Optikoje naudojamas visiško šviesos atspindžio reiškinys. Kritinis kampas arba ribinis kampas c ir bendras vidinis atspindys

81 straipsnyje nurodėme, kad kai šviesa patenka į dviejų terpių sąsają, šviesos energija yra padalinta į dvi dalis: viena dalis atsispindi, kita dalis per sąsają prasiskverbia į antrąją terpę. Naudojant šviesos perėjimo iš oro į stiklą pavyzdį, t.y. iš optiškai mažiau tankios terpės į optiškai tankesnę terpę, pamatėme, kad atspindėtos energijos dalis priklauso nuo kritimo kampo. Šiuo atveju atsispindėjusios energijos dalis labai padidėja, kai didėja kritimo kampas; tačiau net esant labai dideliems kritimo kampams, artimiems , kai šviesos spindulys beveik slenka išilgai sąsajos, dalis šviesos energijos vis tiek pereina į antrąją terpę (žr. §81, 4 ir 5 lenteles).

Naujas įdomus reiškinys atsiranda, jei šviesa, sklindanti bet kurioje terpėje, patenka į sąsają tarp šios terpės ir terpės, kuri yra optiškai mažiau tanki, tai yra, turinti mažesnį absoliutų lūžio rodiklį. Čia irgi atspindėtos energijos dalis didėja didėjant kritimo kampui, tačiau didėjimas vyksta pagal kitą dėsnį: pradedant nuo tam tikro kritimo kampo, visa šviesos energija atsispindi nuo sąsajos. Šis reiškinys vadinamas visišku vidiniu atspindžiu.

Dar kartą panagrinėkime, kaip ir §81, šviesos patekimą į stiklo ir oro sąsają. Tegul šviesos spindulys nukrenta nuo stiklo ant sąsajos skirtingais kritimo kampais (186 pav.). Jei matuojame atspindėtos šviesos energijos dalį ir šviesos energijos dalį, praeinančią per sąsają, gauname lentelėje pateiktas vertes. 7 (stiklas, kaip ir 4 lentelėje, turėjo lūžio rodiklį ).

Ryžiai. 186. Bendras vidinis atspindys: spindulių storis atitinka šviesos energijos dalį, įkraunamą arba praleidžiamą per sąsają.

Kritimo kampas, nuo kurio visa šviesos energija atsispindi nuo sąsajos, vadinamas ribiniu viso vidinio atspindžio kampu. Stiklinei, kuriai buvo sudaryta lentelė. 7 (), ribinis kampas yra maždaug .

7 lentelė. Atsispindėjusios energijos dalys įvairiais kritimo kampais, kai šviesa pereina iš stiklo į orą

Kritimo kampas

Lūžio kampas

Atspindimosios energijos procentas (%)

Pastebėkime, kad kai šviesa patenka į sąsają ribiniu kampu, lūžio kampas yra lygus , t.y. formulėje, išreiškiančioje lūžio dėsnį šiuo atveju,

kai turime įdėti arba . Iš čia randame

Esant didesniems kritimo kampams, lūžusio spindulio nėra. Formaliai tai išplaukia iš to, kad esant kritimo kampams, dideliems pagal lūžio dėsnį, gaunamos vertės, didesnės už vienetą, o tai akivaizdžiai neįmanoma.

Lentelėje 8 lentelėje pateikti kai kurių medžiagų, kurių lūžio rodikliai pateikti lentelėje, visuminio vidinio atspindžio ribiniai kampai. 6. Nesunku patikrinti ryšio (84.1) pagrįstumą.

8 lentelė. Ribinis viso vidinio atspindžio kampas ties riba su oru

Medžiaga Anglies disulfidas		Stiklas (sunkus titnagas)
Glicerolis

Visą vidinį atspindį galima stebėti ties oro burbuliukų vandenyje riba. Jie šviečia, nes ant jų krintanti saulės šviesa visiškai atsispindi nepraeinant į burbuliukus. Tai ypač pastebima tuose oro burbuluose, kurie visada yra ant povandeninių augalų stiebų ir lapų ir kurie saulėje atrodo pagaminti iš sidabro, tai yra iš medžiagos, kuri labai gerai atspindi šviesą.

Visiškas vidinis atspindys pritaikomas kuriant besisukančių ir besisukančių stiklo prizmes, kurių veikimas aiškus iš Fig. 187. Prizmės ribinis kampas priklauso nuo tam tikro tipo stiklo lūžio rodiklio; Todėl naudojant tokias prizmes nekyla jokių sunkumų pasirenkant šviesos spindulių įėjimo ir išėjimo kampus. Besisukančios prizmės sėkmingai atlieka veidrodžių funkcijas ir yra pranašesnės tuo, kad jų atspindinčios savybės išlieka nepakitusios, o metaliniai veidrodžiai laikui bėgant blunka dėl metalo oksidacijos. Pažymėtina, kad apvyniojimo prizmė yra paprastesnio dizaino nei lygiavertė besisukanti veidrodžių sistema. Besisukančios prizmės ypač naudojamos periskopuose.

Ryžiai. 187. Spindulių kelias stiklinėje besisukančioje prizmėje (a), vyniojimo prizmėje (b) ir lenktame plastikiniame vamzdyje - šviesos kreiptuvas (c)

Tam tikru šviesos kritimo kampu $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, kuris vadinamas ribinis kampas, lūžio kampas lygus $\frac(\pi )(2),\ $šiuo atveju lūžęs spindulys slenka išilgai sąsajos tarp terpių, todėl lūžusio spindulio nėra. Tada iš lūžio dėsnio galime parašyti, kad:

1 paveikslas.

