Fenomenul de reflexie. Aplicarea fenomenului de reflexie internă totală

Să începem cu puțină fantezie. Imaginează-ți o zi fierbinte de vară î.Hr., un om primitiv vânează pești cu ajutorul unei închisori. Își observă poziția, țintește și lovește din anumite motive, deloc acolo unde peștele era vizibil. Ti-a lipsit? Nu, pescarul are prada în mâini! Chestia este că strămoșul nostru a înțeles intuitiv subiectul pe care îl vom studia acum. V Viata de zi cu zi vedem că o lingură scufundată într-un pahar cu apă pare a fi strâmbă când privim printr-un borcan de sticlă - obiectele par curbate. Toate aceste întrebări le vom lua în considerare în lecția, a cărei temă este: „Refracția luminii. Legea refracției luminii. Reflecție internă completă.”

În lecțiile anterioare, am vorbit despre soarta unei raze în două cazuri: ce se întâmplă dacă o rază de lumină se propagă într-un mediu transparent omogen? Răspunsul corect este că se va răspândi în linie dreaptă. Și ce se va întâmpla când o rază de lumină va cădea pe interfața dintre două medii? În ultima lecție am vorbit despre fasciculul reflectat, astăzi vom lua în considerare acea parte a fasciculului de lumină care este absorbită de mediu.

Care va fi soarta razei care a pătruns din primul mediu optic transparent în al doilea mediu optic transparent?

Orez. 1. Refracția luminii

Dacă o rază cade pe interfața dintre două medii transparente, atunci o parte din energia luminii se întoarce în primul mediu, creând un fascicul reflectat, în timp ce cealaltă parte trece în interior în al doilea mediu și, de regulă, își schimbă direcția.

Se numește schimbarea direcției de propagare a luminii în cazul trecerii acesteia prin interfața dintre două medii refracția luminii(fig. 1).

Orez. 2. Unghiuri de incidenta, refractie si reflexie

În figura 2 vedem o rază incidentă, unghiul de incidență va fi notat cu α. Raza care va stabili direcția fasciculului de lumină refractat se va numi raza refractată. Unghiul dintre perpendiculara pe interfața dintre medii, reconstruit din punctul de incidență, și raza refractată se numește unghi de refracție, în figură este unghiul γ. Pentru a fi complet, oferim și o imagine a razei afișate și, în consecință, unghiul de reflexie β. Care este legătura dintre unghiul de incidență și unghiul de refracție, se poate prezice, cunoscând unghiul de incidență și din ce mediu a trecut fasciculul în care, care va fi unghiul de refracție? Se dovedește că poți!

Să obținem o lege care descrie cantitativ relația dintre unghiul de incidență și unghiul de refracție. Vom folosi principiul Huygens, care reglează propagarea unei unde într-un mediu. Legea este împărțită în două părți.

Raza incidentă, raza refractă și perpendiculara restabilită la punctul de incidență se află în același plan.

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru două medii date și este egal cu raportul vitezelor luminii în aceste medii.

Această lege se numește Legea lui Snell, după omul de știință olandez care a formulat-o primul. Motivul refracției este diferența de viteză a luminii în diferite medii. Este posibil să se verifice validitatea legii refracției prin direcționarea experimentală a unui fascicul de lumină în unghiuri diferite către interfața dintre două medii și măsurarea unghiurilor de incidență și de refracție. Dacă schimbăm aceste unghiuri, măsurăm sinusurile și găsim rapoartele sinusurilor acestor unghiuri, ne vom asigura că legea refracției este cu adevărat adevărată.

Dovada legii refracției folosind principiul lui Huygens este o altă confirmare a naturii ondulatorii a luminii.

Indicele de refracție relativ n21 arată de câte ori viteza luminii V1 în primul mediu diferă de viteza luminii V2 în al doilea mediu.

Indicele de refracție relativ este o demonstrație clară a faptului că motivul schimbării direcției luminii la trecerea de la un mediu la altul este viteza diferită a luminii în cele două medii. Adesea, pentru a caracteriza proprietățile optice ale unui mediu, se folosește conceptul de „densitate optică a unui mediu” (Fig. 3).

Orez. 3. Densitatea optică a mediului (α> γ)

Dacă o rază trece de la un mediu cu o viteză mai mare a luminii la un mediu cu o viteză mai mică a luminii, atunci, după cum se poate observa din figura 3 și din legea refracției luminii, ea va fi apăsată pe perpendiculară, adică , unghiul de refracție este mai mic decât unghiul de incidență. În acest caz, se spune că fasciculul a trecut de la un mediu optic mai puțin dens la un mediu mai dens din punct de vedere optic. Exemplu: de la aer la apă; de la apă la sticlă.

