Atividade

Periscópio digital

Aqui está uma novidade técnica.

O canal óptico tradicional dos periscópios existentes é substituído por câmeras de vídeo de alta resolução e comunicações de fibra óptica. As informações das câmeras de vigilância externas são transmitidas em tempo real para um display de formato amplo na sala de controle central.

Os testes estão ocorrendo a bordo do submarino SSN 767 Hampton da classe Los Angeles. O novo modelo muda completamente a prática de décadas de trabalhar com um periscópio. O oficial de quarto agora opera as câmeras montadas na lança, ajustando a exibição usando um joystick e teclado.

Além da exibição no poste central, a imagem do periscópio pode ser exibida em um número arbitrariamente grande de displays em qualquer sala do barco. As câmeras permitem observar simultaneamente diferentes setores do horizonte, o que aumenta significativamente a velocidade de reação do relógio às mudanças na situação tática na superfície.

Como explicar o “jogo das pedras”? Na joalheria, o corte das pedras é selecionado de forma que haja um reflexo completo da luz em cada face.

Um fenômeno interno completo explica o fenômeno da miragem

Uma miragem é um fenômeno óptico na atmosfera: o reflexo da luz por uma fronteira entre camadas de ar que diferem nitidamente em termos de calor. Para um observador, tal reflexão significa que junto com um objeto distante (ou parte do céu), sua imagem virtual é visível, deslocada em relação ao objeto.

As miragens são divididas em inferiores, visíveis sob o objeto, superiores, acima do objeto e laterais. A miragem superior é observada acima da superfície fria da terra, a miragem inferior é observada acima de uma superfície plana superaquecida, geralmente um deserto ou uma estrada de asfalto. A imagem virtual do céu cria a ilusão de água na superfície. Portanto, a estrada que se estende ao longe em um dia quente de verão parece molhada. Uma miragem lateral às vezes é observada perto de paredes ou rochas muito aquecidas.

7. Ultrassom. Receber e registrar ultrassom com base no efeito piezoelétrico inverso e direto.

8. Interação do ultrassom de diversas frequências e intensidades com a matéria. Aplicação do ultrassom na medicina.

Oscilações e ondas eletromagnéticas.

4.Escala de ondas eletromagnéticas. Classificação dos intervalos de frequência adotados na medicina

5.Efeito biológico da radiação eletromagnética no corpo. Lesões elétricas.

6.Ditermia. Terapia UHF. Indutotermia. Terapia por microondas.

7. Profundidade de penetração da radiação eletromagnética não ionizante no ambiente biológico. Sua dependência da frequência. Métodos de proteção contra radiação eletromagnética.

Óptica médica

1. A natureza física da luz. Propriedades ondulatórias da luz. Comprimento de onda da luz. Características físicas e psicofísicas da luz.

2. Reflexão e refração da luz. Reflexão interna total. Fibra óptica, sua aplicação na medicina.

5. Resolução e limite de resolução do microscópio. Maneiras de aumentar a resolução.

6. Métodos especiais de microscopia. Microscópio de imersão. Microscópio de campo escuro. Microscópio polarizador.

A física quântica.

2. Espectro linear da radiação atômica. Sua explicação está na teoria de N. Bohr.

3. Propriedades ondulatórias das partículas. A hipótese de De Broglie, sua justificativa experimental.

4. Microscópio eletrônico: princípio de funcionamento; resolução, aplicação em pesquisa médica.

5. Explicação da mecânica quântica da estrutura dos espectros atômicos e moleculares.

6. Luminescência, seus tipos. Fotoluminescência. Lei de Stokes. Quimiluminescência.

7. Aplicação da luminescência na investigação biomédica.

8. Efeito fotoelétrico. Equação de Einstein para o efeito fotoelétrico externo. Foto-diodo. Tubo fotomultiplicador.

9. Propriedades da radiação laser. Sua conexão com a estrutura quântica da radiação.

10. Radiação coerente. Princípios de obtenção e restauração de imagens holográficas.

11. Princípio de funcionamento de um laser de hélio-néon. População inversa de níveis de energia. O surgimento e desenvolvimento de avalanches de fótons.

12. Aplicação de lasers em medicina.

13. Ressonância paramagnética eletrônica. EPR em medicina.

14. Ressonância magnética nuclear. Uso de RMN em medicina.

Radiação ionizante

1. Radiação de raios X, seu espectro. Bremsstrahlung e radiação característica, sua natureza.

3. Aplicação da radiação de raios X em diagnóstico. Raio X. Radiografia. Fluorografia. Tomografia computadorizada.

4. Interacção da radiação de raios X com a matéria: fotoabsorção, dispersão coerente, dispersão Compton, formação de pares. Probabilidades desses processos.

5. Radioatividade. Lei do decaimento radioativo. Meia-vida. Unidades de atividade de drogas radioativas.

6 Lei de atenuação da radiação ionizante. Coeficiente de atenuação linear. Meia espessura da camada de atenuação. Coeficiente de atenuação de massa.

8. Produção e utilização de drogas radioativas para diagnóstico e tratamento.

9. Métodos de registro de radiação ionizante: contador Geiger, sensor de cintilação, câmara de ionização.

10. Dosimetria. O conceito de absorção, exposição e dose equivalente e sua potência. Suas unidades de medida. A unidade não sistêmica é o raio X.

Biomecânica.

1. Segunda lei de Newton. Protegendo o corpo de cargas dinâmicas excessivas e lesões.

2. Tipos de deformação. Lei de Hooke. Coeficiente de dureza. Módulo elástico. Propriedades do tecido ósseo.

3. Tecido muscular. A estrutura e funções da fibra muscular. Conversão de energia durante a contração muscular. Eficiência da contração muscular.

4. Modo isotônico de trabalho muscular. Trabalho muscular estático.

5. Características gerais do aparelho circulatório. A velocidade do movimento do sangue nos vasos. Volume sanguíneo do acidente vascular cerebral. Trabalho e poder do coração.

6. Equação de Poiseuille. O conceito de resistência hidráulica dos vasos sanguíneos e métodos para influenciá-la.

7. Leis do movimento dos fluidos. Equação de continuidade; sua conexão com as características do sistema capilar. equação de Bernoulli; sua conexão com o suprimento de sangue ao cérebro e às extremidades inferiores.

8. Movimento laminar e turbulento de fluidos. Número de Reynolds. Medição da pressão arterial pelo método Korotkoff.

9. Equação de Newton. Coeficiente de viscosidade. O sangue é como um fluido não newtoniano. A viscosidade do sangue é normal e em patologias.

Biofísica das citomembranas e eletrogênese

1. O fenómeno da difusão. Equação de Fick.

2. Estrutura e modelos de membranas celulares

3. Propriedades físicas das membranas biológicas

4. Elemento de concentração e equação de Nernst.

5. Composição iônica do citoplasma e fluido intercelular. Permeabilidade da membrana celular a vários íons. Diferença de potencial através da membrana celular.

