Что такое предельные углы падения и преломления

Полное отражение света

Урок 28. Физика 11 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Полное отражение света»

На прошлом уроке мы с вами показали, что если пучок света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения. А если наоборот свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. При этом может наблюдаться один очень интересный эффект, о котором ещё писал древнеримский писатель Плиний Старший в своей «Естественной истории», составленной примерно в 77 г. н. э. В одной из книг он рассказывает о ловцах жемчуга, которые перед погружением в воду набирали в рот оливковое масло, а непосредственно уже под водой выпускали его. Растекавшаяся по поверхности моря масляная плёнка, показатель преломления которой больше, чем у воды, резко уменьшала яркость бликов и улучшала условия видимости.

Почему так происходит? Попробуем ответить на этот вопрос с помощью простого опыта. Укрепим в центре оптического диска стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью.

Направим узкий пучок света от осветителя так, чтобы он проходил через выпуклую поверхность (на ней свет не преломляется) и попадал в центр плоской грани прозрачного полуцилиндра. Мы видим, что луч света достигнув внутренней поверхности плоской грани, частично отражается от неё и частично преломляется. При этом отражение и преломление происходят в полном соответствии с законами отражения и преломления.

Попробуем выяснить, куда направится преломлённый луч света, если угол падения увеличить ещё больше? Как видим, преломлённый пучок света исчез и весь свет отражается от границы раздела, то есть мы наблюдаем явление полного внутреннего отражение света.

Отражение света, падающего из оптически более плотной среды на границу с оптически менее плотной средой под углом падения, большим некоторого критического угла, называется полным внутренним отражением.

Угол, при котором возникает полное отражение, называется предельным углом полного отражения.

Он определяется из закона преломления при условии, что угол преломления светового луча равен 90°:

Примерами полного внутреннего отражения в природе являются эффекты миража, например иллюзия мокрой дороги при летней жаре или зеркальная гладь воды в пустыне. Они возникают из-за полного отражения между слоями воздуха с разной температурой.

Яркий блеск многих природных кристаллов, а в особенности — огранённых драгоценных и полудрагоценных камней также объясняется полным внутренним отражением.

Полное внутреннее отражение можно наблюдать и если смотреть из-под воды на поверхность: при определённых углах на границе раздела наблюдается не внешняя часть (то, что в воздухе), а видно зеркальное отражение объектов, которые находятся в воде.

Полное отражение можно наблюдать и в равнобедренной прямоугольной стеклянной призме, которая широко используется в перископах, биноклях и так далее. Рассмотрим ход лучей в такой призме.

Теперь установим призму на одну из её вершин так, как это показано на экране, и направим на неё параллельный пучок света.

Перевернём ещё раз призму и повторим операцию. Не трудно заметить, что при выходе из призмы лучи параллельны падающим.

Но теперь верхний падающий луч выходит из призмы ниже, а нижний — выше. В этом случае призма называется оборо́тной.

Несложное явление полного внутреннего отражения, впервые описанное Иоганном Кеплером в начале XVII века и, казалось бы, прекрасно изученное, сегодня стало объектом пристального внимания. Вначале полное отражение представляло лишь любопытное явление. Но со временем оно привело к революции в области передачи данных. В 1966 году открытие китайского учёного Чарльза Као, проложило дорогу оптическим волокнам, которые используются сегодня в области телевидения и интернет-связи.

Као удалось разработать метод производства сверхчистого оптического волокна, благодаря чему световые сигналы стало возможным передавать без искажений на расстояние до 100 км, по сравнению всего лишь с десятками метров, что было пределом на тот момент.

За «новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи» в 2009 году учёный был удостоен Нобелевской премии по физике.

Оптическое волокно представляет собой стеклянное волокно — световод —цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления.

Если в торец световода направить пучок света, то после многократного полного внутреннего отражения пучок выйдет с противоположной стороны практически без потерь энергии. Это произойдёт независимо от того, прямая это трубка или изогнутая. Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передаётся какой-нибудь элемент изображения.