Este posibilă și situația inversă: viteza luminii în primul mediu este mai mică decât viteza luminii în al doilea mediu (Fig. 4).

Orez. 4. Densitatea optică a mediului (α< γ)

Atunci unghiul de refracție va fi mai mare decât unghiul de incidență și se va spune că o astfel de tranziție se face de la un mediu mai dens optic la un mediu mai puțin dens optic (de la sticlă la apă).

Densitatea optică a celor două medii poate diferi destul de semnificativ, astfel, situația prezentată în fotografie devine posibilă (Fig. 5):

Orez. 5. Diferența de densitate optică a mediilor

Atenție la cât de mult este deplasat capul față de corp, care se află într-un lichid, într-un mediu cu o densitate optică mai mare.

dar rata relativă refracția nu este întotdeauna o caracteristică convenabilă pentru muncă, deoarece depinde de viteza luminii în primul și al doilea mediu, dar pot exista o mulțime de astfel de combinații și combinații de două medii (apă - aer, sticlă - diamant, glicerină - alcool, sticlă - apă și așa mai departe). Tabelele ar fi foarte greoaie, ar fi incomod de a lucra, apoi a fost introdus un mediu absolut, în comparație cu care se compară viteza luminii în alte medii. Vidul a fost ales ca absolut, iar viteza luminii este comparată cu viteza luminii în vid.

Indicele absolut de refracție al mediului n este o cantitate care caracterizează densitate optica mediu și este egală cu raportul vitezei luminii CUîn vid la viteza luminii într-un mediu dat.

Indicele de refracție absolut este mai convenabil pentru lucru, deoarece știm întotdeauna viteza luminii în vid, este egal cu 3 · 10 8 m / s și este o constantă fizică universală.

Indicele de refracție absolut depinde de parametri externi: temperatură, densitate și, de asemenea, de lungimea de undă a luminii, prin urmare, tabelele indică de obicei indicele de refracție mediu pentru un anumit interval de lungimi de undă. Dacă comparăm indicii de refracție ai aerului, apei și sticlei (Fig. 6), vedem că indicele de refracție a aerului este aproape de unitate, așa că îl vom lua ca unitate atunci când rezolvăm probleme.

Orez. 6. Tabelul indicilor absoluti de refracție pentru diferite medii

Nu este greu de obținut o relație între indicii de refracție absolut și relativi ai mediilor.

Indicele de refracție relativ, adică pentru o rază care trece de la mediu unu la mediu doi, este egal cu raportul dintre indicele de refracție absolut din al doilea mediu și indicele de refracție absolut din primul mediu.

De exemplu: = ≈ 1,16

Dacă indicii de refracție absoluti ai două medii sunt practic aceiași, aceasta înseamnă că indicele de refracție relativ la trecerea de la un mediu la altul va fi egal cu unitatea, adică fasciculul luminos nu va fi efectiv refractat. De exemplu, la trecerea de la uleiul de anason la o piatră prețioasă de beril, lumina practic nu se abate, adică se va comporta ca și cum uleiul de anason trece, deoarece au un indice de refracție de 1,56 și, respectiv, 1,57, astfel încât o bijuterie poate fie cum să-l ascundeți într-un lichid, pur și simplu nu va fi vizibil.

Dacă turnăm apă într-un pahar transparent și privim prin peretele de sticlă în lumină, atunci vom vedea o strălucire argintie a suprafeței din cauza fenomenului de reflexie internă totală, despre care vom discuta acum. Un efect interesant poate fi observat atunci când un fascicul de lumină trece de la un mediu optic mai dens la un mediu optic mai puțin dens. Pentru a fi sigur, vom presupune că lumina trece din apă în aer. Să presupunem că în adâncurile rezervorului există o sursă de lumină punctiformă S, care emite raze în toate direcțiile. De exemplu, un scafandru strălucește cu o lanternă.

Raza SO 1 cade pe suprafața apei la cel mai mic unghi, această rază este parțial refractată - raza О 1 А 1 și parțial reflectată înapoi în apă - raza О 1 В 1. Astfel, o parte din energia fasciculului incident este transferată fasciculului refractat, iar restul energiei este transferată fasciculului reflectat.