6. Potencial de repouso celular. Equação de Goldman-Hodgkin-Katz

7. Excitabilidade de células e tecidos. Métodos de excitação. A lei do “tudo ou nada”.

8. Potencial de ação: aparência e características gráficas, mecanismos de ocorrência e desenvolvimento.

9. Canais iônicos dependentes de voltagem: estrutura, propriedades, funcionamento

10. O mecanismo e a velocidade de propagação do potencial de ação ao longo da fibra nervosa não pulpar.

11. O mecanismo e a velocidade de propagação do potencial de ação ao longo da fibra nervosa mielinizada.

Biofísica da recepção.

1. Classificação dos receptores.

2. Estrutura dos receptores.

3. Mecanismos gerais de recepção. Potenciais do receptor.

4. Codificação da informação nos sentidos.

5. Características de percepção luminosa e sonora. Lei Weber-Fechner.

6. Principais características do analisador auditivo. Mecanismos de recepção auditiva.

7. Principais características do analisador visual. Mecanismos de recepção visual.

Aspectos biofísicos da ecologia.

1. Campo geomagnético. Natureza, características biotrópicas, papel na vida dos biossistemas.

2. Fatores físicos de importância ambiental. Níveis de fundo naturais.

Elementos de teoria das probabilidades e estatística matemática.

Propriedades de uma média amostral

2. Reflexão e refração da luz. Reflexão interna total. Fibra óptica, sua aplicação na medicina.

Da teoria do campo eletromagnético, desenvolvida por J. Maxwell, seguiu-se: as ondas eletromagnéticas se propagam à velocidade da luz - 300.000 km/s, que essas ondas são transversais, assim como as ondas de luz. Maxwell propôs que a luz é uma onda eletromagnética. Esta previsão foi posteriormente confirmada experimentalmente.

Assim como as ondas eletromagnéticas, a propagação da luz segue as mesmas leis.

Lei da reflexão. O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (α=β). O raio incidente AO, o raio refletido OB e a perpendicular OS, restaurados no ponto de incidência, estão no mesmo plano.

Lei da refração. O raio incidente AO e o raio refratado estão no mesmo plano com a perpendicular CD desenhada no ponto de incidência do raio até o plano de separação dos dois meios. A razão entre os senos do ângulo de incidência a e o ângulo de refração y é constante para esses dois meios e é chamada de índice de refração do segundo meio em relação ao primeiro: .

As leis da reflexão da luz são levadas em consideração na construção da imagem de um objeto em espelhos (planos, côncavos e convexos) e aparecem na reflexão especular em periscópios, holofotes, faróis de automóveis e muitos outros dispositivos técnicos. levado em consideração na construção de imagens em todos os tipos de lentes, prismas e suas combinações (microscópio, telescópio), bem como em instrumentos ópticos (binóculos, dispositivos espectrais, câmeras e dispositivos de projeção). Se um feixe de luz segue de um meio opticamente menos denso (por exemplo, do ar; n ar = 1) para um meio opticamente mais denso (por exemplo, para um vidro com índice de refração n st. = 1,5), então em seu limite existe será reflexão parcial e refração parcial da luz.

Segue-se que , isto é, o seno do ângulo de refração g é 1,5 vezes menor que o seno do ângulo de incidência a. E se cantando

Se um feixe de luz for lançado de um vidro opticamente mais denso para um ar opticamente menos denso, então o ângulo de refração será, pelo contrário, maior que o ângulo de incidência, g > a. Para a reversão do raio discutida, a lei da refração é:

portanto cante = 1,5sina; g>a

Esta situação é ilustrada pelo diagrama A da figura.

Se o ângulo de incidência a for aumentado até um certo valor limite apr, então o ângulo de refração g >a atinge o maior valor g = 90 0 . O feixe refratado desliza ao longo da interface entre dois meios. Em ângulos de incidência a>a, o fenômeno de refração não ocorre e, em vez de reflexão parcial no limite de fase, completo reflexão da luz em um meio opticamente mais denso, ou reflexão interna total . Este fenômeno óptico forma a base de toda uma direção física e técnica chamada fibra ótica.

Na medicina, a fibra óptica encontrou aplicação em endoscópios - dispositivos para examinar cavidades internas (por exemplo, o estômago). Um guia de luz, que é um feixe de um grande número de fibras de vidro finas colocadas em uma concha protetora comum, é inserido na cavidade em estudo. Algumas das fibras são usadas para organizar a iluminação da cavidade a partir de uma fonte de luz localizada fora do corpo do paciente. O guia de luz também pode ser usado para transmitir radiação laser para a cavidade interna para fins terapêuticos.

A reflexão interna total também ocorre em algumas estruturas da retina.

3. Sistema óptico do olho. Deficiências visuais, métodos de sua correção .

O sistema óptico do olho fornece uma imagem real inversa (invertida) reduzida na retina. Se o sistema refrativo da luz do olho for considerado como uma lente, então a potência óptica total deste sistema é obtida como a soma algébrica dos quatro termos a seguir:

a) Córnea: D = +42,5 dioptrias

b) Câmara anterior: D de +2 a +4 dioptrias

c) Lente: D  const; de +19 a +33 dioptrias

d) Corpo vítreo; D de –5 a –6 dioptrias.

Devido ao fato da potência óptica da lente ser variável, a potência óptica total do olho varia de 49 a 73 dioptrias.

O olho reduzido, como uma lente única, está voltado de um lado para o ar (índice de refração absoluto nair = 1), e o outro está em contato com o líquido, nf=1,336. Portanto, as distâncias focais esquerda e direita não são iguais; se a distância focal frontal for em média F1 = 17 mm, então a distância focal traseira será F2 = 23 mm. O centro óptico do sistema está localizado profundamente no olho, a uma distância de 7,5 mm da superfície externa da córnea.

O principal elemento refrativo deste sistema - a córnea - não tem uma forma esférica, mas uma forma mais complexa de superfícies refrativas, e este é um bom golpe para a aberração esférica.

O cristalino muda seu poder óptico quando os músculos ciriais se contraem ou relaxam; Isso consegue a acomodação do olho - sua adaptação para focar a imagem na retina tanto ao visualizar objetos distantes quanto próximos. A tensão necessária desses músculos fornece informações sobre a distância até o objeto em questão, mesmo que olhemos para ele com um olho. A quantidade total de luz que entra no olho é controlada pela íris. Pode ter cores diferentes e, portanto, as pessoas podem ter olhos azuis, olhos castanhos, etc. É controlado por um par de músculos. Existe um músculo que contrai as pupilas (músculo circular) e existe um músculo que as dilata (músculo radial).

Consideremos a seguir as características estruturais da retina. Seu objetivo é converter a imagem óptica obtida em sua superfície em fluxos de impulsos nervosos elétricos que entram no cérebro. Essas transformações são realizadas por dois tipos de células fotorreceptoras, que, pelas características de seu formato, são chamadas de cones e bastonetes.

