Activity

Цифровий перископ

Перед вами - технічна новинка.

Традиційний оптичний канал існуючих перископів замінений відеокамерами високої роздільної здатності та оптоволоконним зв'язком. Інформація з камер зовнішнього спостереження передається як реального часу на широкоформатний дисплей у центральному посту.

Випробування проходять на борту підводного човна SSN 767 Hampton типу Los-Angeles. Нова модель повністю змінює практику роботи з перископом, що складалася десятиліттями. Тепер вахтовий офіцер працює зі встановленими на штанзі камерами, регулюючи відображення на дисплеї за допомогою джойстика та клавіатури.

Крім дисплея в центральному посту зображення з перископа може виводитися на скільки завгодно велика кількість дисплеїв у будь-яких приміщеннях човна. Камери дають можливість спостерігати одночасно за різними секторами горизонту, що значно підвищує швидкість реакції вахти зміни тактичної обстановки лежить на поверхні.

Чим пояснити "гру каміння"? В ювелірній справі ограновування каміння підбирається так, що на кожній грані спостерігається повне відображення світла.

Повним внутрішнім явищем пояснюється явище міражу

Міраж - оптичне явище в атмосфері: відображення світла кордоном між різко різними по теплоті шарами повітря. Для спостерігача таке відбиток у тому, що з віддаленим об'єктом (чи ділянкою неба) видно його уявне зображення, зміщене щодо предмета.

Міражі розрізняють на нижні, видимі під об'єктом, верхні - над об'єктом, і бічні. Верхній міраж спостерігається над холодною земною поверхнею, нижній міраж - над перегрітою рівною поверхнею, часто пустелею або асфальтованою дорогою. Уявне зображення піднебіння створює при цьому ілюзію води на поверхні. Так, дорога, що йде вдалину, в спекотний літній день здається мокрою. Бічний міраж іноді спостерігається біля сильно нагрітих стін або скель.

7. Ультразвук. Отримання та реєстрація ультразвуку на основі зворотного та прямого п'єзоелектричного ефекту.

8. Взаємодія ультразвуку різної частоти та інтенсивності з речовиною. Застосування ультразвуку у медицині.

Електромагнітні коливання та хвилі.

4.Шкала електромагнітних хвиль. Класифікація частотних інтервалів, прийнята у медицині

5.Біологічна дія електромагнітного випромінювання на організм. Електротравматизм.

6. Діатермія. УВЧ-терапія. Індуктотермія. Мікрохвильова терапія.

7.Глибина проникнення неіонізуючих електромагнітних випромінювань у біологічне середовище. Її залежність від частоти. Методи захисту від електромагнітних випромінювань.

Медична оптика

1. Фізична природа світла. Хвильові властивості світла. Довжина світлової хвилі. Фізичні та психофізичні характеристики світла.

2. Відображення та заломлення світла. Повне внутрішнє відбиток. Волоконна оптика, її застосування у медицині.

5. Роздільна здатність і межа роздільної здатності мікроскопа. Шляхи підвищення роздільної здатності.

6. Спеціальні методи мікроскопії. Іммерсійний мікроскоп. Мікроскоп темне поле. Поляризаційний мікроскоп.

Квантова фізика.

2. Лінійчастий діапазон випромінювання атомів. Його пояснення теоретично н.Бора.

3. Хвильові властивості частинок. Гіпотеза де Бройля, її експериментальне обгрунтування.

4. Електронний мікроскоп: принцип дії; роздільна здатність, застосування у медичних дослідженнях.

5. Квантово-механічне пояснення структури атомних та молекулярних спектрів.

6. Люмінесценція, її види. Фотолюмінесценція. Закон Стокс. Хемілюмінесценція.

7. Застосування люмінесценції у медико-біологічних дослідженнях.

8. Фотоелектричний ефект. Ейнштейн рівняння для зовнішнього фотоефекту. Фотодіод. Фотоелектронний помножувач.

9. Властивості лазерного випромінювання. Їх зв'язок із квантовою структурою випромінювання.

10. Когерентне випромінювання. Принципи отримання та відновлення голографічних зображень.

11. Принцип роботи гелій-неонового лазера. Інверсне населення енергетичних рівнів. Виникнення та розвиток фотонних лавин.

12. Застосування лазерів у медицині.

13. Електронний парамагнітний резонанс. Епр у медицині.

14. Ядерний магнітний резонанс. Використання ямри в медицині.

Іонізуючі випромінювання

1. Рентгенівське випромінювання, його діапазон. Гальмівне та характеристичне випромінювання, їх природа.

3. Застосування рентгенівського випромінювання у діагностиці. Рентгеноскопія. Рентгенографія. Флюорографія. Комп'ютерна томографія.

4. Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною: фотопоглинання, когерентне розсіювання, комптонівське розсіювання, утворення пар. Імовірність цих процесів.

5. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду. Період напіврозпаду. Одиниці активності радіоактивних препаратів.

6 Закон ослаблення іонізуючих випромінювань. Коефіцієнт лінійного ослаблення. Товщина шару половинного ослаблення. Масовий коефіцієнт ослаблення.

8. Отримання та застосування радіоактивних препаратів для діагностики та лікування.

9. Методи реєстрації іонізуючого випромінювання: лічильник Гейгера, сцинтиляційний датчик, іонізаційна камера.

10. Дозиметрія. Поняття про поглинуту, експозиційну та еквівалентну дозу та їх потужність. Одиниці їхнього виміру. Позасистемна одиниця – рентген.

Біомеханіка.

1. Другий закон Ньютона. Захист організму від надмірних динамічних навантажень та травматизму.

2. Види деформації. Закон Гука. Коефіцієнт твердості. Модуль пружності. Властивості кісткових тканин.

3. М'язові тканини. Будова та функції м'язового волокна. Перетворення енергії під час м'язового скорочення. ККД м'язового скорочення.

4. Ізотонічний режим роботи м'язів. Статична робота м'язів.

5. Загальна характеристика кровообігу. Швидкість руху крові у судинах. Ударний об'єм крові. Робота та потужність серця.

6. Рівняння Пуазейля. Поняття про гідравлічний опір кровоносних судин та способи впливу на нього.

7. Закони руху рідини. Рівняння нерозривності; його зв'язок із особливостями системи капілярів. Рівняння Бернуллі; його зв'язок із кровопостачанням мозку та нижніх кінцівок.

8. Ламінарний та турбулентний рух рідини. Число Рейнольдса. Вимірювання артеріального тиску методом Короткова.

9. Рівняння Ньютона. Коефіцієнт в'язкості. Кров як неньютонівська рідина. В'язкість крові в нормі та при патологіях.

Біофізика цитомембран та електрогенезу

1. Явище дифузії. Рівняння Фіка.

2. Будова та моделі клітинних мембран

3. Фізичні властивості біологічних мембран

4. Концентраційний елемент та рівняння Нернста.