Orez. 7. Reflexie internă totală

Fasciculul de SO 2, al cărui unghi de incidență este mai mare, este de asemenea împărțit în două fascicule: refractat și reflectat, dar energia fasciculului inițial este distribuită între ele într-un mod diferit: fasciculul de O 2 A 2 refractat va fi mai slab decât fasciculul O 1 A 1, adică va primi o fracțiune mai mică din energie, iar fasciculul reflectat O 2 B 2, în consecință, va fi mai strălucitor decât raza O 1 B 1, adică va primi o mai mare. cota de energie. Pe măsură ce unghiul de incidență crește, același model poate fi urmărit - toate pondere mare energia razei incidente merge către raza reflectată și din ce în ce mai puțin către raza refractă. Fasciculul refractat devine mai estompat și la un moment dat dispare complet, această dispariție apare când se atinge unghiul de incidență, care corespunde unghiului de refracție de 90 0. În această situație, raza refractată OA ar trebui să meargă paralelă cu suprafața apei, dar nu este nimic de mers - toată energia razei incidente SO a mers în întregime către raza reflectată OB. Desigur, cu o creștere suplimentară a unghiului de incidență, raza refractată va fi absentă. Fenomenul descris este o reflexie internă totală, adică un mediu optic mai dens la unghiurile considerate nu emite raze din sine, toate fiind reflectate în interiorul lui. Unghiul la care apare acest fenomen se numește unghiul limitator al reflexiei interne totale.

Valoarea unghiului limitator este ușor de găsit din legea refracției:

= => = arcsin, pentru apă ≈ 49 0

Cea mai interesantă și populară aplicație a fenomenului de reflexie internă totală este așa-numitele ghiduri de undă sau fibra optică. Aceasta este exact metoda de semnalizare folosită de companiile moderne de telecomunicații pe Internet.

Am primit legea refracției luminii, am introdus un nou concept - relativ și indicatori absoluti refracție, precum și a sortat fenomenul de reflexie internă totală și aplicațiile sale, cum ar fi fibra optică. Vă puteți consolida cunoștințele examinând testele și simulatoarele relevante din secțiunea de lecție.

Să obținem o dovadă a legii refracției luminii folosind principiul lui Huygens. Este important să înțelegem că motivul refracției este diferența de viteză a luminii în doi medii diferite... Să desemnăm viteza luminii în primul mediu V 1, iar în al doilea mediu - V 2 (Fig. 8).

Orez. 8. Dovada legii refracției luminii

Lasă o undă de lumină plană să cadă pe o interfață plată între două medii, de exemplu, din aer în apă. Suprafața de undă a AC este perpendiculară pe raze și, interfața dintre mediile MN ajunge mai întâi la rază, iar raza va ajunge la aceeași suprafață după un interval de timp ∆t, care va fi egal cu calea SW împărțită la viteza luminii în primul mediu.

Prin urmare, în momentul în care unda secundară din punctul B tocmai începe să fie excitată, unda din punctul A are deja forma unei emisfere cu raza AD, care este egală cu viteza luminii în al doilea mediu cu ∆ t: AD = ∆t, adică principiul lui Huygens în acțiunea vizuală... Suprafața de undă a undei refractate poate fi obținută prin trasarea unei suprafețe tangente la toate undele secundare din al doilea mediu, ai căror centre se află la interfața dintre medii, în acest caz este planul BD, care este anvelopa lui. undele secundare. Unghiul de incidență α al fasciculului este egal cu unghiul CAB din triunghiul ABC, laturile unuia dintre aceste unghiuri sunt perpendiculare pe laturile celuilalt. Prin urmare, SV va fi egală cu viteza luminii în primul mediu la ∆t

CB = ∆t = AB sin α

La rândul său, unghiul de refracție va fi egal cu unghiul ABD din triunghiul ABD, prin urmare:

АD = ∆t = AB sin γ

Împărțind expresiile la termen, obținem:

n este o constantă care nu depinde de unghiul de incidență.

Am primit legea refracției luminii, sinusul unghiului de incidență față de sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru aceste două medii și egală cu raportul vitezelor luminii în cele două medii.

Un vas cubic cu pereți opaci este amplasat astfel încât ochiul observatorului să nu-și vadă fundul, ci să vadă complet peretele vasului CD. Câtă apă trebuie turnată în vas pentru ca observatorul să poată vedea obiectul F situat la o distanță b = 10 cm de colțul D? Coasta vasului este α = 40 cm (Fig. 9).

Ce este foarte important în rezolvarea acestei probleme? Ghici că, din moment ce ochiul nu vede fundul vasului, ci vede punctul extrem al peretelui lateral, iar vasul este un cub, atunci unghiul de incidență al razei pe suprafața apei, atunci când îl turnăm , va fi egal cu 45 0.

Orez. 9. Sarcina examenului

Raza cade în punctul F, ceea ce înseamnă că putem vedea clar obiectul, iar linia punctată neagră arată traseul razei dacă nu era apă, adică până la punctul D. Din triunghiul NFK, tangenta unghiului β, tangenta unghiului de refracție, este raportul dintre catetul opus față de cel adiacent sau, pe baza figurii, h minus b împărțit la h.

tg β = =, h este înălțimea lichidului pe care l-am turnat;

Cel mai intens fenomen de reflexie internă este folosit în fibre sisteme optice Oh.

