Угол полного отражения зависит. Полное внутреннее отражение

Полное отражение – Класс!ная физика

Угол полного отражения зависит. Полное внутреннее отражение

«Физика – 11 класс»

При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например из воздуха в стекло или воду, υ1 > υ2 и, следовательно, согласно закону преломления показатель преломления n > 1.

Поэтому α > β: в результате преломления луч приближается к нормали к границе раздела сред.

Если же направить луч света в обратном направлении — из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль ранее преломленного луча,

то закон преломления можно записать так:

Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды будет направлен по линии ранее падавшего луча, поэтому α < β, т. е. преломленный луч отклоняется на сей раз от нормали.
По мере увеличения угла α угол преломления β также увеличивается, оставаясь все время больше угла α.

Наконец, при некотором угле падения а значение угла преломления β приблизится к 90°, и преломленный луч будет направлен почти по границе раздела двух сред.
Наибольшему возможному углу преломления β = 90° соответствует угол падения α0.

При α > α0 преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться.

Это явление и называется полным отражением света.

Для наблюдения полного отражения света можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью.

Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска. Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности.

На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается.

Отражение происходит в соответствии с законом отражения, а преломление — в соответствии с законом преломления.

Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка усиливается, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает.

Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90°.

Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела двух сред, доля отраженной энергии составляет почти 100%.

Повернем осветитель, увеличив угол падения до α0.

Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела двух сред, т. е. происходит полное отражение света.

Угол падения α0, соответствующий углу преломления 90°, называют предельным углом полного отражения.
При sin β = 1 формула принимает вид

Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения α0. Для воды (n = 1,33) оно равно 48°35', для стекла (n = 1,5) принимает значение 41°51', а для алмаза (n = 2,42) составляет 24°40'.

Во всех случаях второй средой является воздух.

Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан воду и поднимем его несколько выше уровня глаз.

Поверхность воды, если рассматривать ее снизу сквозь стенку, кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражения света.

Явление полного отражения света используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон — световодов.
Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления.

За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути.
Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения.

Жгуты из волокон используются, например, в медицине для исследования внутренних органов.

Согласно формуле энергия, переносимая волной, а следовательно, и передаваемый объем информации пропорциональны четвертой степени частоты.
Частота же световых волн в 105—106 раз больше частоты радиоволн.
Таким образом, с помощью световых волн можно передавать большой объем информации.

В последнее время волоконная оптика широко используется для быстрой передачи компьютерных сигналов.
По волоконному кабелю передается модулированное лазерное излучение.

Полное отражение света показывает, какие богатые возможности для объяснения явлений распространения света заключены в законе преломления. Вначале полное отражение представляло собой лишь любопытное явление.

Сейчас оно постепенно приводит к революции в способах передачи информации.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Линза»
Назад в раздел «Физика – 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Оптика — Скорость света — Принцип Гюйгенса. Закон отражения света — Закон преломления света — Полное отражение — Линза — Построение изображения в линзе — Формула тонкой линзы. Увеличение линзы — Примеры решения задач.

Геометрическая оптика — Дисперсия света — Интерференция механических волн — Интерференция света — Некоторые применения интерференции — Дифракция механических волн — Дифракция света — Дифракционная решетка — Поперечность световых волн.

Поляризация света — Поперечность световых волн и электромагнитная теория света — Примеры решения задач. Волновая оптика — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_93.html

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ

Угол полного отражения зависит. Полное внутреннее отражение

Авторы: А. Б. Шварцбург

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ (ПВО), от­ра­же­ние элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (в ча­ст­но­сти, све­та) при его па­де­нии на гра­ни­цу двух про­зрач­ных од­но­род­ных сред из сре­ды 1 с бо́льшим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_1$ на сре­ду 2 с мень­шим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_2$.

Этот эф­фект как осо­бый слу­чай пре­лом­ле­ния был от­ме­чен в лу­че­вой оп­ти­ке ещё до воз­ник­но­ве­ния элек­тро­маг­нит­ной тео­рии све­та.

При та­ком па­де­нии на пло­скую сре­ду под уг­лом $γ$ угол пре­лом­ле­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся, и ко­гда он ста­но­вит­ся рав­ным $90°$, пре­лом­ле­ние во вто­рую сре­ду пре­кра­ща­ет­ся, а об­рат­ное от­ра­же­ние в пер­вую сре­ду ста­но­вит­ся пол­ным. Это про­ис­хо­дит при т. н. кри­тич.