5. Іонний склад цитоплазми та міжклітинної рідини. Проникність клітинної мембрани для різних іонів. Різниця потенціалів на мембрані клітини.

6. Потенціал спокою клітини. Рівняння Гольдмана-Ходжкіна-Катца

7. Збудливість клітин та тканин. Методи збудження. Закон «усі чи нічого».

8. Потенціал дії: графічний вигляд та характеристики, механізми виникнення та розвитку.

9. Потенціал-залежні іонні канали: будова, властивості, функціонування

10. Механізм та швидкість поширення потенціалу дії з безм'якотного нервового волокна.

11. Механізм та швидкість поширення потенціалу дії з мієлінізованого нервового волокна.

Рецепція біофізики.

1. Класифікація рецепторів.

2. Будова рецепторів.

3. Загальні механізми рецепції. Рецепторні потенціали.

4. Кодування інформації органів почуттів.

5. Особливості світлового та звукового сприйняття. Закон Вебера-Фехнера.

6. Основні характеристики слухового аналізатора. Механізми слухової рецепції.

7. Основні характеристики зорового аналізатора. Механізми зорової рецепції.

Біофізичні аспекти екології.

1. Геомагнітне поле. Природа, біотропні властивості, що у життєдіяльності біосистем.

2. Фізичні чинники, мають екологічну значимість. Рівень природного фону.

Елементи теорії ймовірності та математичної статистики.

Властивості вибіркового середнього

2. Відображення та заломлення світла. Повне внутрішнє відбиток. Волоконна оптика, її застосування у медицині.

З теорії електромагнітного поля, розробленої Дж. Максвеллом, випливало: електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю світла - 300 000 км/с, що хвилі поперечні, як і і світлові хвилі. Максвелл припустив, що світло – це електромагнітна хвиля. Надалі це передбачення знайшло експериментальне підтвердження.

Як і електромагнітні хвилі, поширення світла підпорядковується тим самим законам.

Закон відбиття. Кут падіння дорівнює куту відбиття (?=?). Падаючий промінь АТ, відбитий промінь ВВ та перпендикуляр ОС, відновлений у точці падіння, лежать в одній площині.

Закон заломлення. Промінь падає АТ і заломлений ОВ лежать в одній площині з перпендикуляромCD, проведеним у точці падіння променя до площини розділу двох середовищ. Ставлення синусів кута падіння та кута заломлення у постійно для цих двох середовищ і називається показником заломлення другого середовища по відношенню до першої: .

Закони відображення світла враховуються при побудові зображення предмета в дзеркалах (плоському, увігнутому і опуклому) і виявляються в дзеркальному відображенні в перископах, прожекторах, автомобільних фарах і в багатьох інших технічних пристроях. Закони заломлення світла враховуються при побудові зображення у різних лінзах, призах їх сукупності (мікроскоп, телескоп), а також в оптичних приладах (біноклі, спектральні апарати, фотоапарати та проекційні апарати). Якщо світловий промінь випливає з оптично менш щільного середовища (наприклад, з повітря; n пов. = 1) в оптично більш щільне середовище (наприклад у скло з показником заломлення n ст. = 1,5), то на їх межі відбудеться часткове відображення та часткове заломлення світла.

Звідси випливає, що , тобто синус кута заломлення g менший, ніж синус кута падіння a, в 1,5 рази. А якщо sing

Якщо ж світловий промінь пустити з оптично більш щільного скла оптично менш щільне повітря, то кут заломлення виявиться, навпаки, більше кута падіння, g > a. Для зворотного ходу променя, що обговорюється, закон заломлення:

отже, sing = 1,5 sina; g >a

Ця ситуація ілюструється схемою А малюнку

Якщо кут падіння a збільшити до деякого граничного значення a пр, то кут заломлення g > досягає найбільшого значення g = 90 0 . Заломлений промінь ковзає по межі розділу двох середовищ. При кутах падіння a> a прояв заломлення не відбувається, а замість часткового відображення на межі розділу фаз відбувається повневідображення світла всередину оптично більш щільного середовища, або повне внутрішнє відображення . Це оптичне явище складає основу цілого фізико-технічного спрямування, яке називається волоконна оптика.

У медицині волоконна оптика знайшла застосування у ендоскопах - пристроях для огляду внутрішніх порожнин (наприклад, шлунка). Світловод, що є джгут з великої кількості тонких скляних волокон, поміщених у загальну захисну оболонку, вводиться в досліджувану порожнину. Частина волокон використовується для організації освітлення порожнини джерела світла, розташованого поза тілом пацієнта. Світловод може використовуватися і для передачі у внутрішню порожнину лазерного випромінювання з лікувальною метою.

Повне внутрішнє відбиток відбувається у деяких структурах сітківки ока.

3. Оптична система ока. Недоліки зору, методи їх корекції .

Оптична система ока забезпечує отримання сітківці ока зменшеного дійсного зворотного (перевернутого) зображення. Якщо світлозаломлюючу систему ока розглядати як одну лінзу, то загальна оптична сила цієї системи виходить як сума алгебри наступних чотирьох доданків:

а) Рогівка: D = +42,5 дптр

б) Передня камера: D від +2 до +4 дптр

в) Кришталик: D  const; від +19 до +33 дптр

г) Склоподібне тіло; D від -5 до -6 дптр.

Завдяки тому, що оптична сила кришталика – величина змінна, сумарна оптична сила ока лежить у межах від 49 до 73 дптр.

Редуковане око, як єдина лінза, звернений однією стороною - до повітря, (абсолютний показник заломлення nповітря = 1), а інший - стикається з рідиною, nж = 1,336. Так що лівий та правий фокусні відстані не однакові; якщо передня фокусна відстань у середньому F1 = 17 мм, то задня - F2 = 23 мм. Оптичний центр системи – у глибині ока на відстані 7,5 мм від зовнішньої поверхні рогівки.

Основний заломлюючий елемент цієї системи – рогівка – має не сферичну, а складнішу форму заломлюючих поверхонь, і це – гарний удар по сферичній аберації.

Кришталик змінює свою оптичну силу при скороченні чи розслабленні циріальних м'язів; цим досягається акомодація ока - його пристосування до фокусування зображення на сітківці як для розгляду віддалених, і близьких предметів. Необхідна напруга цих м'язів дає інформацію про відстань до предмета, що розглядається, навіть якщо ми розглядаємо його одним оком. Загальна кількість світла, що надходить у око, регулюється райдужною оболонкою. Вона може бути різною за кольором, і тому люди бувають блакитноокі, кароокі і т.п. Вона керується парою м'язів. Є м'яз, що звужує зіниці (циркулярний м'яз), є м'яз, що його розширює (радіальний м'яз).

Розглянемо далі особливості будови сітківки. Її призначення - перетворити оптичне зображення, отримане її поверхні, в потоки електричних нервових імпульсів, що у мозок. Ці перетворення здійснюються клітинами-фоторецепторами двох типів, що отримали, у зв'язку з особливостями своєї форми, назву колб і паличок.