Orez. 10. Fibră optică

Dacă un fascicul de lumină este îndreptat către capătul unui tub de sticlă solidă, atunci, după o reflexie internă totală multiplă, fasciculul va pleca cu partea opusă tub. Se pare că tubul de sticlă este un conductor al unei unde luminoase sau al unui ghid de undă. Acest lucru se va întâmpla indiferent dacă tubul este drept sau curbat (Fig. 10). Primele fibre, acesta este al doilea nume de ghiduri de undă, au fost folosite pentru a ilumina locuri greu accesibile (în cercetarea medicală, când lumină este furnizată la un capăt al fibrei, iar celălalt capăt luminează locul dorit). Aplicația principală este medicina, detectarea defectelor motoarelor, cu toate acestea, astfel de ghiduri de undă sunt cele mai utilizate pe scară largă în sistemele de transmisie a informațiilor. Frecvența purtătoare la transmiterea unui semnal printr-o undă luminoasă este de un milion de ori mai mare decât frecvența unui semnal radio, ceea ce înseamnă că cantitatea de informații pe care o putem transmite folosind o undă luminoasă este de milioane de ori mai multa cantitate informatii transmise prin unde radio. Aceasta este o oportunitate excelentă de a transmite cantități uriașe de informații într-un mod simplu și ieftin. De regulă, informațiile despre un cablu de fibră sunt transmise folosind radiatii laser... Fibra optică este indispensabilă pentru transmiterea rapidă și de înaltă calitate a unui semnal de computer care conține o cantitate mare de informații transmise. Și toate acestea se bazează pe un fenomen atât de simplu și comun precum refracția luminii.

Bibliografie

Tikhomirova S.A., Yavorskiy B.M. Fizică ( un nivel de bază al) - M .: Mnemosina, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a 10-a. - M .: Mnemosina, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizica - 9, Moscova, Educație, 1990.

Edu.glavsprav.ru ().
Nvtc.ee ().
Raal100.narod.ru ().
Optika.ucoz.ru ().

Teme pentru acasă

Dați o definiție a refracției luminii.
Care este motivul refracției luminii?
Care sunt unele dintre cele mai populare aplicații pentru reflexia internă totală?

La un anumit unghi de incidență al luminii $ (\ alpha) _ (pad) = (\ alpha) _ (pred) $, care se numește unghi limitator, unghiul de refracție este $ \ frac (\ pi) (2), \ $ în acest caz, raza refractată alunecă peste interfața dintre medii, prin urmare, raza refractată este absentă. Apoi din legea refracției putem scrie că:

Poza 1.

Când reflexie deplină ecuația:

nu are nicio soluție în domeniul valorilor reale ale unghiului de refracție ($ (\ alfa) _ (pr) $). În acest caz, $ cos ((\ alpha) _ (pr)) $ este pur imaginar. Dacă ne întoarcem la formulele Fresnel, atunci este convenabil să le reprezentăm sub forma:

unde unghiul de incidență este notat cu $ \ alpha $ (pentru concizia scrierii), $ n $ este indicele de refracție al mediului în care se propagă lumina.

Observație 1

De remarcat faptul că unda neomogenă nu dispare în al doilea mediu. Deci, dacă $ \ alpha = (\ alpha) _0 = (arcsin \ stânga (n \ dreapta), \ atunci \) $ $ E_ (pr \ bot) = 2E_ (pr \ bot). $ Încălcări ale legii conservării de energie într-un caz dat nr. Deoarece formulele Fresnel sunt valabile pentru un câmp monocromatic, adică pentru un proces în stare staționară. În acest caz, legea conservării energiei cere ca variația medie a energiei în al doilea mediu de-a lungul perioadei să fie egală cu zero. Unda și fracțiunea corespunzătoare de energie pătrund prin interfață în al doilea mediu până la o adâncime mică de ordinul lungimii de undă și se deplasează în ea paralel cu interfața cu o viteză de fază mai mică decât viteza de fază a undei în al doilea mediu. Se întoarce la prima miercuri într-un punct care este decalat față de punctul de intrare.

Pătrunderea undei în al doilea mediu poate fi observată experimental. Intensitatea undei luminoase în al doilea mediu este vizibilă doar la distanțe mai mici decât lungimea de undă. În apropierea interfeței, pe care incide unda de lumină, care suferă o reflexie totală, pe partea celui de-al doilea mediu, se vede strălucirea unui strat subțire dacă în al doilea mediu există o substanță fluorescentă.

Reflexia totală provoacă miraje atunci când suprafața pământului are febră mare... Astfel, reflexia completă a luminii care vine din nori dă impresia că la suprafața asfaltului încălzit sunt bălți.