уг­ле па­де­ния $γ_{кр}$, оп­ре­де­ляе­мом из со­от­но­ше­ния $\sin γ_{кр}=n_2/n_1$. ПВО со­храня­ет­ся и при $γ\gt γ_{кр}$. При от­ра­же­нии лу­чей, про­хо­дя­щих из стек­ла ($n_1=1,42$) в воз­дух ($n_2=1$), $γ_{кр}≈44°$.

По­хо­жие яв­ле­ния мо­гут воз­ни­кать и в не­од­но­род­ных сре­дах, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ко­то­рых $n$ из­ме­ня­ет­ся внут­ри сре­ды не­пре­рыв­но; в этом слу­чае тра­ек­то­рии лу­чей ус­лож­ня­ют­ся.

Так, ес­ли зна­че­ния $n$ за­ви­сят толь­ко от од­ной ко­ор­ди­на­ты $z (n=n(z))$, то тра­ек­то­рия лу­ча при его рас­про­стра­не­нии в сто­ро­ну умень­ше­ния по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния $n$ ис­крив­ля­ет­ся, от­кло­ня­ясь от на­прав­ле­ния $z$.

В ре­зуль­та­те это­го от­кло­не­ния угол ме­ж­ду лу­чом и на­прав­ле­ни­ем $z$ мо­жет дос­тичь $90°$ в не­ко­то­рой точ­ке по­во­ро­та $z_{пов}$ в глу­би­не сре­ды. В этой точ­ке луч от­ра­жа­ет­ся и на­чи­на­ет дви­же­ние в об­рат­ную сто­ро­ну, ис­крив­ля­ясь и при­бли­жа­ясь к на­прав­ле­нию $z$.

Ес­ли луч па­да­ет на гра­ни­цу сре­ды под уг­лом $γ_0$ и по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния в точ­ке па­де­ния лу­ча на гра­ни­цу сре­ды ра­вен $n_0$, то в точ­ке по­во­ро­та $z_{пов}$ вы­пол­ня­ет­ся ус­ло­вие $n_0\sin \gamma_0=n(z_{пов})$. Т. о., тра­ек­то­рия лу­ча в ус­ло­ви­ях ПВО в рас­смат­ри­вае­мой про­стой мо­де­ли не­од­но­род­ной сре­ды яв­ля­ет­ся сим­мет­рич­ной кри­вой с вер­ши­ной в точ­ке от­ра­же­ния.

В этом про­стом опи­са­нии хо­да лу­чей не учи­ты­ва­ет­ся за­ви­си­мость по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния $n$ от час­то­ты вол­ны $ω:n=n(ω)$, од­на­ко та­кая за­ви­си­мость, на­зы­вае­мая час­тот­ной дис­пер­си­ей све­та, мо­жет ока­зать ре­шаю­щее влия­ние на эф­фект ПВО.

Так, га­зо­вая плаз­ма ха­рак­те­ри­зу­ет­ся оп­ре­де­лён­ным зна­че­ни­ем плаз­мен­ной час­то­ты $ω_р$, воз­рас­таю­щим при уве­ли­че­нии кон­цен­тра­ции элек­тро­нов в плаз­ме.

По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния та­кой плаз­мы опи­сы­ва­ет­ся фор­му­лой $n=\sqrt{1-ω_p2/ω2}$; для час­тот, вы­ше плазмен­ной ($ω\gt ω_р$), $n$ яв­ля­ет­ся дей­ст­ви­тель­ной по­ло­жи­тель­ной ве­ли­чи­ной, и плаз­ма для этих волн про­зрач­на.

Для час­тот $ω\lt ω_p$ по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния $n(ω)$ ста­но­вит­ся мни­мой ве­ли­чи­ной, и рас­про­стра­не­ние вол­ны с та­кой час­то­той в плаз­ме не­воз­мож­но. Ес­ли в объ­ё­ме, за­ня­том плаз­мой, час­то­та $ω_p$ не­по­сто­ян­на и за­ви­сит, напр.

, от ко­ор­ди­на­ты $z$, а вол­на рас­про­стра­ня­ет­ся вдоль на­прав­ле­ния $z$ из об­лас­ти, где $ω\gt ω_p$, $n\gt 0$, в сто­ро­ну воз­рас­та­ния $ω_p$, то от­ра­же­ние вол­ны про­ис­хо­дит в точ­ке, где вы­пол­ня­ет­ся ус­ло­вие $ω=ω_p, n=0$. Имен­но та­кой эф­фект обес­пе­чи­ва­ет ПВО ра­дио­волн от ио­но­сфер­ной плаз­мы.