Колбочки-фоторецептори денного зору. Забезпечують колірний зір. Палички – рецептори сутінкового зору. Кожне око людини містить приблизно 125*106 паличок та 5*106 колб, разом 130*106 фоторецепторів. Колбочки та палички розподілені по сітківці дуже нерівномірно: на периферії розміщені тільки палички, чим ближче до області жовтої плями, тим більше зустрічається колб; у жовтій плямі розміщені лише колбочки та їх щільність (кількість на одиницю площі) дуже велика, так що тут ці клітини навіть «виготовляються» у малогабаритному варіанті – вони дрібніші, ніж в інших областях сітківки.

Область жовтої плями сітківки - це область кращого зору. Тут ми фокусуємо зображення предмета, якщо хочемо розглянути цей предмет ретельно.

Щільність «упаковки» колб у жовтій плямі визначає гостроту нашого зору. Щільність ця в середньому така, що на відрізку довжиною 5 мкм уміщаються три колбочки. Для того, щоб око розрізняло дві точки предмета, необхідно, щоб між двома засвіченими колбами неодмінно знаходилася одна не засвічена.

Рефракція (заломлення) світла в оці є нормальною, якщо зображення предмета, яке дається оптичною системою ока, лягає на зовнішні сегменти фоторецепторів, і при цьому м'язи, що управляють кривизною кришталика, розслаблені. Така (нормальна) рефракція називається емметропією.

Відхилення від емметропії аметропія – зустрічається у двох різновидах. Міопія (близорукість) - зображення фокусується не на сітківці, а перед нею, тобто заломлення світла в оці відбувається "занадто добре". Ця надмірність усувається очковими лінзами, що розсіюють (оптична сила негативна).

Гиперметропия (Дальнозоркість) - різновид аметропії, при якій зображення формується за сітківкою. Щоб повернути зображення на сітківку, треба «допомогти» оку лінзою, що збирає очковою (оптична сила позитивна). Говорячи інакше, якщо оптична сила ока недостатня, її можна збільшити додатковим доданком - оптичною силою лінзи, що збирає.

Поява контактних лінз замість класичних окулярів спочатку сприймалося мало не як революція.

При обговоренні можливостей контактної лінзи необхідно взяти до уваги, що відносний показник заломлення першої (по ходу променя) поверхні контактної лінзи фактично дорівнює абсолютному показнику заломлення матеріалу лінзи, а на другій поверхні він дорівнює відношенню абсолютних показників заломлення рогівки і лінзи.

При впровадженні будь-якого винаходу рано чи пізно виявляються як переваги, так і недоліки. Класичні окуляри та контактні лінзи, в їхньому нинішньому вигляді, можна зіставити наступним чином:

Класичні окуляри легко одягати та знімати, але не зручно носити;

Контактні лінзи зручно носити, але не зручно вдягати та знімати.

Лазерна корекція зору - це мікрооперація на зовнішній поверхні рогівки. Нагадаємо, що рогівка - основний світлозаломлюючий елемент оптичної системи ока. Корекція зору досягається зміною кривизни зовнішньої поверхні рогівки. Наприклад, якщо зробити поверхню більш плоскою, (тобто збільшити радіус кривизни R), то згідно з формулою (4) оптична сила цієї поверхні зменшиться.

Серйозні проблеми із зором виникають при відшаруванні сітківки. У таких випадках знайшов застосування метод закріплення сітківки на передбаченому природою місці з допомогою фокусованого лазерного променя. Цей спосіб закріплення подібний до точкового зварювання металів у техніці. Сфокусований промінь створює малу зону підвищеної температури, в якій відбувається «зварювання» біологічних тканин (у прямому та переносному значенні).

Ретиналь - одна з двох основних компонентів родопсину - це альдегід вітаміну А. З урахуванням того, що зовнішні сегменти фоторецепторів постійно оновлюються, повноцінне забезпечення організму вітаміном А відповідає інтересам підтримки зорової системи в хорошому стані.

4 . Оптичний мікроскоп. Хід променів у мікроскопі. Корисне збільшення мікроскопа.

Мікроскоп - прилад, призначений для отримання збільшених зображень, а також вимірювання об'єктів або деталей структури, невидимих ​​або погано видимих ​​неозброєним оком. Являє собою сукупність лінз.

Сукупність технологій виготовлення та практичного використання мікроскопів називають мікроскопією., У мікроскопі розрізняють механічну та оптичну частини. Механічна частина представлена ​​штативом (що складається з основи та тубусоутримувача) та укріпленим на ньому тубусом з револьвером для кріплення та зміни об'єктивів. До механічної частини відносяться також: предметний столик для препарату, пристосування для кріплення конденсора та світлофільтрів, вбудовані в штатив механізми для грубого (макромеханізм, макрогвинт) та тонкого (мікромеханізм, мікрогвинт) переміщення предметного столика або тубусоутримувача.

Оптична частина представлена ​​об'єктивами, окулярами та освітлювальною системою, яка у свою чергу складається з розташованих під предметним столиком конденсора Аббе та вбудованого освітлювача з низьковольтною лампою розжарювання та трансформатором. Об'єктиви вкручуються в револьвер, а відповідний окуляр, через який спостерігають зображення, встановлюють з протилежного боку тубуса.

До механічної частини відноситься штатив, що складається з основи та тубусоутримувача. Основа служить опорою мікроскопа та несе всю конструкцію штатива. В основі мікроскопа знаходиться гніздо для дзеркала або вбудований освітлювач.

предметний столик, що служить для розміщення препаратів та горизонтального їх переміщення;

вузол для кріплення та вертикального світлофільтрів.

Корисне збільшення - це видиме збільшення, при якому око спостерігача буде повністю використовувати роздільну здатність мікроскопа, тобто роздільна здатність мікроскопа буде така ж, як і роздільна здатність ока Максимальне корисне збільшення мікроскопа, тобто збільшення, з яким виявляються деталі предмета, що розглядається, визначається по формулі

де d1 – максимальна роздільна здатність людського ока, що дорівнює 0,3 мм; d – максимальна роздільна здатність оптичної системи.

"

Для початку трохи пофантазуємо. Уявіть спекотний літній день до нашої ери, первісна людина за допомогою остроги полює на рибу. Помічає її становище, цілиться і завдає удару чомусь зовсім не туди, де було видно рибу. Промахнувся? Ні, в руках у рибалки видобуток! Справа в тому, що наш предок інтуїтивно розбирався в темі, яку ми вивчатимемо зараз. У повсякденному житті ми бачимо, що ложка, опущена в склянку з водою, здається кривою, коли дивимося через скляну банку - предмети здаються викривленими. Всі ці питання ми розглянемо на уроці, тема якого: «Проломлення світла. Закон заломлення світла. Повне внутрішнє відображення».