Fotorreceptores cônicos para visão diurna. Fornece visão de cores. Os bastonetes são receptores para a visão crepuscular. Cada olho humano contém aproximadamente 125*106 bastonetes e 5*106 cones, totalizando 130*106 fotorreceptores. Os cones e bastonetes estão distribuídos de forma muito desigual pela retina: apenas os bastonetes estão localizados na periferia: quanto mais próximo da área da mácula, mais cones existem; na mácula localizam-se apenas cones e sua densidade (número por unidade de área) é muito alta, então aqui essas células são até “fabricadas” em uma versão de tamanho pequeno - são menores que em outras áreas da retina.

A área da mácula da retina é a área de melhor visão. Aqui focamos a imagem de um objeto se quisermos olhar para esse objeto com especial atenção.

A densidade do “pacote” de cones na mácula determina a acuidade da nossa visão. Essa densidade, em média, é tal que três cones cabem em um segmento de 5 mícrons de comprimento. Para que o olho distinga dois pontos de um objeto, é necessário que entre dois cones iluminados haja um não exposto.

Refração (refração) da luz no olho é normal se a imagem do objeto fornecida pelo sistema óptico do olho cair sobre os segmentos externos dos fotorreceptores e os músculos que controlam a curvatura do cristalino estiverem relaxados. Esta refração (normal) é chamada emetropia.

Desvio da emetropia – ametropia - encontrado em duas variedades. Miopia (miopia) - a imagem não é focada na retina, mas na frente dela, ou seja, a refração da luz no olho ocorre “muito bem”. Esta redundância pode ser eliminada com lentes de óculos divergentes (potência óptica negativa).

Hipermetropia (hipermetropia) é um tipo de ametropia em que a imagem é formada atrás da retina. Para devolver a imagem à retina, é necessário “ajudar” o olho com uma lente de óculos convergente (a potência óptica é positiva). Em outras palavras, se a potência óptica do olho for insuficiente, ela pode ser aumentada em um termo adicional - a potência óptica da lente coletora dos óculos.

O aparecimento de lentes de contato em vez dos óculos clássicos foi inicialmente percebido quase como uma revolução.

Ao discutir as capacidades de uma lente de contato, é necessário levar em consideração que o índice de refração relativo na primeira superfície (ao longo do raio) da lente de contato é na verdade igual ao índice de refração absoluto do material da lente, e no segunda superfície é igual à razão entre os índices de refração absolutos da córnea e do cristalino.

Ao introduzir qualquer invenção, mais cedo ou mais tarde são descobertas vantagens e desvantagens. Óculos clássicos e lentes de contato, em sua forma atual, podem ser comparados da seguinte forma:

Os óculos clássicos são fáceis de colocar e tirar, mas não são confortáveis ​​de usar;

As lentes de contato são confortáveis ​​de usar, mas não são fáceis de colocar e tirar.

A correção da visão a laser é uma microcirurgia na superfície externa da córnea. Lembremos que a córnea é o principal elemento refrator de luz do sistema óptico do olho. A correção da visão é obtida alterando a curvatura da superfície externa da córnea. Por exemplo, se você tornar a superfície mais plana (ou seja, aumentar o raio de curvatura R), então, de acordo com a fórmula (4), a potência óptica D desta superfície diminuirá.

Problemas graves de visão ocorrem quando a retina é descolada. Nestes casos, o método de fixação da retina no local fornecido pela natureza por meio de um feixe de laser focalizado encontrou aplicação. Este método de fixação é semelhante em tecnologia à soldagem por pontos de metais. O feixe focado cria uma pequena zona de temperatura elevada na qual os tecidos biológicos são “soldados” (literal e figurativamente).

A retina é um dos dois principais componentes da rodopsina - é um aldeído da vitamina A. Levando em consideração o fato de que os segmentos externos dos fotorreceptores são constantemente renovados, um fornecimento completo de vitamina A ao corpo é do interesse de manter o sistema visual em boas condições.

4 . Microscópio óptico. Caminho dos raios em um microscópio. Ampliação útil do microscópio.

Microscópio - dispositivo destinado a obter imagens ampliadas, bem como medir objetos ou detalhes estruturais invisíveis ou difíceis de ver a olho nu. É uma coleção de lentes.

O conjunto de tecnologias de fabricação e uso prático dos microscópios é denominado microscopia.Um microscópio possui partes mecânicas e ópticas. A parte mecânica é representada por um tripé (composto por uma base e um porta-tubo) e um tubo montado nele com um revólver para fixação e troca de lentes. A parte mecânica também inclui: estágio para preparação, dispositivos para fixação do condensador e filtros de luz, mecanismos embutidos no tripé para movimentação grosseira (macromecanismo, macroparafuso) e fina (micromecanismo, microparafuso) de o suporte do palco ou tubo.

A parte óptica é representada por lentes, oculares e um sistema de iluminação, que por sua vez consiste em um condensador Abbe localizado sob o palco do objeto e um iluminador embutido com lâmpada incandescente de baixa tensão e transformador. As lentes são aparafusadas no revólver e a ocular correspondente, através da qual a imagem é observada, é instalada no lado oposto do tubo.

A parte mecânica inclui um tripé, composto por uma base e um porta-tubo. A base serve de suporte para o microscópio e carrega toda a estrutura do tripé. Há também um encaixe para espelho ou iluminador embutido na base do microscópio.

uma mesa de objetos utilizada para colocação de preparações e sua movimentação horizontal;

conjunto para montagem e filtros de luz verticais.

Aumento útil - esta é a ampliação aparente na qual o olho do observador utilizará totalmente o poder de resolução do microscópio, ou seja, o poder de resolução do microscópio será igual ao poder de resolução do olho. A ampliação útil máxima do microscópio, isto é, a ampliação com a qual os detalhes do objeto em questão são revelados é determinada pela fórmula

onde d1 é a resolução máxima do olho humano, igual a 0,3 mm; d – resolução máxima do sistema óptico.

"

Primeiro, vamos imaginar um pouco. Imagine um dia quente de verão a.C., um homem primitivo usa uma lança para caçar peixes. Ele percebe sua posição, mira e ataca por algum motivo em um local onde o peixe não era visível. Perdido? Não, o pescador tem a presa nas mãos! O fato é que nosso ancestral entendeu intuitivamente o tema que estudaremos agora. Na vida cotidiana, vemos que uma colher colocada em um copo d'água parece torta; quando olhamos através de uma jarra de vidro, os objetos parecem tortos. Consideraremos todas essas questões na lição, cujo tema é: “Refração da luz. A lei da refração da luz. Reflexão interna completa."

Nas lições anteriores falamos sobre o destino de um feixe em dois casos: o que acontece se um feixe de luz se propaga em um meio transparentemente homogêneo? A resposta correta é que ele se espalhará em linha reta. O que acontece quando um feixe de luz incide na interface entre dois meios? Na última lição falamos sobre o feixe refletido, hoje veremos aquela parte do feixe de luz que é absorvida pelo meio.