Несущая частота при передаче сигнала световой волной в миллион раз превышает частоту радиосигнала, это значит, что количество информации, которое мы можем передать при помощи световой волны, в миллионы раз больше количества информации, передающейся радиоволнами. Волоконная оптика незаменима для быстрой и качественной передачи компьютерного сигнала, содержащего большой объём передаваемой информации. А в основе всего этого лежит такое простое и обычное явление, как преломление света.

Для закрепления материала решим с вами задачу. Определите предельный угол полного отражения на границе вещества со стеклом, показатель преломления которого равен 1,5, если известно, что на границе этого вещества с воздухом предельный угол полного отражения равен 35°.

Источник

Физические основы рефрактометрии

Абсолютный показатель преломления среды

где с – скорость распространения света в вакууме; v – скорость его распространения в данной среде.

Относительный показатель преломления сред

где – абсолютные показатели преломления сред.

При переходе света из среды с меньшим показателем преломления (оптически менее плотная среда) в среду с большим показателем преломления (оптически более плотная среда) угол падения луча больше угла преломления (рис. 1, а). Если луч падает на границу раздела сред под наибольшим возможным углом (луч скользит вдоль раздела сред), то он будет преломляться под углом . Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления света следует

, откуда .

Рис. 1.Преломление света

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рис. 1, б). При некотором угле падения i луча угол преломления равен , т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит, весь падающий свет отражается от границы раздела сред (полное отражение). Угол i называется предельным углом полного отражения и обозначается . Так как

, то .

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ – рефрактометрах, используемых при определении чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ и т.д.

5.2. Материал для самоподготовки студентов

1. Дайте понятия и запишите формулы для определения абсолютного и относительного показателей преломления.

2. От чего зависят предельный угол преломления и предельный угол полного отражения? Ответ подтвердите формулой.

3. Опишите явление полного внутреннего отражения.

4. Что называется предельным углом преломления?

5. Какой угол называют предельным углом полного отражения?

6. Начертите ход лучей при распространении света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную.

7. Постройте ход лучей, при переходе света из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления.

8. В чем состоит принцип действия рефрактометра?

9. В каком случае измерение показателя преломления с помощью рефрактометра проводят в отраженном свете?

10. Опишите метод определения показателя преломления жидкости в проходящем свете. Постройте ход лучей в рефрактометре для данного случая.

11. Постройте ход лучей в рефрактометре при определении показателя преломления жидкости в отраженном свете.

1. Относительный показатель преломления это отношение:

а) скорости света в первой среде к скорости света во второй;

б) скорости света в вакууме к скорости света в данной среде;

в) скорости света в данной среде к скорости света в вакууме.

2. При переходе света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную:

а) угол преломления больше угла падения;

б) угол падения равен углу преломления;

в) угол падения больше угла преломления.

3. При переходе света из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления:

а) угол преломления больше угла падения;

б) угол падения равен углу преломления;

в) угол падения больше угла преломления.

4. Явление, вызывающее изменение направления света при переходе его через границу раздела двух сред называется:

а) преломлением света;

б) рефракцией света;

в) интерференцией света.

5. Абсолютный показатель преломления характеризует:

а) оптические свойства среды;

б) свойства границы раздела двух сред;

6. Относительный показатель преломления характеризует:

а) оптические свойства среды;

б) свойства границы раздела двух сред.

7. При полном внутреннем отражении света от границы раздела двух сред угол отражения равен:

8. Предельным углом преломления называется максимальный угол преломления, наблюдаемый при переходе светового луча:

а) из оптически менее плотной среды в оптически более плотную;

б) из оптически более плотной среды в оптически менее плотную;

в) не зависит от плотности среды.