Visiško atspindžio atveju lygtis yra tokia:

neturi sprendimo lūžio kampo realiųjų verčių srityje ($(\alpha )_(pr)$). Šiuo atveju $cos((\alpha )_(pr))$ yra tik įsivaizduojamas dydis. Jei kreipiamės į Frenelio formules, patogu jas pateikti tokia forma:

kur kritimo kampas žymimas $\alpha $ (dėl trumpumo), $n$ yra terpės, kurioje sklinda šviesa, lūžio rodiklis.

Iš Frenelio formulių aišku, kad moduliai $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right |=\ left|E_(otr//)\right|$, tai reiškia, kad atspindys yra „pilnas“.

1 pastaba

Pažymėtina, kad antroje terpėje nehomogeninė banga neišnyksta. Taigi, jei $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Konservavimo įstatymo pažeidimai energijos konkrečiu atveju Nr. Kadangi Frenelio formulės galioja monochromatiniam laukui, tai yra pastoviam procesui. Šiuo atveju energijos tvermės dėsnis reikalauja, kad vidutinis energijos pokytis per laikotarpį antroje terpėje būtų lygus nuliui. Banga ir atitinkama energijos dalis prasiskverbia per sąsają į antrąją terpę iki nedidelio bangos ilgio gylio ir juda joje lygiagrečiai sąsajai fazės greičiu, mažesniu už bangos fazės greitį antroji terpė. Jis grįžta į pirmąją terpę taške, kuris yra poslinkis įėjimo taško atžvilgiu.

Eksperimentiškai galima stebėti bangos prasiskverbimą į antrąją terpę. Šviesos bangos intensyvumas antroje terpėje pastebimas tik mažesniais atstumais už bangos ilgį. Netoli sąsajos, ant kurios krenta šviesos banga ir visiškai atsispindi, antrosios terpės pusėje galima pamatyti plono sluoksnio švytėjimą, jei antroje terpėje yra fluorescencinė medžiaga.

Visiškas atspindys sukelia miražus, kai žemės paviršius yra karštas. Taigi, visiškai atspindint šviesą, sklindančią iš debesų, susidaro įspūdis, kad ant įkaitusio asfalto paviršiaus yra balų.

Įprastu apmąstymu, santykiai $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ ir $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ visada yra tikri . Visiškai apmąsčius jie yra sudėtingi. Tai reiškia, kad šiuo atveju bangos fazė patiria šuolį, nors ji skiriasi nuo nulio arba $\pi $. Jei banga yra poliarizuota statmenai kritimo plokštumai, galime parašyti:

kur $(\delta )_(\bot )$ yra norimas fazės šuolis. Sulyginkime tikrąją ir įsivaizduojamą dalis, turime:

Iš reiškinių (5) gauname:

Atitinkamai, bangai, kuri yra poliarizuota kritimo plokštumoje, galima gauti:

Fazių šuoliai $(\delta )_(//)$ ir $(\delta )_(\bot )$ nėra vienodi. Atsispindėjusi banga bus elipsiškai poliarizuota.

Total Reflection taikymas

Tarkime, kad dvi vienodos terpės yra atskirtos plonu oro tarpu. Šviesos banga krenta ant jo kampu, kuris yra didesnis už ribinį. Gali atsitikti taip, kad jis prasiskverbia pro oro tarpą netolygi banga. Jei tarpo storis mažas, tada ši banga pasieks antrąją medžiagos ribą ir nebus labai susilpnėjusi. Perėjusi iš oro tarpo į medžiagą, banga vėl virs vienalyte. Tokį eksperimentą atliko Niutonas. Mokslininkas prispaudė kitą prizmę, kuri buvo šlifuota sferiškai, prie stačiakampės prizmės hipotenuzinės pusės. Šiuo atveju šviesa į antrąją prizmę patekdavo ne tik ten, kur jos liečiasi, bet ir nedideliu žiedu aplink kontaktą, toje vietoje, kur tarpo storis panašus į bangos ilgį. Jei stebėjimai buvo atliekami baltoje šviesoje, tada žiedo kraštas buvo rausvos spalvos. Taip ir turi būti, nes įsiskverbimo gylis yra proporcingas bangos ilgiui (raudoniems spinduliams jis didesnis nei mėlynų). Keisdami tarpo storį, galite keisti skleidžiamos šviesos intensyvumą. Šis reiškinys buvo lengvojo telefono, kurį patentavo Zeiss, pagrindas. Šiame įrenginyje viena iš terpių yra skaidri membrana, kuri vibruoja veikiama ant jos krentančio garso. Šviesa, kuri praeina per oro tarpą, laikui bėgant keičia intensyvumą, keičiantis garso intensyvumui. Kai jis atsitrenkia į fotoelementą, jis generuoja kintamąją srovę, kuri kinta priklausomai nuo garso intensyvumo pokyčių. Gauta srovė sustiprinama ir naudojama toliau.

Bangos prasiskverbimo per plonus tarpus reiškiniai nėra būdingi optikai. Tai įmanoma bet kokio pobūdžio bangai, jei fazės greitis tarpelyje yra didesnis nei fazės greitis aplinkoje. Šis reiškinys turi didelę reikšmę branduolinėje ir atominėje fizikoje.

Visiško vidinio atspindžio reiškinys naudojamas šviesos sklidimo krypčiai pakeisti. Tam naudojamos prizmės.

1 pavyzdys

Pratimas: Pateikite dažnai pasitaikančio visiško atspindžio reiškinio pavyzdį.

Sprendimas:

Galime pateikti tokį pavyzdį. Jei greitkelyje labai karšta, tuomet oro temperatūra yra maksimali šalia asfalto dangos ir mažėja didėjant atstumui nuo kelio. Tai reiškia, kad oro lūžio rodiklis paviršiuje yra minimalus ir didėja didėjant atstumui. Dėl to spinduliai, turintys nedidelį kampą greitkelio paviršiaus atžvilgiu, visiškai atsispindi. Jei sutelksite dėmesį, važiuodami automobiliu, tinkamoje greitkelio dangos atkarpoje, galite pamatyti gana toli į priekį važiuojantį automobilį aukštyn kojomis.