На попередніх уроках ми говорили про долю променя у двох випадках: що буде, якщо промінь світла поширюється у прозоро однорідному середовищі? Правильна відповідь - вона поширюватиметься прямолінійно. А що буде, коли промінь світла падає на межу поділу двох середовищ? Минулого уроку ми говорили про відбитому промені, сьогодні ми розглянемо ту частину світлового пучка, яка поглинається середовищем.

Якою ж буде доля променя, що проникла з першого оптично прозорого середовища, у друге оптично прозоре середовище?

Мал. 1. Заломлення світла

Якщо промінь падає на межу розділу двох прозорих середовищ, то частина світлової енергії повертається в перше середовище, створюючи відбитий пучок, а інша частина проходить всередину в друге середовище і при цьому, як правило, змінює свій напрямок.

Зміна напряму поширення світла у разі його проходження через кордон розділу двох середовищ називають заломленням світла(Рис. 1).

Мал. 2. Кути падіння, заломлення та відображення

На малюнку 2 ми бачимо промінь, що падає, кут падання позначимо α. Промінь, який задаватиме напрямок заломленого пучка світла, називатимемо заломленим променем. Кут між перпендикуляром до межі розділу середовищ, відновленим з точки падіння, та заломленим променем називають кутом заломлення, на малюнку це кут γ. Для повноти картини дамо ще зображення відображеного променя і, відповідно, кута відбиття β. Який зв'язок між кутом падіння і кутом заломлення, чи можна передбачити, знаючи кут падіння і те, з якого середовища в яке перейшов промінь, яким буде кут заломлення? Виявляється, можна!

Отримаємо закон, який кількісно описує залежність між кутом падіння і кутом заломлення. Скористаємося принципом Гюйгенса, який регламентує поширення хвилі серед. Закон складається із двох частин.

Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, відновлений в точку падіння, лежать в одній площині.

Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для двох даних середовищ і дорівнює відношенню швидкостей світла в цих середовищах.

Цей закон називають законом Снелліуса, на честь голландського вченого, який вперше його сформулював. Причина заломлення - у різниці швидкостей світла у різних середовищах. Переконатися у справедливості закону заломлення можна, експериментально спрямовуючи промінь світла під різними кутами на межу поділу двох середовищ і вимірюючи кути падіння та заломлення. Якщо змінювати ці кути, вимірювати синуси і знаходити відносини синусів цих кутів, ми переконаємося в тому, що закон заломлення справді справедливий.

Докази закону заломлення за допомогою принципу Гюйгенса – ще одне підтвердження хвильової природи світла.

Відносний показник заломлення n 21 показує, скільки разів швидкість світла V 1 в першому середовищі відрізняється від швидкості світла V 2 в другому середовищі.

Відносний показник заломлення - це наочна демонстрація того факту, що причина зміни напрямку світла при переході з одного середовища до іншого - це різна швидкість світла у двох середовищах. Часто характеристики оптичних властивостей середовища користуються поняттям «оптична щільність середовища» (рис. 3).

Мал. 3. Оптична густина середовища (α > γ)

Якщо промінь переходить із середовища з більшою швидкістю світла в середу з меншою швидкістю світла, то, як видно з малюнка 3 і закону заломлення світла, він притискатиметься до перпендикуляра, тобто кут заломлення менше, ніж кут падіння. У цьому випадку кажуть, що промінь перейшов з менш щільного оптичного середовища більш оптично щільне середовище. Приклад: повітря у воду; води в скло.

Можлива і зворотна ситуація: швидкість світла у першому середовищі менша за швидкість світла у другому середовищі (рис. 4).

Мал. 4. Оптична густина середовища (α< γ)

Тоді кут заломлення буде більшим за кут падіння, а про такий перехід скажуть, що він зроблений з оптично більш щільного в менш оптично щільне середовище (зі скла у воду).

Оптична щільність двох середовищ може відрізнятися досить суттєво, таким чином стає можлива ситуація, наведена на фотографії (рис. 5):

Мал. 5. Відмінність оптичної щільності середовищ

Зверніть увагу, наскільки зміщена голова щодо тулуба, що знаходиться в рідині, у середовищі з більшою оптичною щільністю.

Однак відносний показник заломлення - не завжди зручна для роботи характеристика, тому що він залежить від швидкостей світла в першому та другому середовищах, а от таких поєднань і комбінацій двох середовищ може бути дуже багато (вода - повітря, скло - алмаз, гліцерин - спирт , скло - вода і так далі). Таблиці були б дуже громіздкими, працювати було б незручно, і тоді запровадили одне абсолютне середовище, порівняно з яким порівнюють швидкість світла в інших середовищах. Як абсолют був обраний вакуум і швидкості світла порівнюються зі швидкістю світла у вакуумі.

Абсолютний показник заломлення середовища n- це величина, яка характеризує оптичну щільність середовища та дорівнює відношенню швидкості світла Зу вакуумі до швидкості світла у цьому середовищі.

Абсолютний показник заломлення зручніший для роботи, адже ми швидкість світла у вакуумі знаємо завжди, вона дорівнює 3·10 8 м/с і є універсальною фізичною постійною.

Абсолютний показник заломлення залежить від зовнішніх параметрів: температури, щільності, а також довжини хвилі світла, тому в таблицях зазвичай вказують середній показник заломлення для даного діапазону довжин хвиль. Якщо порівняти показники заломлення повітря, води та скла (Рис. 6), то бачимо, що у повітря показник заломлення близький до одиниці, тому ми і його братимемо при вирішенні завдань за одиницю.

Мал. 6. Таблиця абсолютних показників заломлення для різних середовищ

Нескладно отримати зв'язок абсолютного та відносного показника заломлення середовищ.

Відносний показник заломлення , тобто для променя, що переходить із середовища один у середу два, дорівнює відношенню абсолютного показника заломлення у другому середовищі до абсолютного показника заломлення у першому середовищі.

Наприклад: = ≈ 1,16

Якщо абсолютні показники заломлення двох середовищ практично однакові, це означає, що відносний показник заломлення при переході з одного середовища в інше дорівнюватиме одиниці, тобто промінь світла фактично не буде переломлюватися. Наприклад, при переході з анісової олії в дорогоцінний камінь берил світло практично не відхилиться, тобто поводитиметься так, як при проходженні анісової олії, оскільки показник заломлення у них 1,56 і 1,57 відповідно, таким чином, дорогоцінний камінь можна як би сховати у рідині, його просто не буде видно.

Якщо налити воду в прозору склянку і подивитися через стінку склянки на світло, ми побачимо сріблястий блиск поверхні внаслідок явища повного внутрішнього відображення, про яке зараз йтиметься. При переході променя світла з більш щільного оптичного середовища менш щільне оптичне середовище може спостерігатися цікавий ефект. Для певності вважатимемо, що світло йде з води у повітря. Припустимо, що в глибині водоймища знаходиться точкове джерело світла S, що випускає промені на всі боки. Наприклад, водолаз світить ліхтариком.