9. Какое из перечисленных оптических явлений лежит в основе действия рефрактометра:

а) дисперсия показателя преломления;

б) преломление света;

в) поляризация света;

г) интерференция света.

11. Какое явление лежит в основе определения концентрации растворов с помощью рефрактометра:

а) оптическая активность раствора;

б) зависимость поглощения света от концентрации раствора;

в) зависимость показателя преломления от концентрации раствора.

12. Граница темного и светлого секторов, наблюдаемая в рефрактометре при измерении прозрачных растворов, соответствует:

а) предельному углу падения;

б) предельному углу преломления;

в) углу полного внутреннего отражения.

13. Граница темного и светлого секторов, наблюдаемая в рефрактометре при измерении поглощающих растворов, соответствует:

а) предельному углу падения;

б) предельному углу преломления;

в) углу полного внутреннего отражения.

14. Концентрацию, каких растворов можно измерить с помощью рефрактометра?:

а) только прозрачных;

б) только поглощающих;

в) оптически активных;

г) любых из указанных.

Задачи для самоподготовки:

Задача 1. Под каким углом должен упасть луч на стекло, показатель преломления которого 1,8, чтобы преломленный луч оказался перпендикулярным отраженному?

Задача 2. Сечение стеклянной призмы имеет форму равностороннего треугольника. Луч падает на одну из граней перпендикулярно к ней. Вычислите угол между этим лучом и лучом, вышедшим из призмы. Показатель преломления стекла равен 1,5.

Задача 3. Луч света падает на стекло под углом 45º. Известно, что угол преломления данного луча равен 20º. Постройте соответствующий чертёж, найдите показатель преломления данного стекла и значение скорости света в нём.

Задача 4. Два разных стекла (с показателями преломления 1,5 и 2,1) сложены вплотную друг к другу. Может ли луч света, пройдя сквозь одно из стёкол, полностью отразиться от второго?

Задача 5. В сосуде кубической форме лежит предмет, расположенный точно в центре дна. Глаз наблюдателя расположен таким образом, что он видит нижний угол сосуда. Чтобы наблюдатель мог увидеть предмет в сосуде, его заполняют некой жидкостью с показателем преломления 1,7. Найдите минимальный уровень этой жидкости.

6. Материалы для разбора с преподавателем и контроля его усвоения:

6.1. Разбор с преподавателем узловых вопросов для освоения темы занятия.

6.2. Демонстрация преподавателем методик практических приемов по теме.

6.3. Материал для контроля усвоения материала:

Вопросы для решения с преподавателем:

1. Законы отражения и преломления света.

2. Абсолютный и относительный показатели преломления, связь между ними.

3. Предельные углы преломления и полного отражения.

4. Устройство рефрактометра.

5. Использование рефрактометра в медико-биологических исследованиях.

Тесты для решения с преподавателем:

1. Допишите недостающие сведения в нижеследующем тексте:

а) При переходе света из ……………………..среды в оптически……………. угол падения больше угла преломления;

б) При переходе света из ……………………..среды в оптически……………. угол преломления больше угла падения;

в) Показатель преломления растворов определяется……………… и ……………..зависит от…………… растворенного вещества.

2. Отметьте на рисунке а) предельный угол преломления и сравните показатели преломления сред .

3. Отметьте на рисунке б) предельный угол полного отражения и сравните показатели преломления сред n₁ и n₂

4. Углом полного внутреннего отражения является определенное значение:

б) угла преломления;

5. Рефрактометр измеряет концентрацию растворов на основе:

а) зависимости поглощения света от концентрации;

б) зависимости показателя преломления растворов от концентрации;

в) оптической активности растворов.