2 pavyzdys

Pratimas: Koks yra Brewsterio kampas šviesos pluoštui, kuris krinta ant kristalo paviršiaus, jei ribinis tam tikro pluošto atspindžio kampas oro ir kristalo sąsajoje yra 400?

Sprendimas:

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

Iš išraiškos (2.1) gauname:

Dešinę išraiškos pusę (2.3) pakeiskime formule (2.2) ir išreikškime norimą kampą:

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

Atlikime skaičiavimus:

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

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

Geometrinė ir banginė optika. Šių metodų naudojimo sąlygos (remiantis bangos ilgio ir objekto dydžio ryšiu). Bangų darna. Erdvinės ir laiko darnos samprata. Stimuliuota emisija. Lazerio spinduliuotės ypatybės. Lazerio sandara ir veikimo principas.

Dėl to, kad šviesa yra bangos reiškinys, atsiranda trukdžių, dėl kurių ribotasšviesos spindulys nesklinda jokia viena kryptimi, o turi baigtinį kampinį pasiskirstymą, t.y. atsiranda difrakcija. Tačiau tais atvejais, kai būdingi skersiniai šviesos pluoštų matmenys yra pakankamai dideli, palyginti su bangos ilgiu, galime nepaisyti šviesos pluošto divergencijos ir manyti, kad jis sklinda viena kryptimi: palei šviesos pluoštą.

Banginė optika – optikos šaka, apibūdinanti šviesos sklidimą, atsižvelgiant į jos banginę prigimtį. Bangų optikos reiškiniai – trukdžiai, difrakcija, poliarizacija ir kt.

Bangų trukdžiai – tai dviejų ar daugiau koherentinių bangų, vienu metu sklindančių erdvėje, amplitudės abipusis stiprėjimas arba susilpnėjimas.

Bangų difrakcija – tai reiškinys, pasireiškiantis nukrypimu nuo geometrinės optikos dėsnių bangos sklidimo metu.

Poliarizacija - procesai ir būsenos, susiję su bet kokių objektų atskyrimu, daugiausia erdvėje.

Fizikoje koherencija – tai kelių virpesių ar bangų procesų koreliacija (nuoseklumas) laike, kuri pasireiškia juos sudėjus. Virpesiai yra koherentiniai, jei jų fazių skirtumas laikui bėgant yra pastovus, o sudėjus svyravimus gaunamas to paties dažnio svyravimas.

Jei fazių skirtumas tarp dviejų svyravimų kinta labai lėtai, tai sakoma, kad virpesiai kurį laiką išlieka nuoseklūs. Šis laikas vadinamas darnos laiku.

Erdvinė darna – tai virpesių, vykstančių tuo pačiu laiko momentu skirtinguose bangos sklidimo krypčiai statmenos plokštumos taškuose, darna.

Stimuliuota emisija – tai naujo fotono susidarymas kvantinei sistemai (atomui, molekulei, branduoliui ir kt.) pereinant iš sužadintos būsenos į stabilią būseną (žemesnį energijos lygį), veikiant indukuojančiam fotonui, kuris buvo lygus energijos lygių skirtumui. Sukurtas fotonas turi tokią pat energiją, impulsą, fazę ir poliarizaciją kaip ir indukuojantis fotonas (kuris nėra absorbuojamas).

Lazerio spinduliavimas gali būti nuolatinis, pastovios galios arba impulsinis, pasiekiantis itin dideles didžiausias galias. Kai kuriose schemose lazerio darbo elementas naudojamas kaip optinis stiprintuvas spinduliavimui iš kito šaltinio.

Fizinis lazerio veikimo pagrindas yra priverstinės (sukeliamosios) spinduliuotės reiškinys. Reiškinio esmė ta, kad sužadintas atomas gali išspinduliuoti fotoną veikiamas kito fotono jo nesugerdamas, jeigu pastarojo energija lygi atomo lygių energijų skirtumui prieš ir po fotono. radiacija. Šiuo atveju skleidžiamas fotonas yra koherentiškas su fotonu, kuris sukėlė spinduliuotę (yra jo „tiksli kopija“). Tokiu būdu šviesa sustiprinama. Šis reiškinys skiriasi nuo spontaninės spinduliuotės, kai skleidžiami fotonai turi atsitiktines sklidimo kryptis, poliarizaciją ir fazę.

Visi lazeriai susideda iš trijų pagrindinių dalių:

aktyvią (darbo) aplinką;

siurbimo sistemos (energijos šaltinis);

optinis rezonatorius (gali nebūti, jei lazeris veikia stiprintuvo režimu).

Kiekvienas iš jų užtikrina, kad lazeris atliktų savo specifines funkcijas.

Geometrinė optika. Visiško vidinio atspindžio fenomenas. Ribinis viso atspindžio kampas. Spindulių eiga. Skaidulinė optika.

Geometrinė optika – optikos šaka, tirianti šviesos sklidimo skaidriose terpėse dėsnius ir vaizdų konstravimo principus, kai šviesa praeina per optines sistemas, neatsižvelgiant į jos bangines savybes.

Visas vidinis atspindys yra vidinis atspindys, jei kritimo kampas viršija tam tikrą kritinį kampą. Tokiu atveju krintanti banga visiškai atsispindi, o atspindžio koeficiento vertė viršija didžiausias poliruotų paviršių vertes. Viso vidinio atspindžio atspindys nepriklauso nuo bangos ilgio.