Промінь SО 1 падає на поверхню води під найменшим кутом, цей промінь частково заломлюється - промінь О 1 А 1 і частково відбивається назад у воду - промінь О 1 В 1 . Таким чином, частина енергії падаючого променя передається заломленому променю, а частина енергії, що залишилася - відбитому променю.

Мал. 7. Повне внутрішнє відображення

Промінь SО 2 , чий кут падіння більший, також поділяється на два промені: заломлений і відбитий, але енергія вихідного променя розподіляється між ними вже по-іншому: заломлений промінь О 2 А 2 буде тьмянішим, ніж промінь О 1 А 1 , тобто отримає меншу частку енергії, а відбитий промінь О 2 В 2 відповідно буде яскравіше, ніж промінь О 1 В 1 , тобто отримає велику частку енергії. У міру збільшення кута падіння простежується все та ж закономірність - все більша частка енергії падаючого променя дістається відбитому променю і менша - заломленому променю. Заломлений промінь стає тьмянішим і в якийсь момент зникає зовсім, це зникнення відбувається при досягненні кута падіння, якому відповідає кут заломлення 90 0 . У цій ситуації заломлений промінь ОА мав би піти паралельно поверхні води, але йти вже нема чому - вся енергія падаючого променя SО цілком дісталася відбитому променю ВВ. Природно, що при подальшому збільшенні кута падіння заломлений промінь відсутній. Описане явище і є повне внутрішнє відображення, тобто щільніше оптичне середовище при розглянутих кутах не випускає із себе промені, всі вони відбиваються всередину неї. Кут, у якому настає це явище, називається граничним кутом повного внутрішнього відбиття.

Величину граничного кута легко знайти із закону заломлення:

= => = arcsin, для води ≈ 49 0

Найцікавішим та затребуваним застосуванням явища повного внутрішнього відображення є так звані хвилеводи, або волоконна оптика. Це якраз той спосіб подачі сигналів, який використовується сучасними телекомунікаційними компаніями в Інтернеті.

Ми отримали закон заломлення світла, запровадили нове поняття - відносний та абсолютний показники заломлення, а також розібралися з явищем повного внутрішнього відображення та його застосуванням, таким як волоконна оптика. Закріпити знання можна, розібравши відповідні тести та тренажери у розділі уроку.

Отримаємо підтвердження закону заломлення світла з допомогою принципу Гюйгенса. Важливо розуміти, що причина заломлення - це різниця швидкостей світла у двох різних середовищах. Позначимо швидкість світла першому середовищі V 1 , тоді як у другому середовищі - V 2 (рис. 8).

Мал. 8. Доказ закону заломлення світла

Нехай на плоску межу поділу двох середовищ, наприклад, з повітря у воду, падає плоска світлова хвиля. Хвильова поверхня АС перпендикулярна променям і поверхні розділу середовищ МN спочатку досягає промінь , а промінь досягне цієї ж поверхні через проміжок часу ∆t, який буде дорівнює шляху СВ, поділеному на швидкість світла в першому середовищі .

Тому в момент часу, коли вторинна хвиля в точці В тільки почне збуджуватися, хвиля від точки А вже має вигляд напівсфери радіусом АD, що дорівнює швидкості світла в другому середовищі на ∆t: АD = ·∆t, тобто принцип Гюйгенса в наочній дії . Хвильову поверхню заломленої хвилі можна отримати, провівши поверхню, що стосується всіх вторинних хвиль у другому середовищі, центри яких лежать на межі розділу середовищ, в даному випадку це площина ВD, вона є вторинних хвиль, що обгинає. Кут падіння α променя дорівнює куту САВ у трикутнику АВС, сторони одного з цих кутів перпендикулярні сторонам іншого. Отже, СВ дорівнюватиме швидкості світла в першому середовищі на ∆t

СВ = · ∆t = АВ · sin α

У свою чергу, кут заломлення дорівнюватиме куту АВD у трикутнику АВD, тому:

АD = · ∆t = АВ · sin γ

Розділивши почленно вирази один на одного, отримаємо:

n - постійна величина, яка залежить від кута падіння.

Ми отримали закон заломлення світла, синус кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для двох середовищ і рівна відношенню швидкостей світла в двох даних середовищах.

Кубична судина з непрозорими стінками розташована так, що око спостерігача не бачить його дна, але повністю бачить стінку судини CD. Яку кількість води потрібно налити в посудину, щоб спостерігач зміг побачити предмет F, що знаходиться на відстані b = 10 см від кута D? Ребро судини α = 40 см (рис. 9).

Що дуже важливо при вирішенні цього завдання? Здогадатися, що оскільки око не бачить дна судини, але бачить крайню точку бічної стінки, а посудина є кубом, то кут падіння променя на поверхню води, коли ми її наллємо, буде дорівнює 45 0 .

Мал. 9. Завдання ЄДІ

Промінь падає в точку F, це означає, що ми бачимо чітко предмет, а чорним пунктиром зображений хід променя, якби не було води, тобто до точки D. З трикутника NFК тангенс кута β, тангенс кута заломлення - це відношення протилежного катета до прилеглого або, виходячи з малюнка, мінус b, поділене на h.

tg β = = , h – це висота рідини, яку ми налили;

Найбільш інтенсивне явище повного внутрішнього відбиття використовується у волоконних оптичних системах.

Мал. 10. Волоконна оптика

Якщо торець суцільної скляної трубки направити пучок світла, то після багаторазового повного внутрішнього відбиття пучок вийде з протилежного боку трубки. Виходить, що скляна трубка – провідник світлової хвилі чи хвилевід. Це станеться незалежно від того, чи пряма трубка або вигнута (Мал. 10). Перші світловоди, це друга назва хвилеводів, використовувалися для підсвічування важкодоступних місць (під час проведення медичних досліджень, коли світло подається однією кінець світловоду, а другий кінець висвітлює потрібне місце). Основне застосування - це медицина, дефектоскопія двигунів, проте найбільше застосування такі хвилеводи отримали в системах передачі інформації. Несуча частота при передачі сигналу світловою хвилею в мільйон разів перевищує частоту радіосигналу, це означає, що кількість інформації, яку ми можемо передати за допомогою світлової хвилі, в мільйони разів більша за кількість інформації, що передається радіохвилями. Це чудова можливість передачі величезної інформації простим та недорогим способом. Як правило, інформація про волоконний кабель передається за допомогою лазерного випромінювання. Волоконна оптика незамінна для швидкої та якісної передачі комп'ютерного сигналу, що містить великий обсяг інформації, що передається. А в основі цього лежить таке просте і звичайне явище, як заломлення світла.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) – М.: Мнемозіна, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. – К.: Мнемозіна, 2014.
3. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика – 9, Москва, Просвітництво, 1990.

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

Домашнє завдання

1. Дати визначення заломлення світла.
2. Назвіть причину заломлення світла.
3. Назвіть найзатребуваніші застосування повного внутрішнього відображення.