«Лу­че­вая» трак­тов­ка да­ёт ог­ра­ни­чен­ное опи­са­ние ПВО све­та. В рам­ках та­ко­го при­бли­же­ния нель­зя ис­сле­до­вать про­ник­но­ве­ние све­та за точ­ку от­ра­же­ния. Та­кое про­ник­но­ве­ние мож­но ис­сле­до­вать, ис­поль­зуя стро­гую тео­рию элек­т­ро­маг­нит­ных волн.

При ПВО от од­но­род­но­го слоя вол­но­вое по­ле убы­ва­ет экс­по­нен­ци­аль­но на рас­стоя­ни­ях по­ряд­ка дли­ны вол­ны.

Ес­ли тол­щи­на про­зрач­но­го слоя, в ко­то­ром про­ис­хо­дит ПВО, со­из­ме­ри­ма с глу­би­ной про­ник­но­ве­ния вол­но­во­го по­ля, то часть энер­гии вол­ны мо­жет про­со­чить­ся че­рез слой (эф­фект на­ру­шен­но­го пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния, НПВО).

Яв­ле­ния, схо­жие с ПВО и НПВО све­та, при­су­щи вол­но­вым по­лям разл. фи­зич. при­ро­ды, напр. тун­не­ли­ро­ва­ние час­тиц в кван­то­вой ме­ха­ни­ке (см. Тун­нель­ный эф­фект), про­са­чи­ва­ние волн в не­од­но­род­ной плаз­ме. По­хо­жие яв­ле­ния на­блю­да­ют­ся при от­ра­же­нии зву­ка от твёр­до­го те­ла.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/3155244

Закон преломления света и полное внутреннее отражение – Всё для чайников

Угол полного отражения зависит. Полное внутреннее отражение

Подробности Категория: Оптика

Закон преломления света

Наблюдение преломления света.На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т. е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света.

Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров. В этом нас могут убедить простые наблюдения. Положим на дно пустого непрозрачного стакана монету или другой небольшой предмет.

Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается.

Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Установим наклонно карандаш в сосуде с водой.

Если посмотреть на сосуд сбоку, то можно заметить, что часть карандаша, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону (рис. 96).Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света.

Закон преломления света определяет взаимное расположение падающего луча АВ (рис. 97), преломленного DB и перпендикуляра СЕ к поверхности раздела сред, восставленного в точке падения. Угол а называется углом падения, а угол β— углом преломления.

Падающий, отраженный и преломленный лучи нетрудно наблюдать, сделав узкий световой пучок видимым. Ход такого пучка в воздухе можно проследить, если пустить в воздух немного дыма или же поставить экран под небольшим углом к лучу. Преломленный пучок также виден в подкрашенной флюоресцеином воде аквариума (рис. 98).

Вывод закона преломления света. Закон преломления света был установлен опытным путем в XVII веке. Мы его выведем с помощью принципа Гюйгенса.

Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Обозначим скорость волны в первой среде через v1, а во второй — через v2.

Пусть на плоскую границу раздела двух сред (например, из воздуха в воду) падает плоская световая волна (рис. 99). Волновая поверхность АС перпендикулярна лучам А1А и В1В. Поверхности MN сначала достигнет луч А1А. Луч В1В достигнет поверхности спустя время

Поэтому в момент, когда вторичная волна в точке В только начнет возбуждаться, волна от точки А уже имеет вид полусферы радиусом

Волновую поверхность преломленной волны можно получить, проведя поверхность, касательную ко всем вторичным волнам во второй среде, центры которых лежат на границе раздела сред. В данном случае это плоскость BD. Она является огибающей вторичных волн.

Угол падения α луча равен углу САВ в треугольнике АВС (стороны одного из этих углов перпендикулярны сторонам другого). Следовательно,

Угол преломления β равен углу ABD треугольника ABD. Поэтому

Разделив почленно (5.2) на (5.3), получим

где n — постоянная величина, не зависящая от угла падения.Из построения (рис. 99) видно, что падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Данное утверждение совместно с уравнением (5.

4), согласно которому отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред, представляет собой закон преломления света.

Убедиться в справедливости закона преломления можно экспериментально, измеряя углы падения и преломления и вычисляя отношение их синусов при различных углах падения. Это отношение остается неизменным.Показатель преломления.