Ribinis viso vidinio atspindžio kampas

Kritimo kampas, kuriam esant lūžęs spindulys pradeda slysti išilgai dviejų terpių sąsajos, nepereinant į optiškai tankesnę terpę

Ray kelias veidrodžiuose, prizmėse ir lęšiuose

Šviesos spinduliai iš taškinio šaltinio sklinda visomis kryptimis. Optinėse sistemose, lenkdami atgal ir atsispindėdami nuo sąsajų tarp terpių, kai kurie spinduliai tam tikru momentu gali vėl susikirsti. Taškas vadinamas taškiniu vaizdu. Kai spindulys atsispindi nuo veidrodžių, įvykdomas dėsnis: „atspindėtas spindulys visada yra toje pačioje plokštumoje kaip krintantis spindulys ir smūgio paviršiaus normalė, kuri eina per kritimo tašką, o kritimo kampas atimamas iš ši norma yra lygi smūgio kampui.

Skaidulinė optika – šis terminas reiškia

optikos šaka, tirianti fizikinius reiškinius, atsirandančius ir vykstančius optinėse skaidulose, arba

precizinės inžinerijos pramonės gaminiai, kuriuose yra komponentų, pagamintų iš optinių skaidulų.

Šviesolaidiniai įrenginiai apima lazerius, stiprintuvus, tankintuvus, demultiplekserius ir daugybę kitų. Šviesolaidiniai komponentai yra izoliatoriai, veidrodžiai, jungtys, skirstytuvai ir tt Šviesolaidinio įrenginio pagrindas yra jo optinė grandinė – šviesolaidinių komponentų rinkinys, sujungtas tam tikra seka. Optinės grandinės gali būti uždaros arba atviros, su grįžtamuoju ryšiu arba be jo.

Pirma, šiek tiek įsivaizduokime. Įsivaizduokite karštą vasaros dieną prieš mūsų erą, primityvus žmogus ietimi medžioja žuvis. Jis pastebi jos padėtį, nusitaiko ir kažkodėl smogia ten, kur žuvis buvo matoma visai ne. Praleidote? Ne, žvejo rankose grobis! Reikalas tas, kad mūsų protėvis intuityviai suprato temą, kurią dabar studijuosime. Kasdieniame gyvenime matome, kad į vandens stiklinę nuleistas šaukštas atrodo kreivas, kai žiūrime pro stiklinį indą, daiktai atrodo kreivai. Visus šiuos klausimus svarstysime pamokoje, kurios tema: „Šviesos lūžimas. Šviesos lūžio dėsnis. Visiškas vidinis atspindys“.

Ankstesnėse pamokose apie pluošto likimą kalbėjome dviem atvejais: kas atsitiks, jei šviesos spindulys sklinda skaidriai vienalytėje terpėje? Teisingas atsakymas yra tas, kad jis plis tiesia linija. Kas atsitinka, kai šviesos spindulys patenka į sąsają tarp dviejų laikmenų? Praėjusioje pamokoje kalbėjome apie atspindėtą spindulį, šiandien pažvelgsime į tą šviesos pluošto dalį, kurią sugeria terpė.

Koks bus spindulio, prasiskverbusio iš pirmosios optiškai skaidrios terpės į antrąją optiškai skaidrią terpę, likimas?

Ryžiai. 1. Šviesos lūžimas

Jei spindulys patenka į dviejų skaidrių terpių sąsają, dalis šviesos energijos grįžta į pirmąją terpę, sukurdama atspindėtą spindulį, o kita dalis pereina į vidų į antrąją terpę ir, kaip taisyklė, keičia savo kryptį.

Šviesos sklidimo krypties pokytis, kai ji praeina per dviejų terpių sąsają, vadinamas šviesos lūžis(1 pav.).

Ryžiai. 2. Kritimo, lūžio ir atspindžio kampai

2 paveiksle matome krintantį spindulį, kritimo kampas bus žymimas α. Spindulys, kuris nustatys lūžusio šviesos pluošto kryptį, bus vadinamas lūžusiu spinduliu. Kampas tarp statmens sąsajai, atkurtas iš kritimo taško, ir lūžusio spindulio paveiksle vadinamas lūžio kampu, tai kampas γ. Norėdami užbaigti paveikslėlį, taip pat pateiksime atspindėto pluošto vaizdą ir atitinkamai atspindžio kampą β. Koks ryšys tarp kritimo kampo ir lūžio kampo Ar žinant kritimo kampą ir į kokią terpę perėjo spindulys, galima numatyti, koks bus lūžio kampas? Pasirodo, tai įmanoma!

Gauname dėsnį, kuris kiekybiškai apibūdina kritimo kampo ir lūžio kampo ryšį. Pasinaudokime Huygenso principu, kuris reguliuoja bangų sklidimą terpėje. Įstatymas susideda iš dviejų dalių.

Krintantis spindulys, lūžęs spindulys ir statmenas, atkurtas į kritimo tašką, yra toje pačioje plokštumoje.

Kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis yra pastovi dviejų nurodytų terpių reikšmė ir yra lygus šviesos greičių šiose terpėse santykiui.

Šis dėsnis vadinamas Snello dėsniu olandų mokslininko, kuris pirmą kartą jį suformulavo, garbei. Lūžio priežastis yra šviesos greičio skirtumas įvairiose terpėse. Galite patikrinti lūžio dėsnio galiojimą eksperimentiškai nukreipdami šviesos spindulį skirtingais kampais į sąsają tarp dviejų terpių ir išmatuodami kritimo ir lūžio kampus. Jei šiuos kampus pakeisime, išmatuosime sinusus ir surasime šių kampų sinusų santykį, įsitikinsime, kad lūžio dėsnis tikrai galioja.