Qual será o destino do raio que penetrou do primeiro meio opticamente transparente para o segundo meio opticamente transparente?

Arroz. 1. Refração da luz

Se um feixe incide na interface entre dois meios transparentes, parte da energia luminosa retorna ao primeiro meio, criando um feixe refletido, e a outra parte passa para dentro do segundo meio e, via de regra, muda sua direção.

A mudança na direção de propagação da luz quando ela passa pela interface entre dois meios é chamada refração da luz(Figura 1).

Arroz. 2. Ângulos de incidência, refração e reflexão

Na Figura 2 vemos um feixe incidente, o ângulo de incidência será denotado por α. O raio que definirá a direção do feixe de luz refratado será chamado de raio refratado. O ângulo entre a perpendicular à interface, reconstruída a partir do ponto de incidência, e o raio refratado é chamado de ângulo de refração; na figura é o ângulo γ. Para completar o quadro, daremos também uma imagem do feixe refletido e, consequentemente, do ângulo de reflexão β. Qual é a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração?É possível prever, conhecendo o ângulo de incidência e em que meio o feixe passou, qual será o ângulo de refração? Acontece que é possível!

Obtemos uma lei que descreve quantitativamente a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração. Vamos usar o princípio de Huygens, que regula a propagação das ondas num meio. A lei consiste em duas partes.

O raio incidente, o raio refratado e a perpendicular restaurada ao ponto de incidência estão no mesmo plano.

A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para dois meios determinados e é igual à razão entre as velocidades da luz nesses meios.

Esta lei é chamada de lei de Snell, em homenagem ao cientista holandês que a formulou pela primeira vez. A razão da refração é a diferença na velocidade da luz em diferentes meios. Você pode verificar a validade da lei da refração direcionando experimentalmente um feixe de luz em diferentes ângulos para a interface entre dois meios e medindo os ângulos de incidência e refração. Se mudarmos estes ângulos, medirmos os senos e encontrarmos a razão dos senos destes ângulos, ficaremos convencidos de que a lei da refração é realmente válida.

A prova da lei da refração usando o princípio de Huygens é outra confirmação da natureza ondulatória da luz.

O índice de refração relativo n 21 mostra quantas vezes a velocidade da luz V 1 no primeiro meio difere da velocidade da luz V 2 no segundo meio.

O índice de refração relativo é uma demonstração clara do fato de que a razão pela qual a luz muda de direção ao passar de um meio para outro é a diferente velocidade da luz nos dois meios. O conceito de “densidade óptica do meio” é frequentemente usado para caracterizar as propriedades ópticas de um meio (Fig. 3).

Arroz. 3. Densidade óptica do meio (α > γ)

Se um raio passa de um meio com maior velocidade da luz para um meio com menor velocidade da luz, então, como pode ser visto na Figura 3 e na lei da refração da luz, ele será pressionado contra a perpendicular, ou seja , o ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência. Neste caso, diz-se que o feixe passou de um meio óptico menos denso para um meio opticamente mais denso. Exemplo: do ar para a água; da água ao vidro.

A situação inversa também é possível: a velocidade da luz no primeiro meio é menor que a velocidade da luz no segundo meio (Fig. 4).

Arroz. 4. Densidade óptica do meio (α< γ)

Então o ângulo de refração será maior que o ângulo de incidência, e tal transição será feita de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso (do vidro para a água).

A densidade óptica de duas mídias pode diferir significativamente, tornando possível a situação mostrada na fotografia (Fig. 5):

Arroz. 5. Diferenças na densidade óptica da mídia

Observe como a cabeça se desloca em relação ao corpo no líquido, num ambiente com maior densidade óptica.

No entanto, o índice de refração relativo nem sempre é uma característica conveniente para trabalhar, porque depende da velocidade da luz no primeiro e no segundo meio, mas pode haver muitas dessas combinações e combinações de dois meios (água - ar, vidro - diamante, glicerina - álcool, vidro - água e assim por diante). As tabelas seriam muito volumosas, seria inconveniente trabalhar, e então introduziram um meio absoluto, em comparação com o qual se compara a velocidade da luz em outros meios. O vácuo foi escolhido como absoluto e a velocidade da luz foi comparada com a velocidade da luz no vácuo.

Índice de refração absoluto do meio n- esta é uma quantidade que caracteriza a densidade óptica do meio e é igual à razão entre a velocidade da luz COM no vácuo à velocidade da luz em um determinado ambiente.

O índice de refração absoluto é mais conveniente para o trabalho, porque sempre sabemos a velocidade da luz no vácuo; é igual a 3·10 8 m/s e é uma constante física universal.

O índice de refração absoluto depende de parâmetros externos: temperatura, densidade e também do comprimento de onda da luz, portanto as tabelas geralmente indicam o índice de refração médio para uma determinada faixa de comprimento de onda. Se compararmos os índices de refração do ar, da água e do vidro (Fig. 6), vemos que o ar tem um índice de refração próximo da unidade, por isso o tomaremos como unidade na resolução de problemas.

Arroz. 6. Tabela de índices de refração absolutos para diferentes meios

Não é difícil obter uma relação entre o índice de refração absoluto e relativo da mídia.

O índice de refração relativo, isto é, para um raio que passa do meio um para o meio dois, é igual à razão entre o índice de refração absoluto no segundo meio e o índice de refração absoluto no primeiro meio.

Por exemplo: = ≈ 1,16

Se os índices de refração absolutos de dois meios forem quase iguais, isso significa que o índice de refração relativo ao passar de um meio para outro será igual à unidade, ou seja, o raio de luz não será realmente refratado. Por exemplo, ao passar do óleo de erva-doce para uma pedra preciosa de berilo, a luz praticamente não se curvará, ou seja, se comportará da mesma forma que ao passar pelo óleo de erva-doce, já que seu índice de refração é 1,56 e 1,57 respectivamente, então a pedra preciosa pode ser como se estivesse escondido em um líquido, simplesmente não será visível.

Se derramarmos água em um copo transparente e olharmos para a luz através da parede do vidro, veremos um brilho prateado na superfície devido ao fenômeno de reflexão interna total, que será discutido agora. Quando um feixe de luz passa de um meio óptico mais denso para um meio óptico menos denso, um efeito interessante pode ser observado. Para maior certeza, assumiremos que a luz vem da água para o ar. Suponhamos que nas profundezas do reservatório exista uma fonte pontual de luz S, emitindo raios em todas as direções. Por exemplo, um mergulhador acende uma lanterna.

O feixe SO 1 cai na superfície da água no menor ângulo, esse feixe é parcialmente refratado - o feixe O 1 A 1 e é parcialmente refletido de volta na água - o feixe O 1 B 1. Assim, parte da energia do feixe incidente é transferida para o feixe refratado e a energia restante é transferida para o feixe refletido.