În reflecția normală, relațiile $ \ frac (E_ (otr \ bot)) (E_ (pad \ bot)) $ și $ \ frac (E_ (otr //)) (E_ (pad //)) $ sunt întotdeauna reale . Când sunt reflectate pe deplin, ele sunt complexe. Aceasta înseamnă că în acest caz faza undei suferă un salt, în timp ce este nenulă sau $\pi $. Dacă unda este polarizată perpendicular pe planul de incidență, atunci putem scrie:

unde $ (\ delta) _ (\ bot) $ este saltul de fază necesar. Echivalând părțile reale și imaginare, avem:

Din expresiile (5) se obține:

În consecință, pentru o undă care este polarizată în planul de incidență, puteți obține:

Salturile de fază de $ (\ delta) _ (//) $ și $ (\ delta) _ (\ bot) $ nu sunt aceleași. Unda reflectată va fi polarizată eliptic.

Aplicarea reflexiei complete

Să presupunem că două medii identice sunt separate printr-un spațiu de aer subțire. O undă luminoasă cade pe ea într-un unghi care este mai mare decât cel limitativ. Se poate dezvolta în așa fel încât să pătrundă în golul de aer ca o undă neomogenă. Dacă grosimea golului este mică, atunci acest val va ajunge la a doua limită a substanței și nu va fi foarte slăbit. După ce a trecut de la golul de aer la substanță, unda se va transforma înapoi într-una omogenă. Un astfel de experiment a fost realizat de Newton. Omul de știință a apăsat o altă prismă pe fața de ipotenuză a unei prisme dreptunghiulare, care a fost lustruită sferic. În acest caz, lumina a trecut în a doua prismă nu numai acolo unde se ating, ci și într-un mic inel în jurul contactului, într-un loc în care grosimea golului este comparabilă cu lungimea de undă. Dacă observațiile au fost efectuate în lumină albă, atunci marginea inelului avea o culoare roșiatică. Este așa cum ar trebui să fie, deoarece adâncimea de penetrare este proporțională cu lungimea de undă (pentru razele roșii este mai mare decât pentru cele albastre). Prin modificarea grosimii golului, puteți modifica intensitatea luminii transmise. Acest fenomen a stat la baza telefonului ușor, care a fost brevetat de Zeiss. În acest dispozitiv, o membrană transparentă acționează ca unul dintre medii, care vibrează sub influența sunetului care cade pe ea. Lumina care trece prin golul de aer își schimbă intensitatea în timp odată cu modificările intensității sunetului. Când lovește fotocelula, generează un curent alternativ care se modifică în funcție de modificările intensității sunetului. Curentul rezultat este amplificat și utilizat în continuare.

Fenomenele de pătrundere a undelor prin goluri subțiri nu sunt specifice opticii. Acest lucru este posibil pentru o undă de orice natură dacă viteza de fază în decalaj este mai mare decât viteza de fază în interior mediu inconjurator. Importanta acest fenomen are în fizica nucleară și atomică.

Fenomenul de reflexie internă totală este utilizat pentru a schimba direcția de propagare a luminii. În acest scop, se folosesc prisme.

Exemplul 1

Exercițiu: Dați un exemplu de fenomen de reflexie comun.

Soluţie:

Se poate da un exemplu. Dacă autostrada este foarte caldă, atunci temperatura aerului este maximă lângă suprafața asfaltului și scade odată cu creșterea distanței față de șosea. Aceasta înseamnă că indicele de refracție al aerului este minim la suprafață și crește odată cu creșterea distanței. Ca rezultat, razele care au un unghi mic față de suprafața autostrăzii sunt reflectate complet. Dacă vă concentrați atenția, când conduceți într-o mașină, pe o porțiune adecvată a suprafeței de drum, puteți vedea mașina mergând cu capul în jos destul de departe în față.

Exemplul 2

Exercițiu: Care este unghiul Brewster pentru un fascicul de lumină care cade pe suprafața cristalului dacă unghiul limitativ de reflexie totală pentru un fascicul dat la interfața aer-cristal este 400?

Soluţie:

\ [(tg (\ alpha) _b) = \ frac (n) (n_v) = n \ stânga (2,2 \ dreapta). \]

Din expresia (2.1) avem:

Înlocuiți partea dreaptă a expresiei (2.3) în formula (2.2), exprimați unghiul dorit:

\ [(\ alpha) _b = arctg \ stânga (\ frac (1) ((sin \ stânga ((\ alpha) _ (pred) \ dreapta) \)) \ dreapta). \]

Să facem calculele:

\ [(\ alpha) _b = arctg \ stânga (\ frac (1) ((sin \ stânga (40 () ^ \ circ \ dreapta) \)) \ dreapta) \ aproximativ 57 () ^ \ circ. \]

Răspuns:$ (\ alpha) _b = 57 () ^ \ circ. $

folosit în așa-numita fibră optică. Fibra optică se referă la ramura opticii care se ocupă cu transmiterea luminii prin fibra optică. Ghidurile de lumină cu fibră optică sunt un sistem de fibre individuale transparente asamblate în mănunchiuri (mănunchiuri). Lumina, care cade în interiorul unei fibre transparente înconjurate de o substanță cu un indice de refracție mai mic, este reflectată de mai multe ori și se propagă de-a lungul fibrei (vezi Fig. 5.3).

