciadłach (płaskich, wklęsłych i wypukłych) i pojawiają się w odbiciach zwierciadlanych w peryskopach, reflektorach, reflektorach samochodowych i wielu innych urządzeniach technicznych. Uwzględniane są prawa załamania światła uwzględniane przy konstruowaniu obrazów we wszelkiego rodzaju soczewkach, pryzmatach i ich kombinacjach (mikroskop, teleskop), a także w instrumentach optycznych (lornetki, przyrządy spektralne, kamery i urządzenia projekcyjne). Jeśli wiązka światła przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego (na przykład z powietrza; n powietrze = 1) do ośrodka optycznie gęstszego (na przykład do szkła o współczynniku załamania n st. = 1,5), to na ich granicy znajduje się będzie częściowe odbicie i częściowe załamanie światła.
Wynika z tego, że sinus kąta załamania g jest 1,5 razy mniejszy niż sinus kąta padania a. I jeśli Jeżeli wiązka światła zostanie wyrzucona z optycznie gęstszego szkła do optycznie rzadszego powietrza, wówczas kąt załamania będzie większy niż kąt padania, g > a. Dla omawianego odwrócenia wiązki prawo załamania wynosi: dlatego śpiewaj = 1,5 sina; g>a Sytuację tę ilustruje diagram A na rysunku. Jeśli kąt padania a wzrośnie do pewnej wartości granicznej apr, wówczas kąt załamania g >a osiągnie największą wartość g = 90 0 . Załamana wiązka przesuwa się wzdłuż granicy między dwoma ośrodkami. Przy kątach padania a>a nie występuje zjawisko załamania światła, a zamiast częściowego odbicia na granicy faz następuje kompletny odbicie światła w optycznie gęstszym ośrodku, lub całkowite wewnętrzne odbicie
. To zjawisko optyczne stanowi podstawę całego kierunku fizycznego i technicznego zwanego światłowód.
W medycynie światłowód znalazł zastosowanie w endoskopach - urządzeniach do badania jam wewnętrznych (na przykład żołądka). Do badanej wnęki wprowadza się światłowód, będący wiązką dużej liczby cienkich włókien szklanych umieszczonych we wspólnej osłonie ochronnej. Część włókien służy do organizowania oświetlenia jamy ze źródła światła znajdującego się na zewnątrz ciała pacjenta. Światłowód może być również używany do przesyłania promieniowania laserowego do jamy wewnętrznej w celach terapeutycznych. Całkowite wewnętrzne odbicie występuje także w niektórych strukturach siatkówki. 3. Układ optyczny oka. Wady wzroku, metody ich korygowania
.
Układ optyczny oka zapewnia zmniejszony rzeczywisty odwrócony (odwrócony) obraz na siatkówce. Jeżeli układ załamujący światło oka traktuje się jako jedną soczewkę, wówczas całkowitą moc optyczną tego układu oblicza się jako sumę algebraiczną następujących czterech wyrazów: a) Rogówka: D = +42,5 dioptrii b) Komora przednia: D od +2 do +4 dioptrii c) Soczewka: D const; od +19 do +33 dioptrii d) Ciało szkliste; D od –5 do –6 dioptrii. Ze względu na zmienną moc optyczną soczewki, całkowita moc optyczna oka waha się od 49 do 73 dioptrii. Zredukowane oko, podobnie jak pojedyncza soczewka, zwrócone jest jedną stroną w stronę powietrza (bezwzględny współczynnik załamania światła nair = 1), a drugą ma kontakt z cieczą, nf=1,336. Zatem ogniskowa lewa i prawa nie są takie same; jeśli ogniskowa przednia wynosi średnio F1 = 17 mm, to ogniskowa tylna wynosi F2 = 23 mm. Środek optyczny systemu znajduje się głęboko w oku, w odległości 7,5 mm od zewnętrznej powierzchni rogówki. Główny element refrakcyjny tego układu - rogówka - nie ma kulistego, ale bardziej złożonego kształtu powierzchni refrakcyjnych, co jest dobrym ciosem w aberrację sferyczną. Soczewka zmienia swoją moc optyczną, gdy mięśnie powiekowe kurczą się lub rozluźniają; Osiąga się w ten sposób akomodację oka – jego przystosowanie do skupiania obrazu na siatkówce zarówno podczas oglądania obiektów odległych, jak i bliskich. Niezbędne napięcie tych mięśni dostarcza informacji o odległości od danego obiektu, nawet jeśli patrzymy na niego jednym okiem. Całkowita ilość światła wpadającego do oka jest kontrolowana przez tęczówkę. Może mieć inny kolor, dlatego ludzie mogą mieć niebieskie oczy, brązowookie itp. Sterowanie odbywa się za pomocą pary mięśni. Istnieje mięsień zwężający źrenice (mięsień okrężny) i mięsień, który je rozszerza (mięsień promieniowy). Rozważmy następnie cechy strukturalne siatkówki. Jego zadaniem jest zamiana obrazu optycznego uzyskanego na jego powierzchni na strumienie elektrycznych impulsów nerwowych docierających do mózgu. Przekształcenia te dokonują dwa rodzaje komórek fotoreceptorowych, które ze względu na cechy swojego kształtu nazywane są czopkami i pręcikami. Fotoreceptory czopkowe umożliwiające widzenie w dzień. Zapewnia widzenie kolorów. Pręciki są receptorami widzenia o zmierzchu. Każde ludzkie oko zawiera około 125*106 pręcików i 5*106 czopków, co daje w sumie 130*106 fotoreceptorów. Czopki i pręciki są rozmieszczone bardzo nierównomiernie w siatkówce: tylko pręciki znajdują się na obwodzie, im bliżej obszaru plamki żółtej, tym więcej jest czopków; w plamce żółtej zlokalizowane są jedynie czopki, a ich gęstość (liczba na jednostkę powierzchni) jest bardzo duża, zatem tutaj komórki te są nawet „produkowane” w wersji małogabarytowej – są mniejsze niż w innych obszarach siatkówki. Obszar plamki siatkówki jest obszarem najlepszego widzenia. Tutaj skupiamy obraz obiektu, jeśli chcemy przyjrzeć się temu obiektowi szczególnie uważnie. Gęstość „upakowania” czopków w plamce żółtej decyduje o ostrości naszego widzenia. Gęstość ta jest średnio taka, że trzy stożki mieszczą się na segmencie o długości 5 mikronów. Aby oko mogło rozróżnić dwa punkty obiektu, konieczne jest, aby pomiędzy dwoma oświetlonymi stożkami znajdował się jeden nienaświetlony. Refrakcja
(załamanie) światła w oku jest normalne, jeśli obraz obiektu emitowany przez układ optyczny oka pada na zewnętrzne segmenty fotoreceptorów, a mięśnie kontrolujące krzywiznę soczewki są rozluźnione. To (normalne) załamanie nazywa się emmetropia.