Arroz. 7. Reflexão interna total

O feixe de SO 2, cujo ângulo de incidência é maior, também é dividido em dois feixes: refratado e refletido, mas a energia do feixe original é distribuída entre eles de forma diferente: o feixe refratado O 2 A 2 será mais escuro que o O 1 Um feixe 1, ou seja, receberá uma parcela menor de energia, e o feixe refletido O 2 B 2, respectivamente, será mais brilhante que o feixe O 1 B 1, ou seja, receberá uma parcela maior de energia. À medida que o ângulo de incidência aumenta, o mesmo padrão é observado - uma parcela cada vez maior da energia do feixe incidente vai para o feixe refletido e uma parcela cada vez menor para o feixe refratado. O feixe refratado torna-se cada vez mais escuro e em algum ponto desaparece completamente; esse desaparecimento ocorre quando atinge o ângulo de incidência, que corresponde ao ângulo de refração de 90 0. Nesta situação, o feixe refratado OA deveria ter ido paralelo à superfície da água, mas não sobrou nada - toda a energia do feixe incidente SO foi inteiramente para o feixe refletido OB. Naturalmente, com um aumento adicional no ângulo de incidência, o feixe refratado estará ausente. O fenômeno descrito é a reflexão interna total, ou seja, um meio óptico mais denso nos ângulos considerados não emite raios de si mesmo, todos são refletidos em seu interior. O ângulo em que esse fenômeno ocorre é chamado ângulo limite de reflexão interna total.

O valor do ângulo limite pode ser facilmente encontrado a partir da lei da refração:

= => = arco seno, para água ≈ 49 0

A aplicação mais interessante e popular do fenômeno da reflexão interna total são os chamados guias de ondas, ou fibras ópticas. Este é exatamente o método de envio de sinais utilizado pelas modernas empresas de telecomunicações na Internet.

Obtivemos a lei da refração da luz, introduzimos um novo conceito - índices de refração relativos e absolutos, e também entendemos o fenômeno da reflexão interna total e suas aplicações, como a fibra óptica. Você pode consolidar seu conhecimento analisando os testes e simuladores relevantes na seção de aulas.

Obtenhamos uma prova da lei da refração da luz usando o princípio de Huygens. É importante compreender que a causa da refração é a diferença na velocidade da luz em dois meios diferentes. Denotemos a velocidade da luz no primeiro meio como V 1, e no segundo meio como V 2 (Fig. 8).

Arroz. 8. Prova da lei da refração da luz

Deixe uma onda de luz plana cair em uma interface plana entre dois meios, por exemplo, do ar para a água. A superfície da onda AS é perpendicular aos raios e , a interface entre os meios MN é alcançada primeiro pelo raio, e o raio atinge a mesma superfície após um intervalo de tempo ∆t, que será igual ao caminho SW dividido pela velocidade de luz no primeiro meio.

Portanto, no momento em que a onda secundária no ponto B apenas começa a ser excitada, a onda do ponto A já tem a forma de um hemisfério com raio AD, que é igual à velocidade da luz no segundo meio em ∆ t: AD = ·∆t, ou seja, princípio de Huygens na ação visual. A superfície de onda de uma onda refratada pode ser obtida traçando uma superfície tangente a todas as ondas secundárias no segundo meio, cujos centros estão na interface entre os meios, neste caso este é o plano BD, é o envelope de as ondas secundárias. O ângulo de incidência α do feixe é igual ao ângulo CAB do triângulo ABC, os lados de um desses ângulos são perpendiculares aos lados do outro. Consequentemente, SV será igual à velocidade da luz no primeiro meio por ∆t

CB = ∆t = AB sen α

Por sua vez, o ângulo de refração será igual ao ângulo ABD no triângulo ABD, portanto:

АD = ∆t = АВ sen γ

Dividindo as expressões termo a termo, obtemos:

n é um valor constante que não depende do ângulo de incidência.

Obtivemos a lei da refração da luz, o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para esses dois meios e é igual à razão entre as velocidades da luz nos dois meios dados.

Um vaso cúbico com paredes opacas é posicionado de forma que o olho do observador não veja seu fundo, mas veja completamente a parede do vaso CD. Quanta água deve ser despejada no recipiente para que o observador possa ver um objeto F localizado a uma distância b = 10 cm do ângulo D? Borda do vaso α = 40 cm (Fig. 9).

O que é muito importante na resolução deste problema? Suponha que como o olho não vê o fundo da vasilha, mas vê o ponto extremo da parede lateral, e a vasilha é um cubo, o ângulo de incidência do feixe na superfície da água quando a despejamos será igual a 45 0.

Arroz. 9. Tarefa do Exame de Estado Unificado

O feixe cai no ponto F, isso significa que vemos claramente o objeto, e a linha pontilhada preta mostra o curso do feixe se não houvesse água, ou seja, até o ponto D. Do triângulo NFK, a tangente do ângulo β, a tangente do ângulo de refração, é a razão entre o lado oposto e o adjacente ou, com base na figura, h menos b dividido por h.

tg β = = , h é a altura do líquido que derramamos;

O fenômeno mais intenso de reflexão interna total é utilizado em sistemas de fibra óptica.

Arroz. 10. Fibra óptica

Se um feixe de luz for direcionado para a extremidade de um tubo de vidro sólido, depois de múltiplas reflexões internas totais, o feixe sairá do lado oposto do tubo. Acontece que o tubo de vidro é um condutor de onda de luz ou guia de ondas. Isto acontecerá independentemente de o tubo ser reto ou curvo (Figura 10). Os primeiros guias de luz, este é o segundo nome dos guias de onda, eram usados ​​​​para iluminar locais de difícil acesso (durante pesquisas médicas, quando a luz é fornecida a uma extremidade do guia de luz e a outra extremidade ilumina o local desejado). A principal aplicação é a medicina, detecção de falhas em motores, mas esses guias de ondas são mais amplamente utilizados em sistemas de transmissão de informações. A frequência portadora ao transmitir um sinal por uma onda de luz é um milhão de vezes maior que a frequência de um sinal de rádio, o que significa que a quantidade de informação que podemos transmitir por meio de uma onda de luz é milhões de vezes maior que a quantidade de informação transmitida por ondas de rádio. Esta é uma ótima oportunidade para transmitir uma riqueza de informações de uma forma simples e barata. Normalmente, as informações são transmitidas através de um cabo de fibra usando radiação laser. A fibra óptica é indispensável para a transmissão rápida e de alta qualidade de um sinal de computador contendo uma grande quantidade de informações transmitidas. E a base de tudo isso é um fenômeno tão simples e comum como a refração da luz.

Bibliografia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Física (nível básico) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Física 10º ano. - M.: Mnemósine, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Física - 9, Moscou, Educação, 1990.

1. Edu.glavsprav.ru().
2. Nvtc.ee().
3. Raal100.narod.ru().
4. Optika.ucoz.ru().

Trabalho de casa

1. Defina a refração da luz.
2. Cite a razão da refração da luz.
3. Cite as aplicações mais populares de reflexão interna total.