Описание установки

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы 1 и 2, сделанные из одного и того же сорта стекла (рис. 2). Призмы соприкасаются «гипотенузными» гранями, между которыми имеется зазор около 0,1 мм. Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить. Луч света от источника 3 направляется на боковую грань верхней призмы и, преломившись, попадает на гипотенузную грань АВ. Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, падает на грань CD нижней призмы под различными углами от 0 до 90°. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0 до . Пространство внутри этого угла будет освещенным, а вне него – темным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части: темную и светлую. Положение границы света и тени определяется предельным углом преломления, зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Рис. 2.К описанию принципа работы рефрактометра

С помощью этого прибора можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления стекла измерительных призм. Оптическая система рефрактометра изображена на рисунке 3.

Рис. 3.Оптическая система рефрактометра

В рефрактометре используется источник 3 белого света. Вследствие дисперсии при прохождении светом призм 1 и 2 граница света и тени оказывается окрашенной. Во избежание этого перед объективом зрительной трубы помещают компенсатор 4. Он состоит из двух одинаковых призм, каждая из которых склеена из трех призм, обладающих различным показателем преломления. Перемещая призмы компенсатора с помощью специальной рукоятки, добиваются того, чтобы граница света и темноты стала возможно более резкой.

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 6 зрительной трубы. Изображение границы свет–тень рассматривается в окуляр 7 зрительной трубы. Одновременно в окуляр рассматривается шкала 8. Так как предельный угол преломления и предельный угол полного отражения зависят от показателя преломления жидкости, то на шкале рефрактометра сразу нанесены значения этого показателя преломления.

Оптическая система рефрактометра содержит также поворотную призму 5. Она позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно призмам 1 и 2, что делает наблюдение более удобным.

В общей фокальной плоскости объектива и окуляра зрительной трубы помещают стеклянную пластинку, на которую нанесена визирная линия (или крест, образованный тонкими нитями). Перемещением зрительной трубы добиваются совпадения визирной линии с границей свет–тень и по шкале определяют показатель преломления исследуемой жидкости.

Источник

Содержание:

Преломление света:

Почему ложка, опущенная в стакан с водой, кажется нам сломанной на границе воздуха и воды? Что такое оптическая плотность среды? Как ведет себя свет, переходя из одной среды в другую? Обо всем этом вы узнаете из этого параграфа.

Опыты по преломлению света

Проведем такой эксперимент. Направим на поверхность воды в широком сосуде узкий пучок света под некоторым углом к поверхности. Мы заметим, что в точках падения лучи не только отражаются от поверхности воды, но и частично проходят в воду, изменяя при этом свое направление (рис. 3.33).

Изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред называют преломлением света.

Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древнегреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом: почему палка в воде кажется сломанной? А в одном из древнегреческих трактатов описан такой опыт: «Нужно встать так, чтобы плоское кольцо, положенное на дно сосуда, спряталось за его краем.

Потом, не изменяя положения глаз, налить в сосуд воду. Луч света преломится на поверхности воды, и кольцо станет видимым». Аналогичный опыт проиллюстрирован на рис. 3.34.

Причина преломления света

Так почему же свет, переходя из одной среды в другую, изменяет свое направление?

Мы уже знаем, что свет в вакууме распространяется хотя и с огромной, но тем не менее конечной скоростью — около 300 000 км/с. В любой другой среде скорость света меньше, чем в вакууме.

Например, в воде скорость све-та в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в алмаз, его скорость уменьшается еще в 1,8 раза; в воздухе скорость распространения света в 2,4 раза больше, чем в алмазе, и лишь немного ( = 1,0003 раза) меньше скорости света в вакууме. Именно изменение скорости света в случае перехода из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления света.

Принято говорить об оптической плотности среды: чем меньше скорость распространения света в среде, тем большей является оптическая плотность среды.

Так, воздух имеет большую оптическую плотность, чем вакуум, поскольку в воздухе скорость света несколько меньше, чем в вакууме. Оптическая плотность воды меньше, чем оптическая плотность алмаза, поскольку скорость света в воде больше, чем в алмазе.

Чем больше отличаются оптические плотности двух сред, тем более преломляется свет на границе их раздела. Другими словами, чем больше изменяется скорость света на границе раздела двух сред, тем сильнее он преломляется.