При деякому куті падіння світла $(\alpha)_(pad)=(\alpha)_(pred)$, який називають граничним кутом, Кут заломлення дорівнює $\frac(\pi )(2),\ $при цьому заломлений промінь ковзає по поверхні розділу середовищ, отже, заломлений промінь відсутній. Тоді із закону заломлення можна записати, що:

Малюнок 1.

У разі повного відображення рівняння:

немає рішення у сфері дійсних значень кута заломлення ($(\alpha )_(pr)$). У разі $cos((\alpha )_(pr))$ чисто уявна величина. Якщо звернутися до Формулів Френеля, то їх зручно подати у вигляді:

де кут падіння позначений $ \ alpha $ (для стислості написання), $ n $ - показник заломлення середовища, де світло поширюється.

З формул Френеля видно, що модулі $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ left|E_(otr//)\right|$, що означає, що відображення є "повним".

Зауваження 1

Слід зазначити, що неоднорідна хвиля у другому середовищі не зникає. Так, якщо $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ то\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Порушення закону збереження енергії в даному у разі немає. Так як формули Френеля справедливі для монохроматичного поля, тобто до процесу, що встановився. У такому разі закон збереження енергії вимагає, щоб середня за період зміна енергії в другому середовищі дорівнювала нулю. Хвиля і відповідна частка енергії проникає через межу розділу у друге середовище на невелику глибину порядку довжини хвилі і рухається в ній паралельно межі розділу з фазовою швидкістю, яка менша за фазову швидкість хвилі в другому середовищі. Він повертається в перше середовище в точці, яка зміщена щодо точки входу.

Проникнення хвилі у друге середовище можна спостерігати в експерименті. Інтенсивність світлової хвилі у другому середовищі помітна лише з відстанях менших довжини хвилі. Біля поверхні розділу, на яку падає хвиля світла, яка зазнає повного відображення, на стороні другого середовища можна бачити свічення тонкого шару, якщо в другому середовищі є речовина, що флуоресціює.

Повне відображення викликає виникнення міражів, коли поверхня землі має високу температуру. Так, повне відображення світла, що йде від хмар, призводить до появи враження, що на поверхні нагрітого асфальту знаходяться калюжі.

При звичайному відображенні відношення $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ і $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ завжди речові. За повного відображення вони комплексні. Це означає, що в такому випадку фаза хвилі терпить стрибок, при цьому він відмінний від нуля або $ $ $. Якщо хвиля поляризована перпендикулярно до площини падіння, то можна записати:

де $(\delta )_(\bot )$ - шуканий стрибок фази. Прирівняємо речові та уявні частини, маємо:

З виразів (5) отримуємо:

Відповідно, для хвилі, яка поляризована у площині падіння можна отримати:

Стрибки фаз $(\delta )_(//)$ і $(\delta )_(\bot )$ не однакові. Відбита хвиля буде поляризована еліптично.

Застосування повного відображення

Припустимо, що два однакові середовища розділені тонким повітряним проміжком. На нього падає світлова хвиля під кутом, який більший, ніж граничний. Може скластися так, що вона проникне у повітряний проміжок як неоднорідна хвиля. Якщо товщина зазору мала, то ця хвиля досягне другої межі речовини і при цьому буде не дуже ослабленою. Перейшовши з повітряного проміжку на речовину, хвиля перетвориться знову на однорідну. Такий досвід було проведено ще Ньютоном. Вчений притискав до гіпотенузної грані прямокутної призми іншу призму, яка зі шліфована сферично. При цьому світло проходило в другу призму не тільки там, де вони стикаються, але і в невеликому кільці навколо контакту, в місці, де товщина зазору можна порівняти з довгою хвилею. Якщо спостереження проводилися в білому світлі, то край кільця мав червоне забарвлення. Так і має бути, оскільки глибина проникнення пропорційна довжині хвилі (для червоних променів вона більша, ніж для синіх). Змінюючи товщину проміжку, можна змінювати інтенсивність світла, що проходить. Це явище лягло в основу світлового телефону, запатентованого фірмою Цейсс. У цьому пристрої як одне з середовищ виступає прозора мембрана, яка здійснює коливання під дією звуку, що падає на неї. Світло, що проходить крізь повітряний проміжок, змінює інтенсивність такт із змінами сили звуку. Потрапляючи на фотоелемент, він породжує змінний струм, який змінюється відповідно до змін сили звуку. Отриманий струм посилюється та використовується далі.

Явлення проникнення хвиль крізь тонкі проміжки не специфічні оптики. Це можливо для хвилі будь-якої природи, якщо фазова швидкість у проміжку вища, ніж фазова швидкість у навколишньому середовищі. Важливе значення дане явище має у ядерній та атомній фізиці.

Явище повного внутрішнього відбиття використовують зміни напряму поширення світла. З цією метою використовують призми.

Приклад 1

Завдання:Наведіть приклад явища повного відображення, яке часто трапляється.

Рішення:

Можна навести такий приклад. Якщо шосейна дорога сильно нагріта, то температура повітря максимальна біля поверхні асфальту і зменшується зі збільшенням відстані від дороги. Отже, показник заломлення повітря мінімальний біля поверхні і зростає зі збільшенням відстані. Як результат цього, промені, що мають невеликий кут щодо поверхні шосе, зазнають повного відображення. Якщо сконцентрувати свою увагу, при русі в автомобілі, на відповідній ділянці поверхні шосе, то можна побачити машину, що досить далеко їде попереду, в перевернутому вигляді.

Приклад 2

Завдання:Який кут Брюстера для пучка світла, що падає на поверхню кристала, якщо граничний кут повного відбиття для даного пучка на межі розділу повітря - кристал дорівнює 400?

Рішення:

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

З виразу (2.1) маємо:

Підставимо праву частину виразу (2.3) у формулу (2.2), виразимо шуканий кут:

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

Проведемо обчислення:

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

Відповідь:$(\alpha )_b=57()^\circ .$

Для початку трохи пофантазуємо. Уявіть спекотний літній день до нашої ери, первісна людина за допомогою остроги полює на рибу. Помічає її становище, цілиться і завдає удару чомусь зовсім не туди, де було видно рибу. Промахнувся? Ні, в руках у рибалки видобуток! Справа в тому, що наш предок інтуїтивно розбирався в темі, яку ми вивчатимемо зараз. У повсякденному житті ми бачимо, що ложка, опущена в склянку з водою, здається кривою, коли дивимося через скляну банку - предмети здаються викривленими. Всі ці питання ми розглянемо на уроці, тема якого: «Проломлення світла. Закон заломлення світла. Повне внутрішнє відображення».

На попередніх уроках ми говорили про долю променя у двох випадках: що буде, якщо промінь світла поширюється у прозоро однорідному середовищі? Правильна відповідь - вона поширюватиметься прямолінійно. А що буде, коли промінь світла падає на межу поділу двох середовищ? Минулого уроку ми говорили про відбитому промені, сьогодні ми розглянемо ту частину світлового пучка, яка поглинається середовищем.