1) În medicină și diagnosticul veterinar, fibrele optice sunt utilizate în principal pentru iluminarea cavităților interne și transmiterea imaginilor.

Un exemplu de utilizare a fibrei optice în medicină este endoscop- un dispozitiv special pentru examinarea cavităților interne (stomac, rect etc.). Una dintre varietățile de astfel de dispozitive este fibra gastroscop... Cu ajutorul acestuia, puteți nu numai să inspectați vizual stomacul, ci și să faceți fotografiile necesare în scopul diagnosticării.

2) Cu ajutorul ghidurilor de lumină se transmite și radiația laser către organe interneîn scopul unui efect terapeutic asupra tumorilor.

3) Fibra optică a găsit o largă aplicație în tehnologie. In conexiune cu dezvoltare rapida sisteme de informare v anul trecut a apărut necesitatea transmiterii de înaltă calitate și rapidă a informațiilor prin canale de comunicare. În acest scop, transmisia semnalului este utilizată de un fascicul laser care se propagă de-a lungul ghidurilor de lumină cu fibră optică.

PROPRIETĂȚILE UNDE ALE LUMINII

INTERFERENȚĂ SVETA.

Interferență- una dintre cele mai strălucitoare manifestări ale naturii ondulatorii a luminii. Este interesant și fenomen frumos observat în anumite condiţii când două sau mai multe fascicule de lumină sunt suprapuse. Întâlnim destul de des fenomene de interferență: culorile petelor de ulei de pe asfalt, culoarea geamurilor înghețate, modele de culori bizare pe aripile unor fluturi și gândaci - toate acestea sunt o manifestare a interferenței luminii.

INTERFERENȚA LUMINII- adăugarea în spațiu a două sau mai multe coerent unde luminoase, la care în diferite puncte se obține cresterea sau scaderea amplitudinii valul rezultat.

Coerenţă.

Coerenţă se numește cursul coordonat al mai multor procese oscilatorii sau ondulatorii în timp și spațiu, adică unde cu aceeași frecvență și o diferență de fază constantă în timp.

unde monocromatice ( o singură lungime de undă ) - sunt coerente.

pentru că surse reale nu dau lumina strict monocromatica, apoi undele emise de orice surse de lumina independente mereu incoerent... În sursă, lumina este emisă de atomi, fiecare dintre care emite lumină doar pentru aproximativ 10 -8 s. Numai în acest timp, undele emise de atom au amplitudine și fază de oscilație constante. Dar fii coerent undele pot fi prin împărțirea unui fascicul de lumină emis de la o sursă în 2 unde luminoase și după trecere căi diferite conectați-le din nou. Apoi diferența de fază va fi determinată de diferența de calea undei: at permanent diferenta de faza va fi de asemenea permanent .

CONDIȚIE INTERFERENȚĂ MAXIM :

Dacă diferența de cale optică ∆în vid este un număr par de semi-unde sau (un număr întreg de lungimi de undă)

(4.5)

atunci vor avea loc și oscilațiile excitate în punctul M in aceeasi faza.

CONDIȚIE INTERFERENȚĂ MINIMĂ.

Dacă diferența de cale optică ∆ este egal cu un număr impar de semi-unde

(4.6)

atunci iar oscilaţiile excitate în punctul M vor avea loc în antifază.

Un exemplu tipic și comun de interferență a luminii este filmul de săpun

Aplicarea interferenței - Antireflexie optică: O parte din lumina care trece prin lentilă este reflectată (până la 50% în sisteme optice complexe). Esența metodei antireflex este aceea că suprafețele sistemelor optice sunt acoperite cu pelicule subțiri care creează fenomene de interferență. Grosimea filmului este d = l / 4 din lumina incidentă, apoi lumina reflectată are o diferență de cale, care corespunde unui minim de interferență

DIFRACȚIA LUMINII

Difracţie numit val care se îndoaie în jurul obstacolelor,întâlnite în drumul lor, sau într-un sens mai larg - orice abatere a propagarii undei aproape de obstacole de la simplu.

Capacitatea de a observa difracția depinde de raportul dintre lungimea de undă a luminii și dimensiunea obstacolelor (discontinuități)

Difracţie Fraunhofer pe o rețea de difracție.