Odchylenie od emmetropii – ametropia
- występuje w dwóch odmianach. Krótkowzroczność
(krótkowzroczność) - obraz skupia się nie na siatkówce, ale przed nią, czyli załamanie światła w oku następuje „zbyt dobrze”. Tę nadmiarowość można wyeliminować za pomocą rozbieżnych soczewek okularowych (ujemna moc optyczna). Hipermetropia
(dalekowzroczność) to rodzaj ametropii, w którym obraz powstaje za siatkówką. Aby przywrócić obraz na siatkówkę, należy „wspomagać” oko zbieżną soczewką okularową (moc optyczna jest dodatnia). Inaczej mówiąc, jeśli moc optyczna oka jest niewystarczająca, można ją zwiększyć o dodatkowy człon – moc optyczną soczewki zbierającej. Pojawienie się soczewek kontaktowych zamiast klasycznych okularów początkowo było postrzegane niemal jako rewolucja. Omawiając możliwości soczewek kontaktowych, należy wziąć pod uwagę, że względny współczynnik załamania światła na pierwszej (wzdłuż promieniowej) powierzchni soczewki kontaktowej jest w rzeczywistości równy bezwzględnemu współczynnikowi załamania światła materiału soczewki, a na druga powierzchnia jest równa stosunkowi bezwzględnych współczynników załamania rogówki i soczewki. Wprowadzając jakiś wynalazek, wcześniej czy później odkrywane są zarówno zalety, jak i wady. Klasyczne okulary i soczewki kontaktowe w ich obecnym kształcie można porównać w następujący sposób: Klasyczne okulary łatwo się zakłada i zdejmuje, ale nie są wygodne w noszeniu; Soczewki kontaktowe są wygodne w noszeniu, ale niełatwe w zakładaniu i zdejmowaniu. Laserowa korekcja wzroku to mikrochirurgia zewnętrznej powierzchni rogówki. Przypomnijmy, że rogówka jest głównym elementem układu optycznego oka załamującym światło. Korektę wzroku uzyskuje się poprzez zmianę krzywizny zewnętrznej powierzchni rogówki. Przykładowo, jeśli spłaszczymy powierzchnię (czyli zwiększymy promień krzywizny R), to zgodnie ze wzorem (4) moc optyczna D tej powierzchni będzie się zmniejszać. Poważne problemy ze wzrokiem pojawiają się, gdy siatkówka jest odłączona. W tych przypadkach zastosowanie znalazła metoda unieruchomienia siatkówki w miejscu wyznaczonym przez naturę za pomocą skupionej wiązki lasera. Ta metoda mocowania jest podobna do technologii zgrzewania punktowego metali. Skoncentrowana wiązka tworzy niewielką strefę podwyższonej temperatury, w której tkanki biologiczne ulegają „zgrzaniu” (dosłownie i w przenośni). Siatkówka jest jednym z dwóch głównych składników rodopsyny - jest to aldehyd witaminy A. Biorąc pod uwagę fakt, że zewnętrzne segmenty fotoreceptorów ulegają ciągłej odnowie, pełne zaopatrzenie organizmu w witaminę A leży w interesie utrzymania system wizualny w dobrym stanie. 4
. Mikroskop optyczny. Droga promieni w mikroskopie. Przydatne powiększenie mikroskopu.
Mikroskop
- urządzenie przeznaczone do uzyskiwania obrazów w powiększeniu, a także pomiaru obiektów lub szczegółów konstrukcyjnych niewidocznych lub trudnych do dostrzeżenia gołym okiem. Jest to kolekcja soczewek. Zestaw technologii wytwarzania i praktycznego zastosowania mikroskopów nazywa się mikroskopią. Mikroskop składa się z części mechanicznych i optycznych. Część mechaniczną reprezentuje statyw (składający się z podstawy i uchwytu na tubę) oraz zamontowana na nim tubus z rewolwerem do mocowania i wymiany obiektywów. W części mechanicznej znajdują się także: stolik do przygotowania, urządzenia do mocowania kondensatora i filtrów świetlnych, wbudowane w statyw mechanizmy służące do zgrubnego (makromechanizm, makrośruba) i drobnego (mikromechanizm, mikrośruba) ruchu scenę lub uchwyt na tubę. Część optyczną reprezentują soczewki, okulary oraz układ oświetleniowy, który z kolei składa się z kondensora Abbego umieszczonego pod stolikiem obiektowym oraz wbudowanego oświetlacza z żarówką niskonapięciową i transformatorem. Do rewolweru wkręca się soczewki, a po przeciwnej stronie tubusu instaluje się odpowiedni okular, przez który obserwuje się obraz. Część mechaniczną stanowi statyw składający się z podstawy i uchwytu na tubę. Podstawa służy jako podpora dla mikroskopu i utrzymuje całą konstrukcję statywu. W podstawie mikroskopu znajduje się także gniazdo lusterka lub wbudowany oświetlacz. stół obiektowy służący do umieszczania preparatów i ich poziomego przemieszczania; zestaw do montażu i pionowych filtrów świetlnych. Przydatne zwiększenie
- jest to pozorne powiększenie, przy którym oko obserwatora w pełni wykorzysta zdolność rozdzielczą mikroskopu, czyli zdolność rozdzielcza mikroskopu będzie równa zdolności rozdzielczej oka. tj. powiększenie, z jakim ujawniają się szczegóły danego obiektu, określa się za pomocą wzoru gdzie d1 jest maksymalną rozdzielczością oka ludzkiego, równą 0,3 mm; d – maksymalna rozdzielczość układu optycznego. Najpierw wyobraźmy sobie trochę. Wyobraź sobie gorący letni dzień przed naszą erą, prymitywny człowiek używa włóczni do polowania na ryby. Zauważa jego położenie, celuje i z jakiegoś powodu uderza w miejsce, którego wcale nie było widać. Pominięty? Nie, rybak ma zdobycz w rękach! Rzecz w tym, że nasz przodek intuicyjnie rozumiał temat, który będziemy teraz studiować. W życiu codziennym widzimy, że łyżka zanurzona w szklance wody wydaje się krzywa; kiedy patrzymy przez szklany słoik, przedmioty wydają się krzywe. Wszystkie te pytania rozważymy na lekcji, której temat brzmi: „Załamanie światła. Prawo załamania światła. Pełna wewnętrzna refleksja.” Na poprzednich lekcjach mówiliśmy o losie wiązki w dwóch przypadkach: co się stanie, jeśli wiązka światła rozchodzi się w przezroczystym, jednorodnym ośrodku? Prawidłowa odpowiedź brzmi: będzie się rozprzestrzeniać w linii prostej. Co się stanie, gdy wiązka światła padnie na powierzchnię styku dwóch mediów? Na ostatniej lekcji mówiliśmy o wiązce odbitej, dzisiaj przyjrzymy się tej części wiązki światła, która jest pochłaniana przez ośrodek. Jaki los spotka promień, który przedostał się z pierwszego ośrodka optycznie przezroczystego do drugiego ośrodka optycznie przezroczystego? Ryż. 1. Załamanie światła Jeżeli wiązka pada na granicę dwóch ośrodków przezroczystych, wówczas część energii