Якою ж буде доля променя, що проникла з першого оптично прозорого середовища, у друге оптично прозоре середовище?

Мал. 1. Заломлення світла

Якщо промінь падає на межу розділу двох прозорих середовищ, то частина світлової енергії повертається в перше середовище, створюючи відбитий пучок, а інша частина проходить всередину в друге середовище і при цьому, як правило, змінює свій напрямок.

Зміна напряму поширення світла у разі його проходження через кордон розділу двох середовищ називають заломленням світла(Рис. 1).

Мал. 2. Кути падіння, заломлення та відображення

На малюнку 2 ми бачимо промінь, що падає, кут падання позначимо α. Промінь, який задаватиме напрямок заломленого пучка світла, називатимемо заломленим променем. Кут між перпендикуляром до межі розділу середовищ, відновленим з точки падіння, та заломленим променем називають кутом заломлення, на малюнку це кут γ. Для повноти картини дамо ще зображення відображеного променя і, відповідно, кута відбиття β. Який зв'язок між кутом падіння і кутом заломлення, чи можна передбачити, знаючи кут падіння і те, з якого середовища в яке перейшов промінь, яким буде кут заломлення? Виявляється, можна!

Отримаємо закон, який кількісно описує залежність між кутом падіння і кутом заломлення. Скористаємося принципом Гюйгенса, який регламентує поширення хвилі серед. Закон складається із двох частин.

Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр, відновлений в точку падіння, лежать в одній площині.

Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є постійна величина для двох даних середовищ і дорівнює відношенню швидкостей світла в цих середовищах.

Цей закон називають законом Снелліуса, на честь голландського вченого, який вперше його сформулював. Причина заломлення - у різниці швидкостей світла у різних середовищах. Переконатися у справедливості закону заломлення можна, експериментально спрямовуючи промінь світла під різними кутами на межу поділу двох середовищ і вимірюючи кути падіння та заломлення. Якщо змінювати ці кути, вимірювати синуси і знаходити відносини синусів цих кутів, ми переконаємося в тому, що закон заломлення справді справедливий.

Докази закону заломлення за допомогою принципу Гюйгенса – ще одне підтвердження хвильової природи світла.

Відносний показник заломлення n 21 показує, скільки разів швидкість світла V 1 в першому середовищі відрізняється від швидкості світла V 2 в другому середовищі.

Відносний показник заломлення - це наочна демонстрація того факту, що причина зміни напрямку світла при переході з одного середовища до іншого - це різна швидкість світла у двох середовищах. Часто характеристики оптичних властивостей середовища користуються поняттям «оптична щільність середовища» (рис. 3).

Мал. 3. Оптична густина середовища (α > γ)

Якщо промінь переходить із середовища з більшою швидкістю світла в середу з меншою швидкістю світла, то, як видно з малюнка 3 і закону заломлення світла, він притискатиметься до перпендикуляра, тобто кут заломлення менше, ніж кут падіння. У цьому випадку кажуть, що промінь перейшов з менш щільного оптичного середовища більш оптично щільне середовище. Приклад: повітря у воду; води в скло.

Можлива і зворотна ситуація: швидкість світла у першому середовищі менша за швидкість світла у другому середовищі (рис. 4).

Мал. 4. Оптична густина середовища (α< γ)

Тоді кут заломлення буде більшим за кут падіння, а про такий перехід скажуть, що він зроблений з оптично більш щільного в менш оптично щільне середовище (зі скла у воду).

Оптична щільність двох середовищ може відрізнятися досить суттєво, таким чином стає можлива ситуація, наведена на фотографії (рис. 5):

Мал. 5. Відмінність оптичної щільності середовищ

Зверніть увагу, наскільки зміщена голова щодо тулуба, що знаходиться в рідині, у середовищі з більшою оптичною щільністю.

Однак відносний показник заломлення - не завжди зручна для роботи характеристика, тому що він залежить від швидкостей світла в першому та другому середовищах, а от таких поєднань і комбінацій двох середовищ може бути дуже багато (вода - повітря, скло - алмаз, гліцерин - спирт , скло - вода і так далі). Таблиці були б дуже громіздкими, працювати було б незручно, і тоді запровадили одне абсолютне середовище, порівняно з яким порівнюють швидкість світла в інших середовищах. Як абсолют був обраний вакуум і швидкості світла порівнюються зі швидкістю світла у вакуумі.

Абсолютний показник заломлення середовища n- це величина, яка характеризує оптичну щільність середовища та дорівнює відношенню швидкості світла Зу вакуумі до швидкості світла у цьому середовищі.

Абсолютний показник заломлення зручніший для роботи, адже ми швидкість світла у вакуумі знаємо завжди, вона дорівнює 3·10 8 м/с і є універсальною фізичною постійною.

Абсолютний показник заломлення залежить від зовнішніх параметрів: температури, щільності, а також довжини хвилі світла, тому в таблицях зазвичай вказують середній показник заломлення для даного діапазону довжин хвиль. Якщо порівняти показники заломлення повітря, води та скла (Рис. 6), то бачимо, що у повітря показник заломлення близький до одиниці, тому ми і його братимемо при вирішенні завдань за одиницю.

Мал. 6. Таблиця абсолютних показників заломлення для різних середовищ

Нескладно отримати зв'язок абсолютного та відносного показника заломлення середовищ.

Відносний показник заломлення , тобто для променя, що переходить із середовища один у середу два, дорівнює відношенню абсолютного показника заломлення у другому середовищі до абсолютного показника заломлення у першому середовищі.

Наприклад: = ≈ 1,16

Якщо абсолютні показники заломлення двох середовищ практично однакові, це означає, що відносний показник заломлення при переході з одного середовища в інше дорівнюватиме одиниці, тобто промінь світла фактично не буде переломлюватися. Наприклад, при переході з анісової олії в дорогоцінний камінь берил світло практично не відхилиться, тобто поводитиметься так, як при проходженні анісової олії, оскільки показник заломлення у них 1,56 і 1,57 відповідно, таким чином, дорогоцінний камінь можна як би сховати у рідині, його просто не буде видно.

Якщо налити воду в прозору склянку і подивитися через стінку склянки на світло, ми побачимо сріблястий блиск поверхні внаслідок явища повного внутрішнього відображення, про яке зараз йтиметься. При переході променя світла з більш щільного оптичного середовища менш щільне оптичне середовище може спостерігатися цікавий ефект. Для певності вважатимемо, що світло йде з води у повітря. Припустимо, що в глибині водоймища знаходиться точкове джерело світла S, що випускає промені на всі боки. Наприклад, водолаз світить ліхтариком.