Закономерности преломления света

Рассмотрим явление преломления света подробнее. Для этого снова воспользуемся оптической шайбой. Установив в центре диска стеклянный полуцилиндр, направим на него узкий пучок света (рис. 3.35). Часть пучка отразится от поверхности полуцилиндра, а часть пройдет сквозь него, изменив свое направление (преломится).

На схеме по правую сторону луч SO задает направление падающего пучка света, луч ОК — направление отраженного пучка, луч ОВ — направление

Рис. 3.36. Установление закономерности преломления света — углы падения, — углы преломления).

В случае увеличения угла падения света увеличивается и угол его преломления. Если свет падает из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью (из воздуха в стекло) (а), то угол падения больше угла преломления. Если наоборот (из стекла в воздух) (б), то угол преломления больше угла падения преломленного пучка; MN — перпендикуляр, восставленный в точке падения луча SO. Все указанные лучи лежат в одной плоскости — в плоскости поверхности диска.

Угол, образованный преломленным лучом и перпендикуляром к границе деления двух сред, восставленным в точке падения луча, называется углом преломления.

Если теперь увеличить угол падения, то мы увидим, что увеличится и угол преломления. Уменьшая угол падения, мы заметим уменьшение угла преломления (рис. 3.36).

Соотношение значений угла падения и угла преломления в случае перехода пучка света из одной среды в другую зависит от оптической плотности каждой из сред. Если, например, свет падает из воздуха в стекло (рис. 3.36, а), то угол преломления всегда будет меньшим, чем угол падения (). Если же луч света направить из стекла в воздух (рис. 3.36, б),

то угол преломления всегда будет большим, чем угол падения ().

Напомним, что оптическая плотность стекла больше оптической плотности воздуха, и сформулируем закономерности преломления света.

(Следует отметить, что в старших классах, после изучения курса тригонометрии, вы глубже познакомитесь с преломлением света и узнаете о нем на уровне законов.)

Объясняем преломлением света некоторые оптические явления

Когда мы, стоя на берегу водоема, стараемся на глаз определить его глубину, она всегда кажется меньшей, чем есть на самом деле. Это явление объясняется преломлением света (рис. 3.37).

Следствием преломления света в атмосфере Земли является тот факт, что мы видим Солнце и звезды немного выше их реального положения (рис. 3.38). Преломлением света можно объяснить еще много природных явлений: возникновение миражей, радуги и др.

Явление преломления света является основой работы многочисленных оптических устройств (рис. 3.39). С некоторыми из них мы познакомимся в следующих параграфах, с некоторыми — в ходе дальнейшего изучения физики.

Итоги:

Световой пучок, падая на границу раздела двух сред, имеющих разную оптическую плотность, делится на два пучка. Один из них — отраженный — отражается от поверхности, подчиняясь законам отражения света. Второй — преломленный — проходит через границу раздела в другую среду, изменяя свое направление.

Причина преломления света — изменение скорости света в случае перехода из одной среды в другую. Если во время перехода света из одной среды в другую скорость света уменьшилась, то говорят, что свет перешел из среды с меньшей оптической плотностью в среду с большей оптической плотностью, и наоборот.

Преломление света происходит по определенным законам.

Преломление света

Почему ноги человека, зашедшего в воду, кажутся короче (рис. 250)? Дно бассейна мы видим ближе к поверхности, чем есть в действительности. Ложка в стакане на уровне поверхности воды (рис. 251) кажется переломленной. Как объяснить эти явления?

Когда пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, часть его отражается, а часть переходит в другую среду, изменяя свое направление (рис. 252).

Изменение направления распространения света при переходе его через границу раздела двух сред называется преломлением.

Каким законам подчиняется преломление света?