Постоянная величина, входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой.

Из принципа Гюйгенса не только следует закон преломления, но с помощью этого принципа раскрывается физический смысл показателя преломления. Он равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление:

Если угол преломления β меньше угла падения а, то согласно (5.4) скорость света во второй среде меньше, чем в первой.Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду.

Пользуясь формулой (5.5), можно выразить относительный показатель преломления через абсолютные показатели преломления n1 и n2 первой и второй сред.

Действительно, так как n1=c/v1 и n2=c/v2 , где с – скорость света в вакууме, то

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений.

Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого — меньше, чем для фиолетового.Поэтому в таблицах значений показателей преломления для разных веществ обычно указывается, для какого света приведено данное значение n и в каком состоянии находится среда.

Если таких указаний нет, то это означает, что зависимостью от указанных факторов можно пренебречь.

В большинстве случаев приходится рассматривать переход света через границу воздух — твердое тело или воздух — жидкость, а не через границу вакуум — среда.

Однако абсолютный показатель преломления n2 твердого или жидкого вещества отличается от показателя преломления того же вещества относительно воздуха незначительно.

Так, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно n1≈1,000292. Следовательно,

Значения показателей преломления для некоторых веществ относительно воздуха приведены в таблице 2 (данные относятся к желтому свету).Ход лучей в треугольной призме.

Закон преломления света позволяет рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, например в треугольной призме, изготовленной из стекла или других прозрачных материалов.

На рисунке 100 изображено сечение стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях ОА и ОВ.

Угол φ между этими гранями называют преломляющим углом призмы. Угол 0 отклонения луча зависит от преломляющего угла призмы ф, показателя преломления n материала призмы и угла падения а.

Он может быть вычислен с помощью закона преломления (5.4).

Полное отражение

 При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например из воздуха в стекло или воду, v1 и v2 согласно закону преломления (5.4) показатель преломления    1. Поэтому а>β (рис. 101, а):

преломленный луч приближается к перпендикуляру к границе раздела сред. Если направить луч света в обратном направлении — из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль бывшего преломленного луча (рис. 101, б), то закон преломления запишется так:

Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды пойдет по линии бывшего падающего луча, поэтому аао.

При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При а>a0 преломление света невозможно.

Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света.

Для наблюдения полного отражения можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис. 103).

Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается.

Отражение происходит в соответствии с законом отражения, а преломление — в соответствии с законом преломления (5.4).

Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка растет, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90°.

Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела (см. рис. 102), доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, сделав угол падения а большим ао. Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела, т. е.

происходит полное отражение света.

На рисунке 104 изображен пучок лучей от источника, помещенного в воде недалеко от ее поверхности. Большая интенсивность света показана большей толщиной линии, изображающей соответствующий луч.

Угол падения ао, соответствующий углу преломления 90°, называют предельным углом полного  отражения

При sin β= 1 формула (5.8) при нимает вид

Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения ао. Для воды (n = 1,33) он оказывается равным 48°35', для стекла (n =1,5) он принимает значение 41°51', а для алмаза  (n— 2,42) этот угол составляет 24°40'. Во всех случаях второй средой является воздух.

Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан воду и поднимем его несколько выше уровня глаз. Поверхность воды при рассматривании ее снизу сквозь стенку кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражения света.

Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон — световодов.

Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути (рис. 105). Волокна набираются в жгуты.

При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения (рис. 106). Жгуты из волокон используются, например, в медицине для исследования внутренних органов.

По мере улучшения технологии изготовления длинных пучков волокон— световодов все шире начинает применяться связь (в том числе и телевизионная) с помощью световых лучей.

Трехсантиметровые волны: закон отражения (металл)           

Полное внутреннее отражение            

Искривление луча в неоднородной среде            

Модель световода             

Куб и призма на пути трехсантиметровой волны              

Трехсантиметровые волны: закон отражения (диэлектрик)              

Трехсантиметровые волны: интерференция при отражении (просветление)             

Трехсантиметровые волны: диэлектрическая линза             

Трехсантиметровые волны: диэлектрическая призма             

Решётка — зеркало для трёхсантиметровых волн              

Дециметровые волны: «хорошее» и «плохое» зеркала             

Источник: https://forkettle.ru/vidioteka/estestvoznanie/fizika-dlya-chajnikov/41-optika/1371-polnoe-vnutrennee-otrazhenie

Консультант Кузнецов
Добавить комментарий