Lūžio dėsnio įrodymas naudojant Huygenso principą yra dar vienas šviesos banginės prigimties patvirtinimas.

Santykinis lūžio rodiklis n 21 parodo, kiek kartų šviesos greitis V 1 pirmoje terpėje skiriasi nuo šviesos greičio V 2 antroje terpėje.

Santykinis lūžio rodiklis yra aiškus įrodymas, kad priežastis, dėl kurios šviesa keičia kryptį pereinant iš vienos terpės į kitą, yra skirtingas šviesos greitis dviejose terpėse. Neretai terpės optinėms savybėms apibūdinti vartojama sąvoka „terpės optinis tankis“ (3 pav.).

Ryžiai. 3. Terpės optinis tankis (α > γ)

Jei spindulys pereina iš terpės, kurios šviesos greitis didesnis, į terpę, kurios šviesos greitis mažesnis, tai, kaip matyti iš 3 paveikslo ir šviesos lūžio dėsnio, jis bus prispaustas prie statmenos, t. , lūžio kampas yra mažesnis už kritimo kampą. Šiuo atveju teigiama, kad spindulys perėjo iš mažiau tankios optinės terpės į optiškai tankesnę terpę. Pavyzdys: iš oro į vandenį; nuo vandens iki stiklo.

Galima ir priešinga situacija: šviesos greitis pirmoje terpėje yra mažesnis už šviesos greitį antroje terpėje (4 pav.).

Ryžiai. 4. Terpės optinis tankis (α< γ)

Tada lūžio kampas bus didesnis už kritimo kampą, ir toks perėjimas, sakysime, vyksta iš optiškai tankesnės į mažiau optiškai tankią terpę (iš stiklo į vandenį).

Dviejų laikmenų optinis tankis gali gana ženkliai skirtis, todėl tampa įmanoma nuotraukoje parodyta situacija (5 pav.):

Ryžiai. 5. Laikmenų optinio tankio skirtumai

Atkreipkite dėmesį, kaip galva pasislenka kūno atžvilgiu skystyje, didesnio optinio tankio aplinkoje.

Tačiau santykinis lūžio rodiklis ne visada yra patogi charakteristika dirbti, nes ji priklauso nuo šviesos greičio pirmoje ir antroje terpėje, tačiau tokių derinių ir dviejų terpių (vanduo – oras, stiklas - deimantas, glicerinas - alkoholis, stiklas - vanduo ir pan.). Lentelės būtų labai gremėzdiškos, nepatogu būtų dirbti, o tada įvedė vieną absoliučią terpę, su kuria lyginamas šviesos greitis kitose terpėse. Vakuumas buvo pasirinktas kaip absoliutus, o šviesos greitis buvo lyginamas su šviesos greičiu vakuume.

Terpės absoliutus lūžio rodiklis n- tai dydis, apibūdinantis terpės optinį tankį ir lygus šviesos greičio santykiui SU vakuume iki šviesos greičio tam tikroje aplinkoje.

Absoliutus lūžio rodiklis yra patogesnis darbui, nes visada žinome šviesos greitį vakuume lygus 3·10 8 m/s ir yra universali fizikinė konstanta.

Absoliutus lūžio rodiklis priklauso nuo išorinių parametrų: temperatūros, tankio, taip pat nuo šviesos bangos ilgio, todėl lentelėse dažniausiai nurodomas vidutinis lūžio rodiklis tam tikram bangų ilgių diapazonui. Jei palygintume oro, vandens ir stiklo lūžio rodiklius (6 pav.), pamatytume, kad oro lūžio rodiklis artimas vienetui, todėl spręsdami uždavinius jį laikysime vienetu.

Ryžiai. 6. Skirtingų terpių absoliučių lūžio rodiklių lentelė

Nesunku nustatyti ryšį tarp absoliutaus ir santykinio terpės lūžio rodiklio.

Santykinis lūžio rodiklis, ty spindulio, pereinančio iš terpės 1 į vidutinį du, yra lygus absoliutaus lūžio rodiklio antroje terpėje ir absoliutaus lūžio rodiklio santykiui pirmoje terpėje.

Pavyzdžiui: = ≈ 1,16

Jei dviejų terpių absoliutieji lūžio rodikliai yra beveik vienodi, tai reiškia, kad santykinis lūžio rodiklis pereinant iš vienos terpės į kitą bus lygus vienybei, tai yra, šviesos spindulys iš tikrųjų nebus lūžęs. Pavyzdžiui, pereinant nuo anyžių aliejaus prie berilo brangakmenio, šviesa praktiškai nesilankstys, tai yra, elgsis taip pat kaip ir praeinant per anyžių aliejų, nes jų lūžio rodiklis yra atitinkamai 1,56 ir 1,57, todėl brangakmenis gali būti tarsi paslėptas skystyje, jo tiesiog nesimatys.

Jei į permatomą stiklą pilsime vandenį ir žiūrėsime pro stiklo sienelę į šviesą, paviršiuje pamatysime sidabrinį blizgesį dėl visiško vidinio atspindžio reiškinio, apie kurį dabar ir bus kalbama. Kai šviesos spindulys pereina iš tankesnės optinės terpės į mažiau tankią optinę terpę, galima pastebėti įdomų efektą. Tikslumui manysime, kad šviesa patenka iš vandens į orą. Tarkime, kad rezervuaro gelmėse yra taškinis šviesos S šaltinis, skleidžiantis spindulius į visas puses. Pavyzdžiui, naras šviečia žibintuvėliu.

SO 1 spindulys krenta ant vandens paviršiaus mažiausiu kampu, šis spindulys dalinai lūžta - O 1 A 1 spindulys ir dalinai atsispindi atgal į vandenį - O 1 B 1 spindulys. Taigi dalis krentančio pluošto energijos perduodama lūžusiam pluoštui, o likusi energija – atsispindėjusiam.