Em um determinado ângulo de incidência da luz $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, que é chamado ângulo limite, o ângulo de refração é igual a $\frac(\pi )(2),\ $neste caso o raio refratado desliza ao longo da interface entre os meios, portanto, não há raio refratado. Então, pela lei da refração, podemos escrever que:

Imagem 1.

No caso de reflexão total, a equação é:

não tem solução na região dos valores reais do ângulo de refração ($(\alpha )_(pr)$). Neste caso, $cos((\alpha )_(pr))$ é uma quantidade puramente imaginária. Se recorrermos às Fórmulas de Fresnel, é conveniente apresentá-las na forma:

onde o ângulo de incidência é denotado $\alpha $ (por questões de brevidade), $n$ é o índice de refração do meio onde a luz se propaga.

Pelas fórmulas de Fresnel fica claro que os módulos $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right |=\ left|E_(otr//)\right|$, o que significa que a reflexão está "cheia".

Nota 1

Deve-se notar que a onda não homogênea não desaparece no segundo meio. Então, se $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Violações da lei da conservação de energia em um determinado caso não. Já as fórmulas de Fresnel são válidas para um campo monocromático, ou seja, para um processo em estado estacionário. Neste caso, a lei da conservação da energia exige que a variação média da energia durante o período no segundo meio seja igual a zero. A onda e a fração correspondente de energia penetram através da interface no segundo meio até uma pequena profundidade da ordem do comprimento de onda e se movem nele paralelamente à interface com uma velocidade de fase menor que a velocidade de fase da onda no segundo meio. Ele retorna ao primeiro meio em um ponto que está deslocado em relação ao ponto de entrada.

A penetração da onda no segundo meio pode ser observada experimentalmente. A intensidade da onda de luz no segundo meio é perceptível apenas em distâncias menores que o comprimento de onda. Perto da interface na qual a onda de luz incide e sofre reflexão total, o brilho de uma fina camada pode ser visto na lateral do segundo meio se houver uma substância fluorescente no segundo meio.

A reflexão total faz com que ocorram miragens quando a superfície da Terra está quente. Assim, o reflexo completo da luz que vem das nuvens leva à impressão de que há poças na superfície do asfalto aquecido.

Sob reflexão normal, as relações $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ e $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ são sempre reais . Numa reflexão completa, eles são complexos. Isso significa que neste caso a fase da onda sofre um salto, embora seja diferente de zero ou $\pi $. Se a onda for polarizada perpendicularmente ao plano de incidência, então podemos escrever:

onde $(\delta )_(\bot )$ é o salto de fase desejado. Vamos igualar as partes real e imaginária, temos:

Das expressões (5) obtemos:

Assim, para uma onda polarizada no plano de incidência, pode-se obter:

Os saltos de fase $(\delta )_(//)$ e $(\delta )_(\bot )$ não são iguais. A onda refletida será elipticamente polarizada.

Aplicando Reflexão Total

Suponhamos que dois meios idênticos estejam separados por um fino entreferro. Uma onda de luz incide sobre ele em um ângulo maior que o limite. Pode acontecer que penetre no entreferro como uma onda não uniforme. Se a espessura da lacuna for pequena, essa onda atingirá o segundo limite da substância e não será muito enfraquecida. Tendo passado do entreferro para a substância, a onda voltará a ser homogênea. Tal experimento foi realizado por Newton. O cientista pressionou outro prisma, esférico, na face hipotenusa do prisma retangular. Nesse caso, a luz passou para o segundo prisma não apenas onde eles se tocam, mas também em um pequeno anel ao redor do contato, em um local onde a espessura do vão é comparável ao comprimento de onda. Se as observações fossem realizadas em luz branca, a borda do anel teria uma cor avermelhada. É assim que deveria ser, pois a profundidade de penetração é proporcional ao comprimento de onda (para os raios vermelhos é maior que para os azuis). Ao alterar a espessura da lacuna, você pode alterar a intensidade da luz transmitida. Esse fenômeno formou a base do telefone leve, patenteado pela Zeiss. Neste dispositivo, um dos meios é uma membrana transparente que vibra sob a influência do som que incide sobre ela. A luz que passa através de um entreferro muda de intensidade com o tempo, com as mudanças na intensidade do som. Ao atingir uma fotocélula, gera corrente alternada, que muda de acordo com as mudanças na intensidade do som. A corrente resultante é amplificada e utilizada posteriormente.

Os fenômenos de penetração de ondas através de lacunas finas não são específicos da óptica. Isto é possível para uma onda de qualquer natureza se a velocidade da fase no intervalo for maior que a velocidade da fase no ambiente. Este fenômeno é de grande importância na física nuclear e atômica.

O fenômeno da reflexão interna total é utilizado para alterar a direção de propagação da luz. Prismas são usados ​​para esse propósito.

Exemplo 1

Exercício: Dê um exemplo do fenômeno da reflexão total, que ocorre com frequência.

Solução:

Podemos dar o seguinte exemplo. Se a rodovia estiver muito quente, a temperatura do ar é máxima perto da superfície asfáltica e diminui com o aumento da distância da estrada. Isto significa que o índice de refração do ar é mínimo na superfície e aumenta com o aumento da distância. Como resultado disso, os raios que possuem um pequeno ângulo em relação à superfície da rodovia são completamente refletidos. Se você concentrar sua atenção, enquanto dirige um carro, em uma seção adequada da superfície da rodovia, poderá ver um carro andando bem à frente, de cabeça para baixo.

Exemplo 2

Exercício: Qual é o ângulo de Brewster para um feixe de luz que incide na superfície de um cristal se o ângulo limite de reflexão total para um determinado feixe na interface ar-cristal é 400?

Solução:

\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\right).\]

Da expressão (2.1) temos:

Vamos substituir o lado direito da expressão (2.3) na fórmula (2.2) e expressar o ângulo desejado:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]

Vamos realizar os cálculos:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\approx 57()^\circ .\]

Responder:$(\alfa )_b=57()^\circ .$

Primeiro, vamos imaginar um pouco. Imagine um dia quente de verão a.C., um homem primitivo usa uma lança para caçar peixes. Ele percebe sua posição, mira e ataca por algum motivo em um local onde o peixe não era visível. Perdido? Não, o pescador tem a presa nas mãos! O fato é que nosso ancestral entendeu intuitivamente o tema que estudaremos agora. Na vida cotidiana, vemos que uma colher colocada em um copo d'água parece torta; quando olhamos através de uma jarra de vidro, os objetos parecem tortos. Consideraremos todas essas questões na lição, cujo tema é: “Refração da luz. A lei da refração da luz. Reflexão interna completa."

Nas lições anteriores falamos sobre o destino de um feixe em dois casos: o que acontece se um feixe de luz se propaga em um meio transparentemente homogêneo? A resposta correta é que ele se espalhará em linha reta. O que acontece quando um feixe de luz incide na interface entre dois meios? Na última lição falamos sobre o feixe refletido, hoje veremos aquela parte do feixe de luz que é absorvida pelo meio.