Промінь SО 1 падає на поверхню води під найменшим кутом, цей промінь частково заломлюється - промінь О 1 А 1 і частково відбивається назад у воду - промінь О 1 В 1 . Таким чином, частина енергії падаючого променя передається заломленому променю, а частина енергії, що залишилася - відбитому променю.

Мал. 7. Повне внутрішнє відображення

Промінь SО 2 , чий кут падіння більший, також поділяється на два промені: заломлений і відбитий, але енергія вихідного променя розподіляється між ними вже по-іншому: заломлений промінь О 2 А 2 буде тьмянішим, ніж промінь О 1 А 1 , тобто отримає меншу частку енергії, а відбитий промінь О 2 В 2 відповідно буде яскравіше, ніж промінь О 1 В 1 , тобто отримає велику частку енергії. У міру збільшення кута падіння простежується все та ж закономірність - все більша частка енергії падаючого променя дістається відбитому променю і менша - заломленому променю. Заломлений промінь стає тьмянішим і в якийсь момент зникає зовсім, це зникнення відбувається при досягненні кута падіння, якому відповідає кут заломлення 90 0 . У цій ситуації заломлений промінь ОА мав би піти паралельно поверхні води, але йти вже нема чому - вся енергія падаючого променя SО цілком дісталася відбитому променю ВВ. Природно, що при подальшому збільшенні кута падіння заломлений промінь відсутній. Описане явище і є повне внутрішнє відображення, тобто щільніше оптичне середовище при розглянутих кутах не випускає із себе промені, всі вони відбиваються всередину неї. Кут, у якому настає це явище, називається граничним кутом повного внутрішнього відбиття.

Величину граничного кута легко знайти із закону заломлення:

= => = arcsin, для води ≈ 49 0

Найцікавішим та затребуваним застосуванням явища повного внутрішнього відображення є так звані хвилеводи, або волоконна оптика. Це якраз той спосіб подачі сигналів, який використовується сучасними телекомунікаційними компаніями в Інтернеті.

Ми отримали закон заломлення світла, запровадили нове поняття - відносний та абсолютний показники заломлення, а також розібралися з явищем повного внутрішнього відображення та його застосуванням, таким як волоконна оптика. Закріпити знання можна, розібравши відповідні тести та тренажери у розділі уроку.

Отримаємо підтвердження закону заломлення світла з допомогою принципу Гюйгенса. Важливо розуміти, що причина заломлення - це різниця швидкостей світла у двох різних середовищах. Позначимо швидкість світла першому середовищі V 1 , тоді як у другому середовищі - V 2 (рис. 8).

Мал. 8. Доказ закону заломлення світла

Нехай на плоску межу поділу двох середовищ, наприклад, з повітря у воду, падає плоска світлова хвиля. Хвильова поверхня АС перпендикулярна променям і поверхні розділу середовищ МN спочатку досягає промінь , а промінь досягне цієї ж поверхні через проміжок часу ∆t, який буде дорівнює шляху СВ, поділеному на швидкість світла в першому середовищі .

Тому в момент часу, коли вторинна хвиля в точці В тільки почне збуджуватися, хвиля від точки А вже має вигляд напівсфери радіусом АD, що дорівнює швидкості світла в другому середовищі на ∆t: АD = ·∆t, тобто принцип Гюйгенса в наочній дії . Хвильову поверхню заломленої хвилі можна отримати, провівши поверхню, що стосується всіх вторинних хвиль у другому середовищі, центри яких лежать на межі розділу середовищ, в даному випадку це площина ВD, вона є вторинних хвиль, що обгинає. Кут падіння α променя дорівнює куту САВ у трикутнику АВС, сторони одного з цих кутів перпендикулярні сторонам іншого. Отже, СВ дорівнюватиме швидкості світла в першому середовищі на ∆t

СВ = · ∆t = АВ · sin α

У свою чергу, кут заломлення дорівнюватиме куту АВD у трикутнику АВD, тому:

АD = · ∆t = АВ · sin γ

Розділивши почленно вирази один на одного, отримаємо:

n - постійна величина, яка залежить від кута падіння.

Ми отримали закон заломлення світла, синус кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для двох середовищ і рівна відношенню швидкостей світла в двох даних середовищах.

Кубична судина з непрозорими стінками розташована так, що око спостерігача не бачить його дна, але повністю бачить стінку судини CD. Яку кількість води потрібно налити в посудину, щоб спостерігач зміг побачити предмет F, що знаходиться на відстані b = 10 см від кута D? Ребро судини α = 40 см (рис. 9).

Що дуже важливо при вирішенні цього завдання? Здогадатися, що оскільки око не бачить дна судини, але бачить крайню точку бічної стінки, а посудина є кубом, то кут падіння променя на поверхню води, коли ми її наллємо, буде дорівнює 45 0 .

Мал. 9. Завдання ЄДІ

Промінь падає в точку F, це означає, що ми бачимо чітко предмет, а чорним пунктиром зображений хід променя, якби не було води, тобто до точки D. З трикутника NFК тангенс кута β, тангенс кута заломлення - це відношення протилежного катета до прилеглого або, виходячи з малюнка, мінус b, поділене на h.

tg β = = , h – це висота рідини, яку ми налили;

Найбільш інтенсивне явище повного внутрішнього відбиття використовується у волоконних оптичних системах.

Мал. 10. Волоконна оптика

Якщо торець суцільної скляної трубки направити пучок світла, то після багаторазового повного внутрішнього відбиття пучок вийде з протилежного боку трубки. Виходить, що скляна трубка – провідник світлової хвилі чи хвилевід. Це станеться незалежно від того, чи пряма трубка або вигнута (Мал. 10). Перші світловоди, це друга назва хвилеводів, використовувалися для підсвічування важкодоступних місць (під час проведення медичних досліджень, коли світло подається однією кінець світловоду, а другий кінець висвітлює потрібне місце). Основне застосування - це медицина, дефектоскопія двигунів, проте найбільше застосування такі хвилеводи отримали в системах передачі інформації. Несуча частота при передачі сигналу світловою хвилею в мільйон разів перевищує частоту радіосигналу, це означає, що кількість інформації, яку ми можемо передати за допомогою світлової хвилі, в мільйони разів більша за кількість інформації, що передається радіохвилями. Це чудова можливість передачі величезної інформації простим та недорогим способом. Як правило, інформація про волоконний кабель передається за допомогою лазерного випромінювання. Волоконна оптика незамінна для швидкої та якісної передачі комп'ютерного сигналу, що містить великий обсяг інформації, що передається. А в основі цього лежить таке просте і звичайне явище, як заломлення світла.

Список літератури

1. Тихомирова С.А., Яворський Б.М. Фізика (базовий рівень) – М.: Мнемозіна, 2012.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. – К.: Мнемозіна, 2014.
3. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика – 9, Москва, Просвітництво, 1990.

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

Домашнє завдання

1. Дати визначення заломлення світла.
2. Назвіть причину заломлення світла.
3. Назвіть найзатребуваніші застосування повного внутрішнього відображення.