Ryžiai. 7. Visiškas vidinis atspindys

SO 2 spindulys, kurio kritimo kampas didesnis, taip pat skirstomas į du pluoštus: lūžtantį ir atspindėtą, tačiau pradinio pluošto energija tarp jų pasiskirsto skirtingai: lūžęs pluoštas O 2 A 2 bus blankesnis nei O 1 1 spindulys, tai yra, jis gaus mažesnę energijos dalį, o atitinkamai atspindėtas spindulys O 2 B 2 bus ryškesnis nei spindulys O 1 B 1, tai yra, jis gaus didesnę energijos dalį. Didėjant kritimo kampui, stebimas tas pats modelis – vis didesnė krintančio pluošto energijos dalis atitenka atspindėtam pluoštui, o vis mažesnė dalis – lūžusiam pluoštui. Lūžęs spindulys tampa vis blausesnis ir tam tikru momentu visiškai išnyksta, kai jis pasiekia kritimo kampą, kuris atitinka lūžio kampą 90 0. Esant tokiai situacijai, lūžęs spindulys OA turėtų eiti lygiagrečiai vandens paviršiui, bet nebėra ko eiti – visa krintančio pluošto SO energija atiteko atspindėtam pluoštui OB. Natūralu, kad toliau padidėjus kritimo kampui, lūžusio pluošto nebus. Aprašytas reiškinys yra visiškas vidinis atspindys, tai yra, tankesnė optinė terpė nagrinėjamais kampais neskleidžia iš savęs spindulių, jie visi atsispindi jos viduje. Kampas, kuriuo vyksta šis reiškinys, vadinamas ribinis viso vidinio atspindžio kampas.

Ribinio kampo vertę galima lengvai rasti pagal lūžio dėsnį:

= => = arcsin, vandeniui ≈ 49 0

Įdomiausias ir populiariausias visiško vidinio atspindžio reiškinio pritaikymas yra vadinamieji bangolaidžiai arba šviesolaidžiai. Būtent tokį signalų siuntimo būdą naudoja šiuolaikinės telekomunikacijų bendrovės internete.

Gavome šviesos lūžio dėsnį, pristatėme naują sąvoką – santykinius ir absoliučius lūžio rodiklius, taip pat supratome visiško vidinio atspindžio fenomeną ir jo pritaikymą, pavyzdžiui, šviesolaidį. Savo žinias galite įtvirtinti analizuodami atitinkamus testus ir treniruoklius pamokų skiltyje.

Gaukime šviesos lūžio dėsnio įrodymą, naudodami Huygenso principą. Svarbu suprasti, kad lūžio priežastis yra šviesos greičio skirtumas dviejose skirtingose ​​terpėse. Šviesos greitį pirmoje terpėje pažymėkime V 1, o antroje terpėje V 2 (8 pav.).

Ryžiai. 8. Šviesos lūžimo dėsnio įrodymas

Tegul plokštuma šviesos banga nukrenta ant plokščios sąsajos tarp dviejų terpių, pavyzdžiui, iš oro į vandenį. Bangos paviršius AS yra statmenas spinduliams, o sąsają tarp terpės MN pirmiausia pasiekia spindulys, o spindulys tą patį paviršių pasiekia po laiko intervalo ∆t, kuris bus lygus SW keliui, padalintam iš šviesos greitis pirmoje terpėje.

Todėl tuo momentu, kai antrinė banga taške B tik pradeda sužadinti, banga iš taško A jau turi pusrutulio formą, kurio spindulys AD, kuris yra lygus šviesos greičiui antroje terpėje esant ∆ t: AD = ·∆t, tai yra Huygenso principas vizualiniame veiksme . Lūžusios bangos bangos paviršių galima gauti nubrėžus paviršiaus liestinę visoms antrinėms bangoms antroje terpėje, kurių centrai yra terpių sąsajoje, šiuo atveju tai yra plokštuma BD, tai yra antrinės bangos. Spindulio kritimo kampas α lygus kampui CAB trikampyje ABC, vieno iš šių kampų kraštinės statmenos kito kraštinėms. Vadinasi, SV bus lygus šviesos greičiui pirmoje terpėje ∆t

CB = ∆t = AB sin α

Savo ruožtu lūžio kampas bus lygus kampui ABD trikampyje ABD, todėl:

АD = ∆t = АВ sin γ

Padalinę terminą iš termino, gauname:

n yra pastovi reikšmė, kuri nepriklauso nuo kritimo kampo.

Gavome šviesos lūžio dėsnį, kritimo kampo sinusas su lūžio kampo sinusu yra pastovi duotų dviejų terpių vertė ir yra lygi šviesos greičių santykiui dviejose duotose terpėse. .

Kubinis indas su nepermatomomis sienelėmis yra išdėstytas taip, kad stebėtojo akis nematytų jo dugno, o visiškai matytų indo CD sienelę. Kokį kiekį vandens reikia įpilti į indą, kad stebėtojas matytų objektą F, esantį atstumu b = 10 cm nuo kampo D? Laivo kraštas α = 40 cm (9 pav.).

Kas labai svarbu sprendžiant šią problemą? Spėkite, kadangi akis nemato indo dugno, o mato kraštinį šoninės sienelės tašką, o indas yra kubas, tai spindulio kritimo kampas į vandens paviršių, kai jį pilsime, bus lygus 45 0.