Rețeaua de difracție unidimensională - un sistem de fante paralele de lățime egală, situate în același plan și separate prin intervale opace de lățime egală.

Model de difracție totală este rezultatul interferenței reciproce a undelor care vin din toate sloturile - în rețeaua de difracție, are loc interferența cu mai multe fascicule ale fasciculelor de lumină difractate coerente din toate fantele.

Dacă a - latime fiecare crăpătură (MN); b - latimea zonelor opaceîntre crăpături (NC), apoi valoarea d = a +  b numit constanta (perioada) a rețelei de difracție.

unde N 0 este numărul de sloturi pe unitate de lungime.

Diferența de cale ∆ a grinzilor (1-2) și (3-4) este egală cu СF

1. .STARE MINIMA Dacă diferența de cursă CF = (2n + 1) l / 2- este egal cu un număr impar de semilungimi de undă, apoi oscilațiile fasciculelor 1-2 și 3-4 vor trece în antifază și se vor stinge reciproc iluminare:

n = 1,2,3,4 … (4.8)

Să începem cu puțină fantezie. Imaginează-ți o zi fierbinte de vară î.Hr., un om primitiv vânează pești cu ajutorul unei închisori. Își observă poziția, țintește și lovește din anumite motive, deloc acolo unde peștele era vizibil. Ti-a lipsit? Nu, pescarul are prada în mâini! Chestia este că strămoșul nostru a înțeles intuitiv subiectul pe care îl vom studia acum. În viața de zi cu zi, vedem că o lingură scufundată într-un pahar cu apă pare a fi strâmbă atunci când ne uităm printr-un borcan de sticlă - obiectele par curbate. Toate aceste întrebări le vom lua în considerare în lecția, a cărei temă este: „Refracția luminii. Legea refracției luminii. Reflecție internă completă.”

Care va fi soarta razei care a pătruns din primul mediu optic transparent în al doilea mediu optic transparent?

Orez. 1. Refracția luminii

Se numește schimbarea direcției de propagare a luminii în cazul trecerii acesteia prin interfața dintre două medii refracția luminii(fig. 1).

Orez. 2. Unghiuri de incidenta, refractie si reflexie

Raza incidentă, raza refractă și perpendiculara restabilită la punctul de incidență se află în același plan.

Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este o valoare constantă pentru două medii date și este egal cu raportul vitezelor luminii în aceste medii.

Dovada legii refracției folosind principiul lui Huygens este o altă confirmare a naturii ondulatorii a luminii.

Indicele de refracție relativ n21 arată de câte ori viteza luminii V1 în primul mediu diferă de viteza luminii V2 în al doilea mediu.

Orez. 3. Densitatea optică a mediului (α> γ)

Este posibilă și situația inversă: viteza luminii în primul mediu este mai mică decât viteza luminii în al doilea mediu (Fig. 4).

Orez. 4. Densitatea optică a mediului (α< γ)

Densitatea optică a celor două medii poate diferi destul de semnificativ, astfel, situația prezentată în fotografie devine posibilă (Fig. 5):

Orez. 5. Diferența de densitate optică a mediilor

Atenție la cât de mult este deplasat capul față de corp, care se află într-un lichid, într-un mediu cu o densitate optică mai mare.

Cu toate acestea, indicele de refracție relativ nu este întotdeauna o caracteristică convenabilă pentru lucru, deoarece depinde de viteza luminii în primul și al doilea mediu, dar pot exista o mulțime de astfel de combinații și combinații de două medii (apă - aer, sticlă). - diamant, glicerină - alcool, sticlă - apă și așa mai departe). Tabelele ar fi foarte greoaie, ar fi incomod de a lucra, apoi a fost introdus un mediu absolut, în comparație cu care se compară viteza luminii în alte medii. Vidul a fost ales ca absolut, iar viteza luminii este comparată cu viteza luminii în vid.

Indicele absolut de refracție al mediului n este o mărime care caracterizează densitatea optică a mediului și este egală cu raportul vitezei luminii CUîn vid la viteza luminii într-un mediu dat.

Indicele de refracție absolut este mai convenabil pentru lucru, deoarece știm întotdeauna viteza luminii în vid, este egal cu 3 · 10 8 m / s și este o constantă fizică universală.

Orez. 6. Tabelul indicilor absoluti de refracție pentru diferite medii

Nu este greu de obținut o relație între indicii de refracție absolut și relativi ai mediilor.