Qual será o destino do raio que penetrou do primeiro meio opticamente transparente para o segundo meio opticamente transparente?

Arroz. 1. Refração da luz

Se um feixe incide na interface entre dois meios transparentes, parte da energia luminosa retorna ao primeiro meio, criando um feixe refletido, e a outra parte passa para dentro do segundo meio e, via de regra, muda sua direção.

A mudança na direção de propagação da luz quando ela passa pela interface entre dois meios é chamada refração da luz(Figura 1).

Arroz. 2. Ângulos de incidência, refração e reflexão

Na Figura 2 vemos um feixe incidente, o ângulo de incidência será denotado por α. O raio que definirá a direção do feixe de luz refratado será chamado de raio refratado. O ângulo entre a perpendicular à interface, reconstruída a partir do ponto de incidência, e o raio refratado é chamado de ângulo de refração; na figura é o ângulo γ. Para completar o quadro, daremos também uma imagem do feixe refletido e, consequentemente, do ângulo de reflexão β. Qual é a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração?É possível prever, conhecendo o ângulo de incidência e em que meio o feixe passou, qual será o ângulo de refração? Acontece que é possível!

Obtemos uma lei que descreve quantitativamente a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração. Vamos usar o princípio de Huygens, que regula a propagação das ondas num meio. A lei consiste em duas partes.

O raio incidente, o raio refratado e a perpendicular restaurada ao ponto de incidência estão no mesmo plano.

A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para dois meios determinados e é igual à razão entre as velocidades da luz nesses meios.

Esta lei é chamada de lei de Snell, em homenagem ao cientista holandês que a formulou pela primeira vez. A razão da refração é a diferença na velocidade da luz em diferentes meios. Você pode verificar a validade da lei da refração direcionando experimentalmente um feixe de luz em diferentes ângulos para a interface entre dois meios e medindo os ângulos de incidência e refração. Se mudarmos estes ângulos, medirmos os senos e encontrarmos a razão dos senos destes ângulos, ficaremos convencidos de que a lei da refração é realmente válida.

A prova da lei da refração usando o princípio de Huygens é outra confirmação da natureza ondulatória da luz.

O índice de refração relativo n 21 mostra quantas vezes a velocidade da luz V 1 no primeiro meio difere da velocidade da luz V 2 no segundo meio.

O índice de refração relativo é uma demonstração clara do fato de que a razão pela qual a luz muda de direção ao passar de um meio para outro é a diferente velocidade da luz nos dois meios. O conceito de “densidade óptica do meio” é frequentemente usado para caracterizar as propriedades ópticas de um meio (Fig. 3).

Arroz. 3. Densidade óptica do meio (α > γ)

Se um raio passa de um meio com maior velocidade da luz para um meio com menor velocidade da luz, então, como pode ser visto na Figura 3 e na lei da refração da luz, ele será pressionado contra a perpendicular, ou seja , o ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência. Neste caso, diz-se que o feixe passou de um meio óptico menos denso para um meio opticamente mais denso. Exemplo: do ar para a água; da água ao vidro.

A situação inversa também é possível: a velocidade da luz no primeiro meio é menor que a velocidade da luz no segundo meio (Fig. 4).

Arroz. 4. Densidade óptica do meio (α< γ)

Então o ângulo de refração será maior que o ângulo de incidência, e tal transição será feita de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso (do vidro para a água).

A densidade óptica de duas mídias pode diferir significativamente, tornando possível a situação mostrada na fotografia (Fig. 5):

Arroz. 5. Diferenças na densidade óptica da mídia

Observe como a cabeça se desloca em relação ao corpo no líquido, num ambiente com maior densidade óptica.

No entanto, o índice de refração relativo nem sempre é uma característica conveniente para trabalhar, porque depende da velocidade da luz no primeiro e no segundo meio, mas pode haver muitas dessas combinações e combinações de dois meios (água - ar, vidro - diamante, glicerina - álcool, vidro - água e assim por diante). As tabelas seriam muito volumosas, seria inconveniente trabalhar, e então introduziram um meio absoluto, em comparação com o qual se compara a velocidade da luz em outros meios. O vácuo foi escolhido como absoluto e a velocidade da luz foi comparada com a velocidade da luz no vácuo.

Índice de refração absoluto do meio n- esta é uma quantidade que caracteriza a densidade óptica do meio e é igual à razão entre a velocidade da luz COM no vácuo à velocidade da luz em um determinado ambiente.

O índice de refração absoluto é mais conveniente para o trabalho, porque sempre sabemos a velocidade da luz no vácuo; é igual a 3·10 8 m/s e é uma constante física universal.

O índice de refração absoluto depende de parâmetros externos: temperatura, densidade e também do comprimento de onda da luz, portanto as tabelas geralmente indicam o índice de refração médio para uma determinada faixa de comprimento de onda. Se compararmos os índices de refração do ar, da água e do vidro (Fig. 6), vemos que o ar tem um índice de refração próximo da unidade, por isso o tomaremos como unidade na resolução de problemas.

Arroz. 6. Tabela de índices de refração absolutos para diferentes meios

Não é difícil obter uma relação entre o índice de refração absoluto e relativo da mídia.

O índice de refração relativo, isto é, para um raio que passa do meio um para o meio dois, é igual à razão entre o índice de refração absoluto no segundo meio e o índice de refração absoluto no primeiro meio.

Por exemplo: = ≈ 1,16

Se os índices de refração absolutos de dois meios forem quase iguais, isso significa que o índice de refração relativo ao passar de um meio para outro será igual à unidade, ou seja, o raio de luz não será realmente refratado. Por exemplo, ao passar do óleo de erva-doce para uma pedra preciosa de berilo, a luz praticamente não se curvará, ou seja, se comportará da mesma forma que ao passar pelo óleo de erva-doce, já que seu índice de refração é 1,56 e 1,57 respectivamente, então a pedra preciosa pode ser como se estivesse escondido em um líquido, simplesmente não será visível.

Se derramarmos água em um copo transparente e olharmos para a luz através da parede do vidro, veremos um brilho prateado na superfície devido ao fenômeno de reflexão interna total, que será discutido agora. Quando um feixe de luz passa de um meio óptico mais denso para um meio óptico menos denso, um efeito interessante pode ser observado. Para maior certeza, assumiremos que a luz vem da água para o ar. Suponhamos que nas profundezas do reservatório exista uma fonte pontual de luz S, emitindo raios em todas as direções. Por exemplo, um mergulhador acende uma lanterna.

O feixe SO 1 cai na superfície da água no menor ângulo, esse feixe é parcialmente refratado - o feixe O 1 A 1 e é parcialmente refletido de volta na água - o feixe O 1 B 1. Assim, parte da energia do feixe incidente é transferida para o feixe refratado e a energia restante é transferida para o feixe refletido.