Ryžiai. 9. Vieningo valstybinio egzamino užduotis

Spindulys patenka į tašką F, tai reiškia, kad mes aiškiai matome objektą, o juoda punktyrinė linija rodo pluošto eigą, jei nebūtų vandens, tai yra į tašką D. Iš trikampio NFK kampo liestinė β, lūžio kampo liestinė, yra priešingos pusės ir gretimos santykis arba, remiantis paveikslu, h atėmus b, padalytas iš h.

tg β = = , h yra skysčio, kurį išpylėme, aukštis;

Intensyviausias visiško vidinio atspindžio reiškinys naudojamas šviesolaidinėse sistemose.

Ryžiai. 10. Šviesolaidžiai

Jei šviesos spindulys nukreiptas į kieto stiklo vamzdžio galą, po daugkartinio viso vidinio atspindžio spindulys išeis iš priešingos vamzdžio pusės. Pasirodo, stiklinis vamzdis yra šviesos bangos laidininkas arba bangolaidis. Tai įvyks neatsižvelgiant į tai, ar vamzdis tiesus, ar išlenktas (10 pav.). Pirmieji šviesos kreiptuvai, tai antrasis bangolaidžių pavadinimas, buvo naudojami sunkiai pasiekiamoms vietoms apšviesti (atliekant medicininius tyrimus, kai šviesa tiekiama į vieną šviesolaidžio galą, o kitas galas apšviečia norimą vietą). Pagrindinis pritaikymas – medicina, variklių defektų aptikimas, tačiau tokie bangolaidžiai plačiausiai naudojami informacijos perdavimo sistemose. Nešlio dažnis perduodant signalą šviesos banga yra milijoną kartų didesnis už radijo signalo dažnį, o tai reiškia, kad informacijos kiekis, kurį galime perduoti šviesos banga, yra milijonus kartų didesnis nei perduodamos informacijos kiekis. radijo bangomis. Tai puiki galimybė paprastai ir nebrangiai perteikti daugybę informacijos. Paprastai informacija perduodama šviesolaidžiu naudojant lazerio spinduliuotę. Skaidulinė optika yra būtina norint greitai ir kokybiškai perduoti kompiuterio signalą, kuriame yra daug perduodamos informacijos. Ir viso to pagrindas yra toks paprastas ir įprastas reiškinys kaip šviesos lūžimas.

Bibliografija

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (pagrindinis lygis) - M.: Mnemosyne, 2012 m.
2. Gendenšteinas L.E., Dickas Yu.I. Fizika 10 klasė. - M.: Mnemosyne, 2014 m.
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika – 9, Maskva, Švietimas, 1990 m.

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

Namų darbai

1. Apibrėžkite šviesos lūžį.
2. Įvardykite šviesos lūžio priežastį.
3. Įvardykite populiariausius visiško vidinio atspindžio pritaikymus.

Kai bangos sklinda terpėje, įskaitant elektromagnetines, norėdami bet kada rasti naują bangos frontą, naudokite Huygenso principas.

Kiekvienas bangos fronto taškas yra antrinių bangų šaltinis.

Homogeninėje izotropinėje terpėje antrinių bangų bangų paviršiai yra rutulių, kurių spindulys v×Dt, kur v – bangos sklidimo terpėje greitis. Nubraižydami antrinių bangų bangų frontų gaubtą, gauname naują bangos frontą tam tikru laiko momentu (7.1 pav., a, b).

Atspindžio dėsnis

Naudojant Huygenso principą, galima įrodyti elektromagnetinių bangų atspindžio dėsnį dviejų dielektrikų sąsajoje.

Kritimo kampas lygus atspindžio kampui. Kritantys ir atspindėti spinduliai kartu su statmenu sąsajai tarp dviejų dielektrikų yra toje pačioje plokštumoje.Ð a = Ð b. (7.1)

Tegul plokštumos šviesos banga (1 ir 2 spinduliai, 7.2 pav.) krenta ant plokščios LED sąsajos tarp dviejų terpių. Kampas a tarp spindulio ir statmenos šviesos diodui vadinamas kritimo kampu. Jei tam tikru laiko momentu krintančios OB bangos priekis pasiekia tašką O, tai pagal Huygenso principą šis taškas

Ryžiai. 7.2

pradeda skleisti antrinę bangą. Per laiką Dt = VO 1 /v krintantis spindulys 2 pasiekia tašką O 1. Per tą patį laiką antrinės bangos frontas po atspindžio taške O, sklindantis toje pačioje terpėje, pasiekia pusrutulio taškus, kurių spindulys OA = v Dt = BO 1. Naujosios bangos frontas pavaizduotas plokštuma AO ​1, ir sklidimo kryptimi OA spinduliu. Kampas b vadinamas atspindžio kampu. Iš trikampių OAO 1 ir OBO 1 lygybės išplaukia atspindžio dėsnis: kritimo kampas lygus atspindžio kampui.

Lūžio dėsnis

Optiškai vienalytė terpė 1 pasižymi , (7.2)

Santykis n 2 / n 1 = n 21 (7,4)

paskambino

(7.5)

Vakuumui n = 1.

Dėl dispersijos (šviesos dažnis n » 10 14 Hz), pavyzdžiui, vandeniui n = 1,33, o ne n = 9 (e = 81), kaip matyti iš elektrodinamikos žemiems dažniams. Jei šviesos sklidimo greitis pirmoje terpėje yra v 1, o antroje - v 2,

Ryžiai. 7.3

tada per laiką Dt krintanti plokštumos banga nukeliauja atstumą AO 1 pirmoje terpėje AO 1 = v 1 Dt. Antrosios bangos priekis, sužadintas antroje terpėje (pagal Huygenso principą), pasiekia pusrutulio taškus, kurių spindulys OB = v 2 Dt. Antroje terpėje sklindančios bangos naujas frontas pavaizduotas BO 1 plokštuma (7.3 pav.), o jos sklidimo kryptis – spinduliais OB ir O 1 C (statmena bangos frontui). Kampas b tarp spindulio OB ir dviejų dielektrikų sąsajos taško O normaliosios vadinamas lūžio kampu. Iš trikampių OAO 1 ir OBO 1 išplaukia, kad AO 1 = OO 1 sin a, OB = OO 1 sin b.