świetlnej wraca do ośrodka pierwszego, tworząc wiązkę odbitą, a druga część przechodzi do wewnątrz, do ośrodka drugiego i z reguły zmienia swój kierunek. Nazywa się zmianę kierunku rozchodzenia się światła podczas jego przejścia przez granicę między dwoma ośrodkami załamanie światła(ryc. 1). Ryż. 2. Kąty padania, załamania i odbicia Na rysunku 2 widzimy wiązkę padającą; kąt padania jest oznaczony przez α. Promień, który wyznaczy kierunek załamanej wiązki światła, będzie nazywany promieniem załamanym. Kąt pomiędzy prostopadłą do granicy faz, rekonstruowaną z punktu padania, a promieniem załamanym, nazywany jest kątem załamania; na rysunku jest to kąt γ. Aby uzupełnić obraz, podamy również obraz odbitej wiązki i odpowiednio kąt odbicia β. Jaka jest zależność pomiędzy kątem padania i kątem załamania. Czy znając kąt padania i ośrodek, w który przeszła wiązka, można przewidzieć, jaki będzie kąt załamania? Okazuje się, że jest to możliwe! Otrzymujemy prawo, które ilościowo opisuje zależność między kątem padania a kątem załamania. Skorzystajmy z prawa Huygensa, które reguluje rozchodzenie się fal w ośrodku. Ustawa składa się z dwóch części. Promień padający, promień załamany i prostopadła przywrócona do punktu padania leżą w tej samej płaszczyźnie. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla dwóch danych ośrodków i jest równy stosunkowi prędkości światła w tych ośrodkach. Prawo to nazwano prawem Snella na cześć holenderskiego naukowca, który je sformułował jako pierwszy. Przyczyną załamania jest różnica prędkości światła w różnych ośrodkach. Możesz sprawdzić ważność prawa załamania światła, kierując eksperymentalnie wiązkę światła pod różnymi kątami na granicę między dwoma ośrodkami i mierząc kąty padania i załamania. Jeśli zmienimy te kąty, zmierzymy sinusy i znajdziemy stosunek sinusów tych kątów, przekonamy się, że prawo załamania rzeczywiście obowiązuje. Dowód prawa załamania z wykorzystaniem zasady Huygensa jest kolejnym potwierdzeniem falowej natury światła. Względny współczynnik załamania światła n 21 pokazuje, ile razy prędkość światła V 1 w pierwszym ośrodku różni się od prędkości światła V 2 w drugim ośrodku. Względny współczynnik załamania światła wyraźnie pokazuje, że przyczyną zmiany kierunku światła podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego jest różna prędkość światła w obu ośrodkach. Do scharakteryzowania właściwości optycznych ośrodka często używa się pojęcia „gęstość optyczna ośrodka” (rys. 3). Ryż. 3. Gęstość optyczna ośrodka (α > γ) Jeśli promień przejdzie z ośrodka o większej prędkości światła do ośrodka o mniejszej prędkości światła, to jak wynika z rysunku 3 i prawa załamania światła, zostanie dociśnięty do prostopadłej, czyli , kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania. W tym przypadku mówi się, że wiązka przeszła z ośrodka optycznego o mniejszej gęstości do ośrodka o większej gęstości optycznej. Przykład: z powietrza do wody; od wody do szkła. Możliwa jest także sytuacja odwrotna: prędkość światła w ośrodku pierwszym jest mniejsza niż prędkość światła w ośrodku drugim (rys. 4). Ryż. 4. Gęstość optyczna ośrodka (α< γ)
Wtedy kąt załamania będzie większy od kąta padania i będzie można powiedzieć, że takie przejście następuje z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka mniej optycznie gęstego (ze szkła do wody). Gęstość optyczna dwóch ośrodków może znacznie się od siebie różnić, dlatego możliwa staje się sytuacja pokazana na fotografii (rys. 5): Ryż. 5. Różnice w gęstości optycznej ośrodków Zwróć uwagę, jak głowa przemieszcza się względem ciała w cieczy, w środowisku o większej gęstości optycznej. Jednak względny współczynnik załamania światła nie zawsze jest wygodną cechą do pracy, ponieważ zależy od prędkości światła w pierwszym i drugim ośrodku, ale takich kombinacji i kombinacji dwóch ośrodków (woda - powietrze, szkło – diament, gliceryna – alkohol, szkło – woda i tak dalej). Tablice byłyby bardzo uciążliwe, niewygodne w pracy, a potem wprowadzono jedno medium absolutne, z którym porównywana jest prędkość światła w innych ośrodkach. Jako wartość bezwzględną wybrano próżnię i prędkość światła porównano z prędkością światła w próżni. Bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka n- jest to wielkość charakteryzująca gęstość optyczną ośrodka i równa stosunkowi prędkości światła Z w próżni do prędkości światła w danym środowisku. Bezwzględny współczynnik załamania światła jest wygodniejszy w pracy, ponieważ zawsze znamy prędkość światła w próżni; jest ona równa 3,10 8 m/s i jest uniwersalną stałą fizyczną. Bezwzględny współczynnik załamania światła zależy od parametrów zewnętrznych: temperatury, gęstości, a także od długości fali światła, dlatego w tabelach zwykle podaje się średni współczynnik załamania światła dla danego zakresu długości fal. Jeśli porównamy współczynniki załamania powietrza, wody i szkła (ryc. 6), zobaczymy, że powietrze ma współczynnik załamania światła bliski jedności, więc przy rozwiązywaniu problemów będziemy go przyjmować jako jedność. Ryż. 6. Tabela bezwzględnych współczynników załamania światła dla różnych ośrodków Uzyskanie związku pomiędzy bezwzględnym i względnym współczynnikiem załamania światła ośrodków nie jest trudne. Względny współczynnik załamania, to znaczy dla promienia przechodzącego z ośrodka pierwszego do ośrodka drugiego, jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania światła w drugim ośrodku do bezwzględnego współczynnika załamania światła w pierwszym ośrodku. Na przykład: Jeśli bezwzględne współczynniki załamania światła dwóch ośrodków są prawie takie same, oznacza to, że względny współczynnik załamania światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego będzie równy jedności, to znaczy promień światła w rzeczywistości nie zostanie załamany. Na przykład, przechodząc z olejku anyżowego na kamień berylowy, światło praktycznie nie będzie się załamywać, to znaczy będzie zachowywać się tak samo, jak przy przejściu przez olejek anyżowy, ponieważ ich współczynnik załamania światła wynosi odpowiednio 