Arroz. 7. Reflexão interna total

O feixe de SO 2, cujo ângulo de incidência é maior, também é dividido em dois feixes: refratado e refletido, mas a energia do feixe original é distribuída entre eles de forma diferente: o feixe refratado O 2 A 2 será mais escuro que o O 1 Um feixe 1, ou seja, receberá uma parcela menor de energia, e o feixe refletido O 2 B 2, respectivamente, será mais brilhante que o feixe O 1 B 1, ou seja, receberá uma parcela maior de energia. À medida que o ângulo de incidência aumenta, o mesmo padrão é observado - uma parcela cada vez maior da energia do feixe incidente vai para o feixe refletido e uma parcela cada vez menor para o feixe refratado. O feixe refratado torna-se cada vez mais escuro e em algum ponto desaparece completamente; esse desaparecimento ocorre quando atinge o ângulo de incidência, que corresponde ao ângulo de refração de 90 0. Nesta situação, o feixe refratado OA deveria ter ido paralelo à superfície da água, mas não sobrou nada - toda a energia do feixe incidente SO foi inteiramente para o feixe refletido OB. Naturalmente, com um aumento adicional no ângulo de incidência, o feixe refratado estará ausente. O fenômeno descrito é a reflexão interna total, ou seja, um meio óptico mais denso nos ângulos considerados não emite raios de si mesmo, todos são refletidos em seu interior. O ângulo em que esse fenômeno ocorre é chamado ângulo limite de reflexão interna total.

O valor do ângulo limite pode ser facilmente encontrado a partir da lei da refração:

= => = arco seno, para água ≈ 49 0

A aplicação mais interessante e popular do fenômeno da reflexão interna total são os chamados guias de ondas, ou fibras ópticas. Este é exatamente o método de envio de sinais utilizado pelas modernas empresas de telecomunicações na Internet.

Obtivemos a lei da refração da luz, introduzimos um novo conceito - índices de refração relativos e absolutos, e também entendemos o fenômeno da reflexão interna total e suas aplicações, como a fibra óptica. Você pode consolidar seu conhecimento analisando os testes e simuladores relevantes na seção de aulas.

Obtenhamos uma prova da lei da refração da luz usando o princípio de Huygens. É importante compreender que a causa da refração é a diferença na velocidade da luz em dois meios diferentes. Denotemos a velocidade da luz no primeiro meio como V 1, e no segundo meio como V 2 (Fig. 8).

Arroz. 8. Prova da lei da refração da luz

Deixe uma onda de luz plana cair em uma interface plana entre dois meios, por exemplo, do ar para a água. A superfície da onda AS é perpendicular aos raios e , a interface entre os meios MN é alcançada primeiro pelo raio, e o raio atinge a mesma superfície após um intervalo de tempo ∆t, que será igual ao caminho SW dividido pela velocidade de luz no primeiro meio.

Portanto, no momento em que a onda secundária no ponto B apenas começa a ser excitada, a onda do ponto A já tem a forma de um hemisfério com raio AD, que é igual à velocidade da luz no segundo meio em ∆ t: AD = ·∆t, ou seja, princípio de Huygens na ação visual. A superfície de onda de uma onda refratada pode ser obtida traçando uma superfície tangente a todas as ondas secundárias no segundo meio, cujos centros estão na interface entre os meios, neste caso este é o plano BD, é o envelope de as ondas secundárias. O ângulo de incidência α do feixe é igual ao ângulo CAB do triângulo ABC, os lados de um desses ângulos são perpendiculares aos lados do outro. Consequentemente, SV será igual à velocidade da luz no primeiro meio por ∆t

CB = ∆t = AB sen α

Por sua vez, o ângulo de refração será igual ao ângulo ABD no triângulo ABD, portanto:

АD = ∆t = АВ sen γ

Dividindo as expressões termo a termo, obtemos:

n é um valor constante que não depende do ângulo de incidência.

Obtivemos a lei da refração da luz, o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para esses dois meios e é igual à razão entre as velocidades da luz nos dois meios dados.

Um vaso cúbico com paredes opacas é posicionado de forma que o olho do observador não veja seu fundo, mas veja completamente a parede do vaso CD. Quanta água deve ser despejada no recipiente para que o observador possa ver um objeto F localizado a uma distância b = 10 cm do ângulo D? Borda do vaso α = 40 cm (Fig. 9).

O que é muito importante na resolução deste problema? Suponha que como o olho não vê o fundo da vasilha, mas vê o ponto extremo da parede lateral, e a vasilha é um cubo, o ângulo de incidência do feixe na superfície da água quando a despejamos será igual a 45 0.

Arroz. 9. Tarefa do Exame de Estado Unificado

O feixe cai no ponto F, isso significa que vemos claramente o objeto, e a linha pontilhada preta mostra o curso do feixe se não houvesse água, ou seja, até o ponto D. Do triângulo NFK, a tangente do ângulo β, a tangente do ângulo de refração, é a razão entre o lado oposto e o adjacente ou, com base na figura, h menos b dividido por h.

tg β = = , h é a altura do líquido que derramamos;

O fenômeno mais intenso de reflexão interna total é utilizado em sistemas de fibra óptica.

Arroz. 10. Fibra óptica

Se um feixe de luz for direcionado para a extremidade de um tubo de vidro sólido, depois de múltiplas reflexões internas totais, o feixe sairá do lado oposto do tubo. Acontece que o tubo de vidro é um condutor de onda de luz ou guia de ondas. Isto acontecerá independentemente de o tubo ser reto ou curvo (Figura 10). Os primeiros guias de luz, este é o segundo nome dos guias de onda, eram usados ​​​​para iluminar locais de difícil acesso (durante pesquisas médicas, quando a luz é fornecida a uma extremidade do guia de luz e a outra extremidade ilumina o local desejado). A principal aplicação é a medicina, detecção de falhas em motores, mas esses guias de ondas são mais amplamente utilizados em sistemas de transmissão de informações. A frequência portadora ao transmitir um sinal por uma onda de luz é um milhão de vezes maior que a frequência de um sinal de rádio, o que significa que a quantidade de informação que podemos transmitir por meio de uma onda de luz é milhões de vezes maior que a quantidade de informação transmitida por ondas de rádio. Esta é uma ótima oportunidade para transmitir uma riqueza de informações de uma forma simples e barata. Normalmente, as informações são transmitidas através de um cabo de fibra usando radiação laser. A fibra óptica é indispensável para a transmissão rápida e de alta qualidade de um sinal de computador contendo uma grande quantidade de informações transmitidas. E a base de tudo isso é um fenômeno tão simples e comum como a refração da luz.

Bibliografia

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Física (nível básico) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Física 10º ano. - M.: Mnemósine, 2014.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Física - 9, Moscou, Educação, 1990.

1. Edu.glavsprav.ru().
2. Nvtc.ee().
3. Raal100.narod.ru().
4. Optika.ucoz.ru().

Trabalho de casa

1. Defina a refração da luz.
2. Cite a razão da refração da luz.
3. Cite as aplicações mais populares de reflexão interna total.