Jų požiūris išreiškia lūžio dėsnis(įstatymas Snell):

. (7.6)

Kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis lygus dviejų terpių santykiniam lūžio rodikliui.

Visiškas vidinis atspindys

Ryžiai. 7.4

Pagal lūžio dėsnį galima stebėti dviejų terpių sąsają visiškas vidinis atspindys, jei n 1 > n 2, tai yra Ðb > Ða (7.4 pav.). Vadinasi, yra ribinis kritimo kampas Ða pr, kai Ðb = 90 0 . Tada lūžio dėsnis (7.6) įgauna tokią formą:

sin a pr = , (sin 90 0 =1) (7.7)

Toliau didėjant kritimo kampui Ða > Ða pr, šviesa visiškai atsispindi nuo sąsajos tarp dviejų terpių.

Šis reiškinys vadinamas visiškas vidinis atspindys ir plačiai naudojami optikoje, pavyzdžiui, keisti šviesos spindulių kryptį (7.5 pav., a, b).

Jis naudojamas teleskopuose, žiūronuose, šviesolaidžiuose ir kituose optiniuose prietaisuose.

Klasikiniuose bangų procesuose, tokiuose kaip elektromagnetinių bangų visiško vidinio atspindžio reiškinys, stebimi reiškiniai, panašūs į tunelio efektą kvantinėje mechanikoje, kuris siejamas su dalelių banginėmis korpuskulinėmis savybėmis.

Iš tiesų, kai šviesa pereina iš vienos terpės į kitą, stebimas šviesos lūžis, susijęs su jos sklidimo greičio pasikeitimu skirtingose ​​terpėse. Dviejų terpių sąsajoje šviesos spindulys yra padalintas į dvi: lūžusią ir atspindėtą.

Šviesos spindulys krinta statmenai į stačiakampės lygiašonės stiklinės prizmės paviršių 1 ir be lūžimo patenka į 2 paviršių, stebimas bendras vidinis atspindys, nes spindulio kritimo kampas (Ða = 45 0) į 2 paviršių yra didesnis. nei ribinis viso vidinio atspindžio kampas (stiklui n 2 = 1,5; Ða pr = 42 0).

Jei ta pati prizmė yra tam tikru atstumu H ~ l/2 nuo 2 paviršiaus, tai šviesos spindulys praeis pro 2 paviršių * ir išeis iš prizmės per paviršių 1 * lygiagrečiai spinduliui, krintančiam į 1 paviršių. praleidžiamos šviesos srautas mažėja eksponentiškai didėjant tarpui h tarp prizmių pagal dėsnį:

,

čia w yra tam tikra tikimybė, kad spindulys pateks į antrąją terpę; d – koeficientas, priklausantis nuo medžiagos lūžio rodiklio; l – krintančios šviesos bangos ilgis

Todėl šviesos prasiskverbimas į „uždraustą“ sritį yra optinė kvantinio tunelio efekto analogija.

Visiško vidinio atspindžio reiškinys yra tikrai baigtas, nes šiuo atveju visa krintančios šviesos energija atsispindi dviejų terpių sąsajoje, nei atsispindi, pavyzdžiui, nuo metalinių veidrodžių paviršiaus. Naudojant šį reiškinį, galima atsekti kitą analogiją tarp šviesos lūžio ir atspindžio, viena vertus, ir Vavilovo-Čerenkovo ​​spinduliuotės, kita vertus.

BANGŲ TRUKDŽIAI

7.2.1. Vektorių vaidmuo ir

Praktiškai realioje terpėje vienu metu gali sklisti kelios bangos. Dėl bangų pridėjimo pastebima keletas įdomių reiškinių: bangų trukdžiai, difrakcija, atspindys ir lūžis ir tt

Šie bangų reiškiniai būdingi ne tik mechaninėms bangoms, bet ir elektrinėms, magnetinėms, šviesai ir kt. Visos elementarios dalelės taip pat pasižymi banginėmis savybėmis, kurias įrodė kvantinė mechanika.

Vienas įdomiausių bangų reiškinių, kuris stebimas terpėje sklindant dviem ar daugiau bangų, vadinamas interferencija. Optiškai vienalytė terpė 1 pasižymi absoliutus lūžio rodiklis , (7.8)

čia c yra šviesos greitis vakuume; v 1 – šviesos greitis pirmoje terpėje.

2 terpei būdingas absoliutus lūžio rodiklis

čia v 2 yra šviesos greitis antroje terpėje.

Požiūris (7.10)

paskambino antrosios terpės santykinis lūžio rodiklis, palyginti su pirmąja. Skaidriems dielektrikams, kuriuose m = 1, naudojant Maksvelo teoriją, arba

kur e 1, e 2 yra pirmosios ir antrosios terpės dielektrinės konstantos.

Vakuumui n = 1. Dėl dispersijos (šviesos dažnis n » 10 14 Hz), pavyzdžiui, vandeniui n = 1,33, o ne n = 9 (e = 81), kaip matyti iš elektrodinamikos žemiems dažniams. Šviesa yra elektromagnetinės bangos. Todėl elektromagnetinį lauką lemia vektoriai ir , kurie atitinkamai apibūdina elektrinio ir magnetinio lauko stiprumą. Tačiau daugelyje šviesos sąveikos su medžiaga procesų, pavyzdžiui, pavyzdžiui, šviesos poveikis regėjimo organams, fotoelementams ir kitiems prietaisams, lemiamas vaidmuo tenka vektoriui, kuris optikoje vadinamas šviesos vektoriumi.