Рассмотрим опыт. В центре оптического диска закрепим стеклянный полудиск (рис. 253), направим на него узкий пучок света (луч 1). Луч 3 — преломленный луч.

Угол между перпендикуляром, проведенным в точку падения к границе раздела двух сред, и преломленным лучом называется углом преломления.

Сравнив углы (см. рис. 253), мы видим, что угол преломления меньше угла падения

Увеличим угол падения (рис. 254). Угол преломления тоже увеличивается, но он по-прежнему меньше угла падения.

Если стекло заменить водой и пустить световой луч и под тем же углом (рис. 255, а), что и на стеклянный полудиск, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле, но меньше угла падения: Сравним скорости света в воздухе, воде и стекле: т. е. стекло оптически более плотная среда, чем вода, а вода — чем воздух. Следовательно, при переходе луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения.

А если луч переходит из воды в воздух?

Из опыта (рис. 255, б) видно, что угол больше угла Значит, если свет переходит из среды оптически более плотной в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отраженного лучей, но и для падающего и преломленного лучей.

Из результатов проведенных опытов следует.

Эти два главных положения выражают суть явления преломления света. Однако, когда луч надает перпендикулярно на границу раздела двух сред он не испытывает преломления, что можно подтвердить опытом (рис. 256).

Главные выводы:

Преломление света на границе разделения двух сред. Закон преломления света

Еще в древние времена люди утверждали, что палка, опущенная в воду, на границе воздух-вода будто сломана. Вынув из воды, она оказывается целой. Так человек впервые столкнулся с явлением преломления света.

Первым это явление начал изучать древнегреческий естествоиспытатель Клеомед (I в. н. э.). Он установил, что луч света, распространяющийся под углом с менее плотной оптической среды в более плотную, например из воздуха в воду, изменяет свое направление, то есть преломляется. Клеомед говорил, что под определенным углом мы не будем видеть предмет, лежащий на дне сосуда (рис. 135), но если налить в сосуд воды, предмет будет видно.

Таким образом, по мнению Клеомеда, благодаря преломлению лучей можно видеть Солнце, зашедшее за горизонт.

Другой древнегреческий ученый Клавдий Птоломей (II в. н. э.) опытным путем определил величину, характеризующую преломление лучей света при переходе их из воздуха в воду, из воздуха в стекло и из воды в стекло.

Опыт 1. Направим луч света на тонкостенный сосуд с подкрашенной водой, который имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Мы видим, что на границе двух сред луч света изменяет свое направление: отражается и преломляется (рис. 136, а).

Изменение направления распространения света при его переходе через границы разделения двух оптически прозрачных сред называют преломлением света.

Выполним чертеж (рис. 136, б). Опыт показывает, что угол отражения света равен углу падения света а, а при переходе луча из воздуха в воду угол преломления света (гамма) меньше угла падения света а. Кроме того, видим, что падающий и преломленный лучи света лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к поверхности разделения двух сред в точку падения света. При переходе луча света из воды в воздух угол преломления света больше угла падения света .

Этот опыт показывает, что при переходе светового луча с одной среды в другую: падающий и преломленный лучи света лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к плоскости разделения двух сред в точку падения луча света; в зависимости от того, с какой среды в какую переходит луч света, угол преломления луча света может быть больше или меньше угла падения света.

Разные среды по-разному преломляют световые лучи. Например, алмаз преломляет лучи света больше, чем вода или стекло.

Среда, преломляющая свет, должна быть прозрачной, то есть такой, чтобы сквозь нее проходили лучи света.

Световые лучи преломляются, поскольку они распространяются в разных средах (телах) с неодинаковой скоростью. В воздухе скорость распространения света больше, чем в воде, в воде больше, чем в стекле.

Опыт 2. Поместим в сосуд с водой специальный источник света, от которого в разные стороны распространяются лучи света (рис. 137). Луч света, падающий перпендикулярно к границе вода-воздух, не преломляется.