De exemplu: = ≈ 1,16

Orez. 7. Reflexie internă totală

Fasciculul de SO 2, al cărui unghi de incidență este mai mare, este de asemenea împărțit în două fascicule: refractat și reflectat, dar energia fasciculului inițial este distribuită între ele într-un mod diferit: fasciculul de O 2 A 2 refractat va fi mai slab decât fasciculul O 1 A 1, adică va primi o fracțiune mai mică din energie, iar fasciculul reflectat O 2 B 2, în consecință, va fi mai strălucitor decât raza O 1 B 1, adică va primi o mai mare. cota de energie. Pe măsură ce unghiul de incidență crește, aceeași regularitate poate fi urmărită - o proporție crescândă a energiei razei incidente merge către raza reflectată și din ce în ce mai puțin către raza refractă. Fasciculul refractat devine mai estompat și la un moment dat dispare complet, această dispariție apare când se atinge unghiul de incidență, care corespunde unghiului de refracție de 90 0. În această situație, raza refractată OA ar trebui să meargă paralelă cu suprafața apei, dar nu este nimic de mers - toată energia razei incidente SO a mers în întregime către raza reflectată OB. Desigur, cu o creștere suplimentară a unghiului de incidență, raza refractată va fi absentă. Fenomenul descris este o reflexie internă totală, adică un mediu optic mai dens la unghiurile considerate nu emite raze din sine, toate fiind reflectate în interiorul lui. Unghiul la care apare acest fenomen se numește unghiul limitator al reflexiei interne totale.

Valoarea unghiului limitator este ușor de găsit din legea refracției:

= => = arcsin, pentru apă ≈ 49 0

Am obținut legea refracției luminii, am introdus un nou concept - indici de refracție relativi și absoluti și am rezolvat, de asemenea, fenomenul de reflexie internă totală și aplicațiile sale, cum ar fi fibra optică. Vă puteți consolida cunoștințele examinând testele și simulatoarele relevante din secțiunea de lecție.

Să obținem o dovadă a legii refracției luminii folosind principiul lui Huygens. Este important să înțelegem că motivul refracției este diferența de viteză a luminii în două medii diferite. Să desemnăm viteza luminii în primul mediu V 1, iar în al doilea mediu - V 2 (Fig. 8).

Orez. 8. Dovada legii refracției luminii

CB = ∆t = AB sin α

La rândul său, unghiul de refracție va fi egal cu unghiul ABD din triunghiul ABD, prin urmare:

АD = ∆t = AB sin γ

Împărțind expresiile la termen, obținem:

n este o constantă care nu depinde de unghiul de incidență.

Orez. 9. Sarcina examenului

tg β = =, h este înălțimea lichidului pe care l-am turnat;

Cel mai intens fenomen de reflexie internă totală este utilizat în sistemele cu fibră optică.

Orez. 10. Fibră optică

Dacă un fascicul de lumină este îndreptat către capătul unui tub de sticlă solidă, atunci după o reflexie internă totală multiplă, fasciculul va ieși din partea opusă a tubului. Se pare că tubul de sticlă este un conductor al unei unde luminoase sau al unui ghid de undă. Acest lucru se va întâmpla indiferent dacă tubul este drept sau curbat (Fig. 10). Primele fibre, acesta este al doilea nume de ghiduri de undă, au fost folosite pentru a ilumina locuri greu accesibile (în cercetarea medicală, când lumină este furnizată la un capăt al fibrei, iar celălalt capăt luminează locul dorit). Aplicația principală este medicina, detectarea defectelor motoarelor, cu toate acestea, astfel de ghiduri de undă sunt cele mai utilizate pe scară largă în sistemele de transmisie a informațiilor. Frecvența purtătoare la transmiterea unui semnal printr-o undă luminoasă este de un milion de ori mai mare decât frecvența unui semnal radio, ceea ce înseamnă că cantitatea de informații pe care o putem transmite folosind o undă luminoasă este de milioane de ori mai mare decât cantitatea de informații transmise. prin unde radio. Aceasta este o oportunitate excelentă de a transmite cantități uriașe de informații într-un mod simplu și ieftin. De obicei, informațiile de pe un cablu de fibră sunt transmise folosind radiația laser. Fibra optică este indispensabilă pentru transmiterea rapidă și de înaltă calitate a unui semnal de computer care conține o cantitate mare de informații transmise. Și toate acestea se bazează pe un fenomen atât de simplu și comun precum refracția luminii.

Bibliografie

Tikhomirova S.A., Yavorskiy B.M. Fizică (nivel de bază) - M .: Mnemosina, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a 10-a. - M .: Mnemosina, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizica - 9, Moscova, Educație, 1990.

Edu.glavsprav.ru ().
Nvtc.ee ().
Raal100.narod.ru ().
Optika.ucoz.ru ().

Teme pentru acasă

Dați o definiție a refracției luminii.
Care este motivul refracției luminii?
Care sunt unele dintre cele mai populare aplicații pentru reflexia internă totală?