1,56 i 1,57, więc kamień może być jakby ukryty w płynie, po prostu nie będzie widoczny. Jeśli do przezroczystej szklanki nalejemy wodę i spojrzymy przez ściankę szklanki w stronę światła, zobaczymy na jej powierzchni srebrzysty połysk, wynikający ze zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia, o czym teraz będzie mowa. Kiedy wiązka światła przechodzi z gęstszego ośrodka optycznego do mniej gęstego ośrodka optycznego, można zaobserwować ciekawy efekt. Dla pewności założymy, że światło przechodzi z wody do powietrza. Załóżmy, że w głębi zbiornika znajduje się punktowe źródło światła S, emitujące promienie we wszystkich kierunkach. Na przykład nurek świeci latarką. Wiązka SO 1 pada na powierzchnię wody pod najmniejszym kątem, wiązka ta ulega częściowemu załamaniu – wiązka O 1 A 1 i częściowo odbija się z powrotem do wody – wiązka O 1 B 1. W ten sposób część energii padającej wiązki jest przenoszona na wiązkę załamaną, a pozostała energia jest przekazywana na wiązkę odbitą. Ryż. 7. Całkowite odbicie wewnętrzne Wiązkę SO 2, której kąt padania jest większy, również dzielimy na dwie wiązki: załamaną i odbitą, ale energia pierwotnej wiązki rozkłada się między nimi inaczej: załamana wiązka O 2 A 2 będzie ciemniejsza niż O 1 Wiązka A 1, to znaczy otrzyma mniejszą część energii, a odbita wiązka O 2 B 2 będzie odpowiednio jaśniejsza niż wiązka O 1 B 1, to znaczy otrzyma większą część energii. Wraz ze wzrostem kąta padania obserwuje się ten sam wzór – coraz większa część energii wiązki padającej trafia do wiązki odbitej, a coraz mniejsza do wiązki załamanej. Załamana wiązka staje się coraz ciemniejsza, aż w pewnym momencie zanika całkowicie; ten zanik następuje, gdy osiągnie kąt padania, który odpowiada kątowi załamania 90 0. W tej sytuacji załamana wiązka OA powinna była przejść równolegle do powierzchni wody, ale nie było już nic do przejścia - cała energia padającej wiązki SO poszła w całości do odbitej wiązki OB. Naturalnie, wraz z dalszym wzrostem kąta padania, załamana wiązka będzie nieobecna. Opisane zjawisko to całkowite wewnętrzne odbicie, czyli gęstszy ośrodek optyczny pod rozpatrywanymi kątami nie emituje promieni od siebie, lecz wszystkie zostają w nim odbite. Kąt, pod którym zachodzi to zjawisko, nazywa się ograniczający kąt całkowitego wewnętrznego odbicia. Wartość kąta granicznego można łatwo znaleźć z prawa załamania: = => = arcsin, dla wody ≈ 49 0 Najciekawszym i najbardziej popularnym zastosowaniem zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia są tzw. falowody, czyli światłowody. Właśnie z takiego sposobu przesyłania sygnałów korzystają współczesne firmy telekomunikacyjne w Internecie. Uzyskaliśmy prawo załamania światła, wprowadziliśmy nowe pojęcie - względne i bezwzględne współczynniki załamania światła, a także zrozumieliśmy zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia i jego zastosowania, takie jak światłowód. Swoją wiedzę możesz utrwalić analizując odpowiednie testy i symulatory w dziale lekcji. Uzyskajmy dowód prawa załamania światła korzystając z zasady Huygensa. Ważne jest, aby zrozumieć, że przyczyną załamania jest różnica prędkości światła w dwóch różnych ośrodkach. Oznaczmy prędkość światła w pierwszym ośrodku jako V 1, a w drugim ośrodku jako V 2 (rys. 8). Ryż. 8. Dowód prawa załamania światła Niech płaska fala świetlna spadnie na płaską powierzchnię styku dwóch ośrodków, na przykład z powietrza do wody. Powierzchnia fali AS jest prostopadła do promieni i promień jako pierwszy dociera do granicy ośrodków MN, a promień dociera do tej samej powierzchni po upływie czasu ∆t, który będzie równy drodze SW podzielonej przez prędkość światła w pierwszym ośrodku. Zatem w chwili, gdy fala wtórna w punkcie B dopiero zaczyna się wzbudzać, fala z punktu A ma już postać półkuli o promieniu AD równym prędkości światła w drugim ośrodku przy ∆ t: AD = ·∆t, czyli zasada Huygensa w działaniu wizualnym. Powierzchnię fali załamanej można otrzymać rysując powierzchnię styczną do wszystkich fal wtórnych w drugim ośrodku, których środki leżą na styku ośrodków, w tym przypadku jest to płaszczyzna BD, jest to obwiednia fale wtórne. Kąt padania α belki jest równy kątowi CAB w trójkącie ABC, boki jednego z tych kątów są prostopadłe do boków drugiego. W konsekwencji SV będzie równa prędkości światła w pierwszym ośrodku o ∆t CB = ∆t = AB sin α Z kolei kąt załamania będzie równy kątowi ABD w trójkącie ABD, zatem: АD = ∆t = АВ sin γ Dzieląc wyrażenia termin po wyrazie, otrzymujemy: n jest wartością stałą niezależną od kąta padania. Otrzymaliśmy prawo załamania światła, sinus kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla danych dwóch ośrodków i jest równy stosunkowi prędkości światła w dwóch danych ośrodkach . Naczynie sześcienne o nieprzezroczystych ściankach ustawia się tak, aby oko obserwatora nie widziało jego dna, lecz widziało całkowicie ścianę naczynia CD. Ile wody należy wlać do naczynia, aby obserwator mógł zobaczyć obiekt F znajdujący się w odległości b = 10 cm od kąta D? Krawędź naczynia α = 40 cm (ryc. 9). Co jest bardzo ważne przy rozwiązywaniu tego problemu? Domyślam się, że skoro oko nie widzi dna naczynia, ale widzi skrajny punkt bocznej ściany, a naczynie jest sześcianem, to kąt padania promienia na powierzchnię wody podczas jej nalewania będzie wynosił równe 45 0. Ryż. 9. Zadanie Jednolitego Egzaminu Państwowego Wiązka pada w punkcie F, oznacza to, że widzimy obiekt wyraźnie, a czarna przerywana linia pokazuje przebieg wiązki w przypadku braku wody, czyli do punktu D. Z trójkąta NFK tangens kąta β, tangens kąta załamania, to stosunek przeciwnej strony do sąsiedniej lub, zgodnie z rysunkiem, h minus b podzielone przez h. tg β = = , h to wysokość cieczy, którą nalaliśmy; Najbardziej intensywne zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia występuje w układach światłowodowych. Ryż. 10. Światłowód Jeśli wiązka światła zostanie skierowana na koniec solidnej szklanej rurki, to po wielokrotnym całkowitym odbiciu wewnętrznym wiązka wyjdzie z przeciwnej strony rurki. Okazuje się, że szklana rurka jest przewodnikiem fali świetlnej lub falowodem. Stanie się tak niezależnie od tego, czy rura jest prosta, czy zakrzywiona (Rysunek 10). Pierwsze światłowody, bo tak brzmi druga nazwa falowodów, służyły do oświetlania miejsc trudno dostępnych (w czasie badań medycznych, gdy światło dostarczane jest na jeden koniec światłowodu, a drugi koniec oświetla wybrane miejsce). Głównym zastosowaniem jest medycyna, wykrywanie usterek silników, jednak tego typu falowody są najczęściej stosowane w systemach transmisji informacji. Częstotliwość nośna przy przesyłaniu sygnału falą świetlną jest milion razy większa niż częstotliwość sygnału radiowego, co oznacza, że ilość informacji, którą możemy przesłać za pomocą fali świetlnej, jest miliony razy większa niż ilość przesłanej informacji za pomocą fal radiowych. To świetna okazja, aby w prosty i niedrogi sposób przekazać ogrom informacji. Zazwyczaj informacje są przesyłane kablem światłowodowym przy użyciu promieniowania laserowego. Światłowody są niezbędne do szybkiej i wysokiej jakości transmisji sygnału komputerowego zawierającego dużą ilość przesyłanych informacji. Podstawą tego wszystkiego jest tak proste i zwyczajne zjawisko, jak załamanie światła. Bibliografia Praca domowa Przy pewnym kącie padania światła $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, co nazywa się kąt graniczny, kąt załamania jest równy $\frac(\pi )(2),\ $w tym przypadku promień załamany ślizga się wzdłuż granicy ośrodków, zatem nie ma promienia załamanego. Zatem z prawa załamania możemy napisać, że: Obrazek 1. W przypadku całkowitego odbicia równanie ma postać: nie ma rozwiązania w obszarze rzeczywistych wartości kąta załamania ($(\alpha )_(pr)$). W tym przypadku $cos((\alpha )_(pr))$ jest wielkością czysto urojoną. Jeśli przejdziemy do wzorów Fresnela, wygodnie jest przedstawić je w postaci: gdzie kąt padania jest oznaczony $\alpha $ (dla zwięzłości), $n$ jest współczynnikiem załamania światła ośrodka, w którym rozchodzi się światło. Ze wzorów Fresnela jasno wynika, że moduły $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right |=\ left|E_(otr//)\right|$, co oznacza, że odbicie jest „pełne”. Notatka 1 Należy zauważyć, że w drugim ośrodku fala niejednorodna nie zanika. Zatem jeśli $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Naruszenie prawa zachowania energii w danym przypadku nr. Ponieważ wzory Fresnela obowiązują dla pola monochromatycznego, to znaczy dla procesu w stanie ustalonym. W tym przypadku prawo zachowania energii wymaga, aby średnia zmiana energii w okresie w drugim ośrodku była równa zeru. Fala wraz z odpowiadającą jej częścią energii przenika przez granicę faz do drugiego ośrodka na małą głębokość rzędu długości fali i przemieszcza się w nim równolegle do granicy faz z prędkością fazową mniejszą od prędkości fazowej fali w ośrodku drugi środek. Wraca do pierwszego medium w punkcie przesuniętym względem punktu wejścia. Przenikanie fali do drugiego ośrodka można zaobserwować eksperymentalnie. Natężenie fali świetlnej w drugim ośrodku jest zauważalne tylko w odległościach krótszych niż długość fali. W pobliżu granicy faz, na którą fala świetlna opada i ulega całkowitemu odbiciu, po stronie drugiego ośrodka widać poświatę cienkiej warstwy, jeśli w drugim ośrodku znajduje się substancja fluorescencyjna. Całkowite odbicie powoduje powstawanie miraży, gdy powierzchnia ziemi jest gorąca. Tym samym całkowite odbicie światła pochodzącego od chmur sprawia wrażenie, jakby na powierzchni nagrzanego asfaltu tworzyły się kałuże. W zwykłej refleksji relacje $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ i $\frac(E_(otr///))(E_(pad//))$ są zawsze rzeczywiste . Przy pełnym odbiciu są one złożone. Oznacza to, że w tym przypadku faza fali ulega skokowi, choć jest różna od zera lub $\pi $. Jeżeli fala jest spolaryzowana prostopadle do płaszczyzny padania, to możemy napisać: gdzie $(\delta )_(\bot )$ to pożądany skok fazowy. Przyrównajmy części rzeczywiste i urojone i otrzymamy: Z wyrażeń (5) otrzymujemy: Odpowiednio, dla fali spolaryzowanej w płaszczyźnie padania można otrzymać: Skoki fazowe $(\delta )_(//)$ i $(\delta )_(\bot )$ nie są takie same. Fala odbita będzie spolaryzowana eliptycznie. Załóżmy, że dwa identyczne ośrodki są oddzielone cienką szczeliną powietrzną. Fala świetlna pada na nią pod kątem większym niż kąt ograniczający. Może się zdarzyć, że przedostanie się przez szczelinę powietrzną w postaci niejednorodnej fali. Jeśli grubość szczeliny jest niewielka, wówczas fala ta dotrze do drugiej granicy substancji i nie będzie bardzo osłabiona. Po przejściu ze szczeliny powietrznej do substancji fala ponownie zmieni się w jednorodną. Taki eksperyment przeprowadził Newton. Naukowiec docisnął kolejny pryzmat, oszlifowany sferycznie, do przeciwprostokątnej prostopadłościanu. W tym przypadku światło przechodziło do drugiego pryzmatu nie tylko w miejscu ich zetknięcia, ale także w niewielkim pierścieniu wokół styku, w miejscu, gdzie grubość szczeliny jest porównywalna z długością fali. Jeśli obserwacje prowadzono w świetle białym, wówczas krawędź pierścienia miała czerwonawy kolor. Jest tak jak powinno, gdyż głębokość penetracji jest proporcjonalna do długości fali (dla promieni czerwonych jest większa niż dla promieni niebieskich). Zmieniając grubość szczeliny, można zmienić intensywność przepuszczanego światła. Zjawisko to stało się podstawą lekkiego telefonu, który został opatentowany przez firmę Zeiss. W tym urządzeniu jednym z ośrodków jest przezroczysta membrana, która wibruje pod wpływem padającego na nią dźwięku. Światło przechodzące przez szczelinę powietrzną zmienia intensywność w czasie wraz ze zmianami natężenia dźwięku. Uderzając w fotokomórkę, generuje prąd przemienny, który zmienia się wraz ze zmianami natężenia dźwięku. Powstały prąd jest wzmacniany i dalej wykorzystywany. Zjawiska przenikania fal przez cienkie szczeliny nie są specyficzne dla optyki. Jest to możliwe w przypadku fali dowolnego rodzaju, jeśli prędkość fazowa w szczelinie jest większa niż prędkość fazowa w otoczeniu. Zjawisko to ma ogromne znaczenie w fizyce jądrowej i atomowej. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia wykorzystuje się do zmiany kierunku propagacji światła. Do tego celu służą pryzmaty. Przykład 1 Ćwiczenia: Podaj przykład często występującego zjawiska całkowitego odbicia. Rozwiązanie: Możemy podać następujący przykład. Jeśli na autostradzie jest bardzo gorąco, temperatura powietrza jest maksymalna w pobliżu nawierzchni asfaltowej i maleje wraz ze wzrostem odległości od jezdni. Oznacza to, że współczynnik załamania światła powietrza jest minimalny na powierzchni i rośnie wraz ze wzrostem odległości. W rezultacie promienie, które mają mały kąt w stosunku do powierzchni autostrady, są całkowicie odbijane. Jeśli podczas jazdy samochodem skupisz swoją uwagę na odpowiednim fragmencie nawierzchni autostrady, zobaczysz, że dość daleko przed tobą jedzie do góry nogami samochód. Przykład 2 Ćwiczenia: Jaki jest kąt Brewstera dla wiązki światła padającej na powierzchnię kryształu, jeśli graniczny kąt całkowitego odbicia dla danej wiązki na granicy faz powietrze-kryształ wynosi 400? Rozwiązanie: \[(tg(\alfa )_b)=\frac(n)(n_v)=n\lewo(2.2\prawo).\] Z wyrażenia (2.1) mamy: Podstawiamy prawą stronę wyrażenia (2.3) do wzoru (2.2) i wyrażamy żądany kąt: \[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\] Zróbmy obliczenia: \[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\około 57()^\circ .\] Odpowiedź:$(\alfa)_b=57()^\circ .$ Najpierw wyobraźmy sobie trochę. Wyobraź sobie gorący letni dzień przed naszą erą, prymitywny człowiek używa włóczni do polowania na ryby. Zauważa jego położenie, celuje i z jakiegoś powodu uderza w miejsce, którego wcale nie było widać. Pominięty? Nie, rybak ma zdobycz w rękach! Rzecz w tym, że nasz przodek intuicyjnie rozumiał temat, który będziemy teraz studiować. W życiu codziennym widzimy, że łyżka zanurzona w szklance wody wydaje się krzywa; kiedy patrzymy przez szklany słoik, przedmioty wydają się krzywe. Wszystkie te pytania rozważymy na lekcji, której temat brzmi: „Załamanie światła. Prawo załamania światła. Pełna wewnętrzna refleksja.” Na poprzednich lekcjach mówiliśmy o losie wiązki w dwóch przypadkach: co się stanie, jeśli wiązka światła rozchodzi się w przezroczystym, jednorodnym ośrodku? Prawidłowa odpowiedź brzmi: będzie się rozprzestrzeniać w linii prostej. Co się stanie, gdy wiązka światła padnie na powierzchnię styku dwóch mediów? Na ostatniej lekcji mówiliśmy o wiązce odbitej, dzisiaj przyjrzymy się tej części wiązki światła, która jest pochłaniana przez ośrodek. Jaki los spotka promień, który przedostał się z pierwszego ośrodka optycznie przezroczystego do drugiego ośrodka optycznie przezroczystego? Ryż. 1. Załamanie światła Jeżeli wiązka pada na granicę dwóch ośrodków przezroczystych, wówczas część energii świetlnej wraca do ośrodka pierwszego, tworząc wiązkę odbitą, a druga część przechodzi do wewnątrz, do ośrodka drugiego i z reguły zmienia swój kierunek. Nazywa się zmianę kierunku rozchodzenia się światła podczas jego przejścia przez granicę między dwoma ośrodkami załamanie światła(ryc. 1). Ryż. 2. Kąty padania, załamania i odbicia Na rysunku 2 widzimy wiązkę padającą; kąt padania jest oznaczony przez α. Promień, który wyznaczy kierunek załamanej wiązki światła, będzie nazywany promieniem załamanym. Kąt pomiędzy prostopadłą do granicy faz, rekonstruowaną z punktu padania, a promieniem załamanym, nazywany jest kątem załamania; na rysunku jest to kąt γ. Aby uzupełnić obraz, podamy również obraz odbitej wiązki i odpowiednio kąt odbicia β. Jaka jest zależność pomiędzy kątem padania i kątem załamania. Czy znając kąt padania i ośrodek, w który przeszła wiązka, można przewidzieć, jaki będzie kąt załamania? Okazuje się, że jest to możliwe! Otrzymujemy prawo, które ilościowo opisuje zależność między kątem padania a kątem załamania. Skorzystajmy z prawa Huygensa, które reguluje rozchodzenie się fal w ośrodku. Ustawa składa się z dwóch części. Promień padający, promień załamany i prostopadła przywrócona do punktu padania leżą w tej samej płaszczyźnie. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla dwóch danych ośrodków i jest równy stosunkowi prędkości światła w tych ośrodkach. Prawo to nazwano prawem Snella na cześć holenderskiego naukowca, który je sformułował jako pierwszy. Przyczyną załamania jest różnica prędkości światła w różnych ośrodkach. Możesz sprawdzić ważność prawa załamania światła, kierując eksperymentalnie wiązkę światła pod różnymi kątami na granicę między dwoma ośrodkami i mierząc kąty padania i załamania. Jeśli zmienimy te kąty, zmierzymy sinusy i znajdziemy stosunek sinusów tych kątów, przekonamy się, że prawo załamania rzeczywiście obowiązuje. Dowód prawa załamania z wykorzystaniem zasady Huygensa jest kolejnym potwierdzeniem falowej natury światła. Względny współczynnik załamania światła n 21 pokazuje, ile razy prędkość światła V 1 w pierwszym ośrodku różni się od prędkości światła V 2 w drugim ośrodku. Względny współczynnik załamania światła wyraźnie pokazuje, że przyczyną zmiany kierunku światła podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego jest różna prędkość światła w obu ośrodkach. Do scharakteryzowania właściwości optycznych ośrodka często używa się pojęcia „gęstość optyczna ośrodka” (rys. 3). Ryż. 3. Gęstość optyczna ośrodka (α > γ) Jeśli promień przejdzie z ośrodka o większej prędkości światła do ośrodka o mniejszej prędkości światła, to jak wynika z rysunku 3 i prawa załamania światła, zostanie dociśnięty do prostopadłej, czyli , kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania. W tym przypadku mówi się, że wiązka przeszła z ośrodka optycznego o mniejszej gęstości do ośrodka o większej gęstości optycznej. Przykład: z powietrza do wody; od wody do szkła. Możliwa jest także sytuacja odwrotna: prędkość światła w ośrodku pierwszym jest mniejsza niż prędkość światła w ośrodku drugim (rys. 4). Ryż. 4. Gęstość optyczna ośrodka (α< γ)
Wtedy kąt załamania będzie większy od kąta padania i będzie można powiedzieć, że takie przejście następuje z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka mniej optycznie gęstego (ze szkła do wody). Gęstość optyczna dwóch ośrodków może znacznie się od siebie różnić, dlatego możliwa staje się sytuacja pokazana na fotografii (rys. 5): Ryż. 5. Różnice w gęstości optycznej ośrodków Zwróć uwagę, jak głowa przemieszcza się względem ciała w cieczy, w środowisku o większej gęstości optycznej. Jednak względny współczynnik załamania światła nie zawsze jest wygodną cechą do pracy, ponieważ zależy od prędkości światła w pierwszym i drugim ośrodku, ale takich kombinacji i kombinacji dwóch ośrodków (woda - powietrze, szkło – diament, gliceryna – alkohol, szkło – woda i tak dalej). Tablice byłyby bardzo uciążliwe, niewygodne w pracy, a potem wprowadzono jedno medium absolutne, z którym porównywana jest prędkość światła w innych ośrodkach. Jako wartość bezwzględną wybrano próżnię i prędkość światła porównano z prędkością światła w próżni. Bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka n- jest to wielkość charakteryzująca gęstość optyczną ośrodka i równa stosunkowi prędkości światła Z w próżni do prędkości światła w danym środowisku. Bezwzględny współczynnik załamania światła jest wygodniejszy w pracy, ponieważ zawsze znamy prędkość światła w próżni; jest ona równa 3,10 8 m/s i jest uniwersalną stałą fizyczną. Bezwzględny współczynnik załamania światła zależy od parametrów zewnętrznych: temperatury, gęstości, a także od długości fali światła, dlatego w tabelach zwykle podaje się średni współczynnik załamania światła dla danego zakresu długości fal. Jeśli porównamy współczynniki załamania powietrza, wody i szkła (ryc. 6), zobaczymy, że powietrze ma współczynnik załamania światła bliski jedności, więc przy rozwiązywaniu problemów będziemy go przyjmować jako jedność. Ryż. 6. Tabela bezwzględnych współczynników załamania światła dla różnych ośrodków Uzyskanie związku pomiędzy bezwzględnym i względnym współczynnikiem załamania światła ośrodków nie jest trudne. Względny współczynnik załamania, to znaczy dla promienia przechodzącego z ośrodka pierwszego do ośrodka drugiego, jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania światła w drugim ośrodku do bezwzględnego współczynnika załamania światła w pierwszym ośrodku. Na przykład: Jeśli bezwzględne współczynniki załamania światła dwóch ośrodków są prawie takie same, oznacza to, że względny współczynnik załamania światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego będzie równy jedności, to znaczy promień światła w rzeczywistości nie zostanie załamany. Na przykład, przechodząc z olejku anyżowego na kamień berylowy, światło praktycznie nie będzie się załamywać, to znaczy będzie zachowywać się tak samo, jak przy przejściu przez olejek anyżowy, ponieważ ich współczynnik załamania światła wynosi odpowiednio 1,56 i 1,57, więc kamień może być jakby ukryty w płynie, po prostu nie będzie widoczny. Jeśli do przezroczystej szklanki nalejemy wodę i spojrzymy przez ściankę szklanki w stronę światła, zobaczymy na jej powierzchni srebrzysty połysk, wynikający ze zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia, o czym teraz będzie mowa. Kiedy wiązka światła przechodzi z gęstszego ośrodka optycznego do mniej gęstego ośrodka optycznego, można zaobserwować ciekawy efekt. Dla pewności założymy, że światło przechodzi z wody do powietrza. Załóżmy, że w głębi zbiornika znajduje się punktowe źródło światła S, emitujące promienie we wszystkich kierunkach. Na przykład nurek świeci latarką. Wiązka SO 1 pada na powierzchnię wody pod najmniejszym kątem, wiązka ta ulega częściowemu załamaniu – wiązka O 1 A 1 i częściowo odbija się z powrotem do wody – wiązka O 1 B 1. W ten sposób część energii padającej wiązki jest przenoszona na wiązkę załamaną, a pozostała energia jest przekazywana na wiązkę odbitą. Ryż. 7. Całkowite odbicie wewnętrzne Wiązkę SO 2, której kąt padania jest większy, również dzielimy na dwie wiązki: załamaną i odbitą, ale energia pierwotnej wiązki rozkłada się między nimi inaczej: załamana wiązka O 2 A 2 będzie ciemniejsza niż O 1 Wiązka A 1, to znaczy otrzyma mniejszą część energii, a odbita wiązka O 2 B 2 będzie odpowiednio jaśniejsza niż wiązka O 1 B 1, to znaczy otrzyma większą część energii. Wraz ze wzrostem kąta padania obserwuje się ten sam wzór – coraz większa część energii wiązki padającej trafia do wiązki odbitej, a coraz mniejsza do wiązki załamanej. Załamana wiązka staje się coraz ciemniejsza, aż w pewnym momencie zanika całkowicie; ten zanik następuje, gdy osiągnie kąt padania, który odpowiada kątowi załamania 90 0. W tej sytuacji załamana wiązka OA powinna była przejść równolegle do powierzchni wody, ale nie było już nic do przejścia - cała energia padającej wiązki SO poszła w całości do odbitej wiązki OB. Naturalnie, wraz z dalszym wzrostem kąta padania, załamana wiązka będzie nieobecna. Opisane zjawisko to całkowite wewnętrzne odbicie, czyli gęstszy ośrodek optyczny pod rozpatrywanymi kątami nie emituje promieni od siebie, lecz wszystkie zostają w nim odbite. Kąt, pod którym zachodzi to zjawisko, nazywa się ograniczający kąt całkowitego wewnętrznego odbicia. Wartość kąta granicznego można łatwo znaleźć z prawa załamania: = => = arcsin, dla wody ≈ 49 0 Najciekawszym i najbardziej popularnym zastosowaniem zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia są tzw. falowody, czyli światłowody. Właśnie z takiego sposobu przesyłania sygnałów korzystają współczesne firmy telekomunikacyjne w Internecie. Uzyskaliśmy prawo załamania światła, wprowadziliśmy nowe pojęcie - względne i bezwzględne współczynniki załamania światła, a także zrozumieliśmy zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia i jego zastosowania, takie jak światłowód. Swoją wiedzę możesz utrwalić analizując odpowiednie testy i symulatory w dziale lekcji. Uzyskajmy dowód prawa załamania światła korzystając z zasady Huygensa. Ważne jest, aby zrozumieć, że przyczyną załamania jest różnica prędkości światła w dwóch różnych ośrodkach. Oznaczmy prędkość światła w pierwszym ośrodku jako V 1, a w drugim ośrodku jako V 2 (rys. 8). Ryż. 8. Dowód prawa załamania światła Niech płaska fala świetlna spadnie na płaską powierzchnię styku dwóch ośrodków, na przykład z powietrza do wody. Powierzchnia fali AS jest prostopadła do promieni i promień jako pierwszy dociera do granicy ośrodków MN, a promień dociera do tej samej powierzchni po upływie czasu ∆t, który będzie równy drodze SW podzielonej przez prędkość światła w pierwszym ośrodku. Zatem w chwili, gdy fala wtórna w punkcie B dopiero zaczyna się wzbudzać, fala z punktu A ma już postać półkuli o promieniu AD równym prędkości światła w drugim ośrodku przy ∆ t: AD = ·∆t, czyli zasada Huygensa w działaniu wizualnym. Powierzchnię fali załamanej można otrzymać rysując powierzchnię styczną do wszystkich fal wtórnych w drugim ośrodku, których środki leżą na styku ośrodków, w tym przypadku jest to płaszczyzna BD, jest to obwiednia fale wtórne. Kąt padania α belki jest równy kątowi CAB w trójkącie ABC, boki jednego z tych kątów są prostopadłe do boków drugiego. W konsekwencji SV będzie równa prędkości światła w pierwszym ośrodku o ∆t CB = ∆t = AB sin α Z kolei kąt załamania będzie równy kątowi ABD w trójkącie ABD, zatem: АD = ∆t = АВ sin γ Dzieląc wyrażenia termin po wyrazie, otrzymujemy: n jest wartością stałą niezależną od kąta padania. Otrzymaliśmy prawo załamania światła, sinus kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla danych dwóch ośrodków i jest równy stosunkowi prędkości światła w dwóch danych ośrodkach . Naczynie sześcienne o nieprzezroczystych ściankach ustawia się tak, aby oko obserwatora nie widziało jego dna, lecz widziało całkowicie ścianę naczynia CD. Ile wody należy wlać do naczynia, aby obserwator mógł zobaczyć obiekt F znajdujący się w odległości b = 10 cm od kąta D? Krawędź naczynia α = 40 cm (ryc. 9). Co jest bardzo ważne przy rozwiązywaniu tego problemu? Domyślam się, że skoro oko nie widzi dna naczynia, ale widzi skrajny punkt bocznej ściany, a naczynie jest sześcianem, to kąt padania promienia na powierzchnię wody podczas jej nalewania będzie wynosił równe 45 0. Ryż. 9. Zadanie Jednolitego Egzaminu Państwowego Wiązka pada w punkcie F, oznacza to, że widzimy obiekt wyraźnie, a czarna przerywana linia pokazuje przebieg wiązki w przypadku braku wody, czyli do punktu D. Z trójkąta NFK tangens kąta β, tangens kąta załamania, to stosunek przeciwnej strony do sąsiedniej lub, zgodnie z rysunkiem, h minus b podzielone przez h. tg β = = , h to wysokość cieczy, którą nalaliśmy; Najbardziej intensywne zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia występuje w układach światłowodowych. Ryż. 10. Światłowód Jeśli wiązka światła zostanie skierowana na koniec solidnej szklanej rurki, to po wielokrotnym całkowitym odbiciu wewnętrznym wiązka wyjdzie z przeciwnej strony rurki. Okazuje się, że szklana rurka jest przewodnikiem fali świetlnej lub falowodem. Stanie się tak niezależnie od tego, czy rura jest prosta, czy zakrzywiona (Rysunek 10). Pierwsze światłowody, bo tak brzmi druga nazwa falowodów, służyły do oświetlania miejsc trudno dostępnych (w czasie badań medycznych, gdy światło dostarczane jest na jeden koniec światłowodu, a drugi koniec oświetla wybrane miejsce). Głównym zastosowaniem jest medycyna, wykrywanie usterek silników, jednak tego typu falowody są najczęściej stosowane w systemach transmisji informacji. Częstotliwość nośna przy przesyłaniu sygnału falą świetlną jest milion razy większa niż częstotliwość sygnału radiowego, co oznacza, że ilość informacji, którą możemy przesłać za pomocą fali świetlnej, jest miliony razy większa niż ilość przesłanej informacji za pomocą fal radiowych. To świetna okazja, aby w prosty i niedrogi sposób przekazać ogrom informacji. Zazwyczaj informacje są przesyłane kablem światłowodowym przy użyciu promieniowania laserowego. Światłowody są niezbędne do szybkiej i wysokiej jakości transmisji sygnału komputerowego zawierającego dużą ilość przesyłanych informacji. Podstawą tego wszystkiego jest tak proste i zwyczajne zjawisko, jak załamanie światła. Bibliografia Praca domowa
"
= ≈ 1,16
Stosowanie całkowitego odbicia
= ≈ 1,16
Podobne artykuły
-
Drzewo genealogiczne od Rurika do księcia Czernigowa
Rurikowicze to dynastia książąt (a od 1547 r. królów) Rusi Kijowskiej, później Rusi Moskiewskiej, Księstwa Moskiewskiego i Królestwa Moskiewskiego. Założycielem dynastii jest legendarny książę imieniem Rurik (to jest odpowiedź na pytanie, dlaczego dynastia...
-
Słownik slangu internetowego Terminy w Internecie ich oznaczenie
Internet, będąc ogromną bazą informacji, jest złożoną strukturą obiektów fizycznych i logicznych. Internet z definicji to sieć sieci, które współdziałają ze sobą poprzez wymianę pakietów danych....
-
Historia odkrycia Historia pojawienia się Zlatnika
Myślę, że nie ma szczególnej potrzeby opisywania złota jako pierwiastka chemicznego. Bardziej profesjonalne informacje na temat złota znajdują się w artykułach Złoto i Aurum w głównych słownikach. W artykule przedstawiono ewolucję roli złota w gospodarce w okresie kryzysu....
-
Gabriel Romanovich Derzhavin - biografia, informacje, życie osobiste
V. Borovikovsky „G.R. Derzhavin (fragment) Nie wiedziałem, jak udawać, przypominać świętego, nadmuchać się ważną rangą i przybrać wygląd filozofa, kochałem szczerość, myślałem, że tylko mnie polubią , Ludzki umysł i serce były moim geniuszem (G.R. ....
-
Co to jest rymowanka: definicja
Małe gatunki folkloru to dzieła o małej objętości. Niektórzy badacze określają je jako folklor dziecięcy, gdyż takie dzieła wchodzą w życie człowieka bardzo wcześnie, na długo przed opanowaniem mowy. Więcej szczegółów o każdym...
-
Światło. Źródła światła. Gwiazda - Niedz. Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła. Cień i półcień. Zaćmienia Słońca i Księżyca. Światło i cień Co cień reprezentuje tak, jak powinien
Światło musi wpaść do naszych oczu, abyśmy mogli coś zobaczyć. Jeśli zamkniemy oczy lub wejdziemy do ciemnego pokoju, nic nie zobaczymy. Świat wizualny możemy postrzegać jedynie za pomocą wzroku. Źródłem światła jest tzw.