Лучи света, падающие под разными углами к поверхности воды, преломляются по-разному. Но есть лучи света, которые вообще не переходят из воды в воздух, а полностью отражаются от ее поверхности. Явление, когда лучи света не выходят из среды и полностью отражаются внутрь, называют полным внутренним отражением света.

Пример №1

Ответ: а) угол падения; б) угол падения; в) угол преломления.

Пример №2

2. В стакан с водой вставили трубку для сока. Как объяснить явление, изображенное на рисунке 145?

Ответ: если смотреть на рисунок, то видим, что трубка для сока кажется сломанной. Это объясняется законами преломления света.

Закон преломления света и показатель преломления

Геометрической оптикой называют раздел оптики, в которой изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей.

Под лучом понимают линию, вдоль которой переносится энергия электромагнитной волны. Условимся изображать оптические лучи графически с помощью геометрических лучей со стрелками. В геометрической оптике волновая природа света не учитывается.

Уже в начальные периоды оптических исследований были экспериментально установлены четыре основных закона геометрической оптики:

В этих законах использовались понятия световой пучок и световой луч, т. е. предполагалось, что пучок и луч бесконечно тонкие.

Световые пучки получают при пропускании светового излучения, идущего от удаленного источника, через отверстие (диафрагму) в экране I (рис. 52). Эксперименты показывают, что если диаметр D гораздо больше длины световой волны и расстояние l от отверстия до экрана велико по сравнению с размером диафрагмы (l D), то выходящий из диафрагмы пучок является параллельным. Для него на не слишком больших расстояниях l от экрана выполняется неравенство

Если же диаметр диафрагмы или размеры предмета оказываются сравнимы с длиной световой волны, то выходящий световой пучок становится расходящимся, свет проникает в область геометрической тени, происходит дифракция света, т. е. проявляется волновой характер светового излучения. Следует отметить, что дифракция будет наблюдаться на очень больших расстояниях от экрана () даже при диаметре светового отверстия .

Таким образом, луч — это направление, перпендикулярное фронту волны, в котором она переносит энергию.

Лучи, выходящие из одной точки, называют расходящимися, а собирающиеся в одной точке, — сходящимися. Примером расходящихся лучей может служить наблюдаемый свет далеких звезд, а примером сходящихся — совокупность лучей, попадающих в зрачок нашего глаза от различных предметов.

Для изучения свойств световых волн необходимо знать как закономерности их распространения в однородной среде, так и закономерности отражения и преломления на границе раздела двух сред.

Рассмотрим процессы, происходящие при падении плоской световой волны на плоскую поверхность раздела однородных изотропных и прозрачных сред при условии, что размеры поверхности раздела намного больше длины волны падающего излучения.

Пусть на плоскую поверхность раздела LM двух сред падает плоская световая волна, фронт которой АВ (рис. 53). Если угол падения а отличен от нуля, то различные точки фронта АВ волны достигнут границы раздела LM не одновременно.

Согласно принципу Гюйгенса точка которой фронт волны достигнет раньше всего (см. рис. 53), станет источником вторичных волн. Вторичные волны будут распространяться со скоростью v и за промежуток времени за который точка фронта , достигнет границы раздела двух сред (точки ), вторичные волны из точки пройдут расстояние Падающая и возникающие вторичные волны распространяются в одной и той же среде, поэтому их скорости одинаковы, и они пройдут одинаковые расстояния

Касательная, проведенная из точки к полуокружности радиусом является огибающей вторичных волн и дает положение фронта волны через промежуток времени . Затем он перемещается в направлении .

Из построения следует, что С учетом определений угла падения и угла отражения находим, что как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Следовательно, угол отражения равен углу падения ( = ). Таким образом, исходя из волновой теории света на основании принципа Гюйгенса получен закон отражения света.

Рассмотрим, что будет происходить во второй среде (рис. 54), считая, что скорость распространения света в ней меньше, чем в первой (

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник