Полное внутреннее отражение света: описание, условия и законы. Практическое применение Явления полного отражения Полное внутреннее отражение где применяется

Некоторые законы физики трудно представить без использования наглядных пособий. Это не касается привычного всем света, попадающего на различные объекты. Так на границе, разделяющей две среды, происходит смена направления световых лучей в том случае, если эта граница намного превышает При света возникает, когда часть его энергии возвращается в первую среду. Если часть лучей проникает в другую среду, то происходит их преломление. В физике энергии, попадающий на границу двух различных сред, называется падающим, а тот, что от нее возвращается в первую среду, - отраженным. Именно взаимное расположение данных лучей определяет законы отражения и преломления света.

Термины

Угол между падающим лучом и перпендикулярной линией к границе раздела двух сред, восстановленной к точке падения потока световой энергии, называется Существует еще один важный показатель. Это угол отражения. Он возникает между отраженным лучом и перпендикулярной линией, восстановленной к точке его падения. Свет может распространяться прямолинейно исключительно в однородной среде. Разные среды по-разному поглощают и отражают излучение света. Коэффициентом отражения называют величину, характеризующую отражательную способность вещества. Он показывает, сколько принесенной световым излучением на поверхность среды энергии составит та, которая унесется от нее отраженным излучением. Данный коэффициент зависит от целого множества факторов, одними из самых важных являются угол падения и состав излучения. Полное отражение света происходит тогда, когда он падает на предметы или вещества с отражающей поверхностью. Так, например, это случается при попадании лучей на тонкую пленку серебра и жидкой ртути, нанесенных на стекло. Полное отражение света на практике встречается довольно часто.

Законы

Законы отражения и преломления света были сформулированы Евклидом еще в ІІІ в. до н. э. Все они были установлены экспериментально и легко подтверждаются чисто геометрическим принципом Гюйгенса. Согласно ему любая точка среды, до которой доходит возмущение, представляет собой источник вторичных волн.

Первый света: падающий и отражающий луч, а также перпендикулярная линия к границе раздела сред, восстановленная в точке падения светового луча, расположены в одной плоскости. На отражательную поверхность падает плоская волна, волновые поверхности которой являются полосками.

Другой закон гласит о том, что угол отражения света равен углу падения. Это происходит потому, что они имеют взаимно перпендикулярные стороны. Исходя из принципов равенства треугольников, следует, что угол падения равен углу отражения. Можно легко доказать, что они лежат в одной плоскости с перпендикулярной линией, восстановленной к границе раздела сред в точке падения луча. Эти важнейшие законы справедливы и для обратного хода света. Вследствие обратимости энергии луч, распространяющийся по пути отраженного, будет отражаться по пути падающего.

Свойства отражающих тел

Подавляющее большинство объектов только отражают падающее на них световое излучение. При этом они не являются источником света. Хорошо освещенные тела отлично видны с любых сторон, поскольку излучение от их поверхности отражается и рассеивается в разных направлениях. Это явление называются диффузным (рассеянным) отражением. Оно происходит при попадании света на любые шероховатые поверхности. Для определения пути отраженного от тела луча в точке его падения проводится плоскость, касающаяся поверхности. Затем по отношению к ней строят углы падения лучей и отражения.

Диффузное отражение

Только благодаря существованию рассеянного (диффузного) отражения световой энергии мы различаем предметы, не способные испускать свет. Любое тело будет абсолютно невидимым для нас, если рассеивание лучей будет равно нулю.

Диффузное отражение световой энергии не вызывает у человека неприятных ощущений в глазах. Это происходит от того, что не весь свет возвращается в первоначальную среду. Так от снега отражается около 85% излучения, от белой бумаги - 75%, ну а от велюра черного цвета - всего 0,5%. При отражении света от различных шероховатых поверхностей лучи направляются хаотично по отношению друг к другу. В зависимости от того, в какой степени поверхности отражают световые лучи, их называют матовыми или зеркальными. Но все-таки эти понятия являются относительными. Одни и те же поверхности могут быть зеркальными и матовыми при различной длине волны падающего света. Поверхность, которая равномерно рассеивает лучи в разные стороны, считается абсолютно матовой. Хотя в природе таких объектов практически нет, к ним очень близки неглазурованный фарфор, снег, чертежная бумага.

Зеркальное отражение

Зеркальное отражение лучей света отличается от других видов тем, что при падении пучков энергии на гладкую поверхность под определенным углом они отражаются в одном направлении. Это явление знакомо всем, кто когда-то пользовался зеркалом под лучами света. В этом случае оно является отражающей поверхностью. К этому разряду относятся и другие тела. К зеркальным (отражающим) поверхностям можно отнести все оптически гладкие объекты, если размеры неоднородностей и неровностей на них составляют меньше 1 мкм (не превышают величину длины волны света). Для всех таких поверхностей действительны законы отражения света.

Отражение света от разных зеркальных поверхностей

В технике нередко используются зеркала с изогнутой отражающей поверхностью (сферические зеркала). Такие объекты представляют собой тела, имеющие форму сферического сегмента. Параллельность лучей в случае отражения света от таких поверхностей сильно нарушается. При этом существует два вида таких зеркал:

Вогнутые - отражают свет от внутренней поверхности сегмента сферы, их называют собирающими, поскольку параллельные лучи света после отражения от них собираются в одной точке;

Выпуклые - отражают свет от наружной поверхности, при этом параллельные лучи рассеиваются в стороны, именно поэтому выпуклые зеркала называют рассеивающими.

Варианты отражения световых лучей

Луч, падающий практически параллельно поверхности, только немного касается ее, а далее отражается под сильно тупым углом. Затем он продолжает путь по очень низкой траектории, максимально расположенной к поверхности. Луч, падающий практически отвесно, отражается под острым углом. При этом направление уже отраженного луча будет близко к пути падающего луча, что полностью соответствует физическим законам.

Преломление света

Отражение тесно связано с иными явлениями геометрической оптики, такими как преломление и полное внутреннее отражение. Зачастую свет проходит через границу между двумя средами. Преломлением света называют изменение направления оптического излучения. Оно происходит при прохождении его из одной среды в другую. Преломление света имеет две закономерности:

Луч, прошедший через границу между средами, расположен в плоскости, которая проходит через перпендикуляр к поверхности и падающий луч;

Угол падения и преломления связаны.

Преломление всегда сопровождается отражением света. Сумма энергий отраженного и преломленного пучков лучей равна энергии падающего луча. Их относительная интенсивность зависит от в падающем пучке и угла падения. На законах преломления света основывается устройство многих оптических приборов.

Класс: 11

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

Обучающие:

Учащиеся должны повторить и обобщить знания полученные при изучении темы “Отражение и преломление света”: явление прямолинейности распространения света в однородной среде, закон отражения, закон преломления, закон полного отражения.
Рассмотреть применение законов в науке, технике, оптических приборах, медицине, на транспорте, в строительстве, в быту, окружающем нас мире,
Уметь применять полученные знания при решении качественных, расчетных и экспериментальных задач;

Развивающие:

расширить кругозор учащихся, развитие логического мышления, интеллекта;
уметь проводить сравнения, делать вводы;
развить монологическую речь, уметь выступать перед аудиторией.
научить добывать информацию из дополнительной литературы и из Интернета, анализировать её.

Воспитательные:

прививать интерес к предмету физика;
научить самостоятельности, ответственности, уверенности;
создать ситуацию успеха и дружеской поддержки в процессе урока.

Оборудование и наглядные пособия:

Прибор по геометрической оптике, зеркала, призмы, катафот, бинокль, оптоволокно, приборы для опыта.
Компьютер, видеопроектор, экран, презентация “Практическое применение законов отражения и преломления света”

План урока.

I. Тема и цель урока (2 минуты)

II. Повторение (фронтальный опрос) – 4 минут

III. Применение прямолинейности распространения света. Задача (у доски). - 5 минут

IV. Применение закона отражения света. - 4 минуты

V. Применение закона преломления света:

1) Опыт - 4 минуты

2) Задача - 5 минут

VI Применение полного внутреннего отражения света:

а) Оптические приборы – 4 минуты.

в) Волоконная оптика – 4 минуты.

VII Миражи - 4 минуты

VIII.Самостоятельная работа – 7 мин.

IХ Подведение итогов урока. Домашнее задание – 2 мин.

Итого: 45 мин

Ход урока

I. Тема урока, цель, задачи, содержание. (Слайд1-2)

Эпиграф. (Слайд 3)

Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой,
В нем источник бесконечный
Наслажденье красотой:
Небо, солнце, звезд сиянье,
Море в блеске голубом –
Всю картину мирозданья
Мы лишь в свете познаем.
И.А.Бунин

II. Повторение

Преподаватель:

а) Геометрическая оптика. (Слайды 4-7)

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Или в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии

Линия, вдоль которой распространяется световая энергия, называется лучом. Прямолинейность распространения света со скоростью 300000км/с используется в геометрической оптике.

Пример: Применяется при проверке по лучу прямолинейности отстроганной доски.

Возможность видеть несветящиеся предметы связана с тем, что всякое тело частично отражает, а частично поглощает падающий на него свет. (Луна). Среда, в которой скорость распространения света меньше, является оптически более плотной средой. Преломление света - это изменение направления луча света при пересечении границы между средами. Преломление света объясняется различием в скоростях распространения света при переходе из одной среды в другую

б) Демонстрация явления отражения и преломления на приборе “Оптический диск”

в) Вопросы для повторения. (Слайд 8)

III. Применение прямолинейности распространения света. Задача (у доски).

а) Образование тени и полутени. (Слайд 9).

Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени. При малых размерах источника или если источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь получается только тень. При больших размерах источника света или, если источник находится близко к предмету, создаются нерезкие тени (тень и полутень).

б) Освещение Луны. (Слайд10).

Луна по своему пути вокруг Земли освещается Солнцем, она сама не светится.

1. новолуние, 3. первая четверть, 5. полнолуние, 7. последняя четверть.

в) Применение прямолинейности распространения света в строительстве, в строительстве дорог и мостов. (Слайды 11-14)

г) Задача №1352(Д) (учащийся у доски). Длина тени от Останкинской телевизионной башни, освещенной солнцем, в некоторый момент времени оказалась равной 600 м; длина тени от человека высотой 1,75 м в тот же момент времени была равна 2 м. Какова высота башни? (Слайд 15-16)

Вывод: По этому принципу можно определить высоту недоступного предмета: высоту дома; высоту отвесной скалы; высоту высокого дерева.

д) Вопросы для повторения. (Слайд 17)

IV. Применение закона отражения света. (Слайды 18-21).

а) Зеркала(Сообщение учащегося).

Свет, встречная на своем пути какой нибудь объект, отражается от его поверхности. Если она не ровная, то отражение происходит во многих направлениях и свет рассеивается.Когда же поверхность гладкая, то все лучи отходят от нее параллельно друг другу и получается зеркальное отражение.Так свет обычно отражается от свободной поверхности покоящихся жидкостей и от зеркал. Форма у зеркал может быть разная. Они бывают плоскими, сферическими, циоиндрическими, пароболическими и т.д. Свет, исходящий из обьекта, распростроняется в виде лучей, которые, падая на зеркало, отражаются. Если они вновь после этого соберутся в какой-нибудь точке,то говорят, что в ней возникло действие изображние объекта. Если же лучи остаются разьединенными, но в какой-то точке сходятся их продолжения, то нам кажется, что лучи исходят их неё именно там находится объект. Это так называемое мнимое изображение,которое создается в воображении наблюдения. С помощью вогнутых зеркал можно проецировать изображениена какую-нибудь поверхностьили собирать в одной точке слабый свет, приходящий от удаленного объекта,как это бывает при наблюдении звезд с помощью телескопа-рефлектора. В обоих случаях изображение получается действительным, другие зеркала используются для того, чтобы видить в них объект в натуральную величину (обычные плоские зеркала), увеличенным (такие зеркальца носят в дамской сумочке) или уменьшенным(зеркала заднего вида в автомобилях). Получаемые при этом изображения являются мнимыми(виртуальными). А с помощью кривых, несферических зеркал можно делать изображение искаженным.

V. Применение закона преломления света. (Слайды 22-23).

а) Ход лучей в стеклянной пластинке.

б) Ход лучей в треугольной призме. Построить и объяснить. (Учащийся у доски)

в) Опыт: Применение закона преломления. (Сообщение учащегося.) (Слайды 24)

Неопытные купальщики нередко подвергаются большой опасности только потому, что забывают об одном любопытном следствии закона преломления света. Они не знают, что преломление словно поднимает все погруженные в воду предметы выше истинного их положения. Дно пруда, речки, водоема представляется глазу приподнятым почти на третью часть глубины. Особенно важно знать это детям и вообще людям невысокого роста, для которых ошибка в определении глубины может оказаться роковой. Причина преломление световых лучей.

Опыт: На дно, стоящей перед учащимися чашки положить монетку так. чтобы она не была видна учащемуся. Попросить его не поворачивая головы, налить в чашку воды, то монетка “всплывёт”. Если из чашки спринцовкой удалить воду, то дно с монеткой опять “опустится”. Объяснить опыт. Провести опыт каждому дома.

г) Задача. Истинная глубина участка водоёма равна 2 метра. Какова кажущая глубина для человека, смотрящего на дно под углом 60°к поверхности воды. Показатель преломления воды равен 1,33. (Слайды 25-26).

д) Вопросы для повторения. (Слайд 27-28).

VI. Полное внутреннее отражение. Оптические приборы

а) Полное внутреннее отражение. Оптические приборы. (Сообщение учащегося)

(Слайды 29-35)

Полное внутренне отражение происходит в том случае, когда свет падает на границу между оптически более плотной средой и менее плотной средой. Полное внутреннее отражение находит применение во многих оптических приборах. Предельный угол для стекла 35°-40° в зависимости от показателя преломления данного сорта стекла. Поэтому в 45° призмах свет будет испытывать полное внутреннее отражение.

Вопрос. Почему оборотные и поворотные призмы лучше применять, чем зеркала?

а) Они отражают почти 100 света, так как самые лучшие зеркала - менее 100. Изображение получается более ярким.

в) Их свойства остаются неизменными, так как металлические зеркала тускнеют с течением времени из-за окисления металла.

Применение. Поворотные призмы применяются в перископах. Оборотные призмы – в биноклях. На транспорте применяется угловой отражатель – катафот, его укрепляют сзади – красный, впереди – белый, на спицах колес велосипеда – оранжевый. Световозвращатель или оптическое устройство, отражающее свет обратно к освещающему его источнику независимо от угла падения света на поверхность. Ими оборудуются все транспортные средства и опасные участки дорог. Изготавливается из стекла или пластмасс.

б) Вопросы для повторения. (Слайд 36).

в) Волоконная оптика. (Сообщение учащегося). (Слайды 37-42).

На полном внутреннем отражении света основана волоконная оптика. Волокна бывают стеклянные и пластиковые. Диаметр их очень маленький- несколько микрометров. Пучок этих тонких волокон называется световодом, свет передвигается по нему почти без потерь, даже если предать световоду сложную форму. Это используется в декоративных светильниках, при подсветки струй в фонтанах.

Световоды находят применение для передачи сигналов в телефонной и других видах связи. Сигнал представляет собой модулированный световой пучок и передается с меньшими потерями, чем при передаче электрического сигнала по медным проводам.

Световоды применяются в медицине – передача четкого изображения. Вводя через пищевод “эндоскоп” врач получает возможность обследовать стенки желудка. По одним волокнам посылается свет для освещения желудка, по другим идёт отражённый свет. Чем больше волокон, и чем они тоньше, тем лучше получается изображение. Эндоскоп полезен при обследовании желудка и других труднодоступных мест, при подготовки больного к операции или при поиски травм и повреждений без хирургического вмешательства.

В световоде происходит полное отражение света от внутренней поверхности стеклянного или прозрачного пластикового волокна. На каждом из торцов световода имеются линзы. На торце обращенном к объекту. линза превращает исходящие из него лучи в параллельный пучок. На торце, обращенном к наблюдателю, имеется зрительная труба, позволяющая рассмотреть изображение.

VII. Миражи. (Учащийся рассказывает, дополняет учитель) (Слайды 43-46).

Французская армия Наполеона в 18 веке встретилась в Египте с миражом. Солдаты увидели впереди “озеро с деревьями”. Мираж - французское слово, означает “отражать как в зеркале”. Солнечные лучи проходят через воздушное зеркало, порождают “чудеса”. Если земля хорошо нагрета, то нижний слой воздуха значительно теплее, чем слои расположенные выше.

Мираж - оптическое явление в ясной, спокойной атмосфере при различной нагретости отдельных ее слоев, состоящее в том, что невидимые, находящиеся за горизонтом предметы отражаются в преломленной форме в воздухе.

Поэтому солнечные лучи, пронизывая воздушную толщу, никогда не идут прямолинейно, а искривляются. Это явление называется рефракцией.

Мираж многолик. Он может быть простым, сложным, верхним, нижним, боковым.

Когда нижние слои воздуха хорошо нагреты, то наблюдается нижний мираж – мнимое перевернутое изображение предметов. Так чаще всего бывает в степях и пустынях. Этот вид миража можно увидеть в Средней Азии, Казахстане, Поволжье.

Если приземные слои воздуха гораздо холоднее, чем верхние, то возникает верхний мираж - изображение отрывается от земли и повисает в воздухе. Предметы кажутся ближе и выше, чем на самом деле. Этот вид миража наблюдается ранним утром, когда солнечные лучи еще не успели согреть Землю.

На поверхности моря в жаркие дни моряки видят корабли, повисшие в воздухе, и даже предметы далеко за горизонтом.

VIII. Самостоятельная работа. Тест – 5 мин. (Слайды 47-53).

1. Угол между падающем лучом и плоскостью зеркала равен 30°. Чему равен угол отражения?

2. Почему для транспорта световым сигналом опасности является красный цвет?

а) ассоциируется с цветом крови;

б) лучше бросается в глаза;

в) имеет самый малый показатель преломления;

г) имеет наименьшее рассеивание в воздухе

3. Почему рабочие на стройке носят каски оранжевого цвета?

а) оранжевый цвет хорошо заметен на расстоянии;

б) мало изменяется во время непогоды;

в) имеет наименьшее рассеивание света;

г) согласно требованию безопасности труда.

4. Чем объяснить игру света в драгоценных камнях?

а) их грани тщательно шлифуются;

б) большим показателем преломления;

в) камень имеет форму правильного многогранника;

г) правильным расположением драгоценного камня по отношению к световым лучам.

5. Как изменится угол между падающим на плоское зеркало и отраженным лучами, если угол падения увеличить на 15°?

а) увеличится на 30°;

б) уменьшится на 30°;

в) увеличится на 15°;

г) увеличится на 15°;

6. Какова скорость света в алмазе, если показатель преломления равен 2,4?

а) примерно 2000000 км/с;

б) примерно 125000 км/с;

в) скорость света не зависит от среды, т.е. 300000 км/с;

г) 720000 км/с.

IХ. Подведение итогов урока. Домашнее задание. (Слайды 54-56).

Анализ и оценка деятельности учащихся на уроке. Учащиеся обсуждают вместе с учителем результативность урока, оценивают свою деятельность.

1. Сколько правильных ответов вы получили?

3. Узнали ли вы что-то новое?

4. Лучший докладчик.

2) Проделать опыт с монеткой дома.

Литература

Городецкий Д.Н. Проверочные работы по физике “Высшая школа”1987
Демкович В.П. Сборник задач по физике “Просвещение” 2004
Джанколе Д. Физика. Издательство “Мир” 1990
Перельман А.И. Занимательная физика Издательство “Наука” 1965
Лансберг Г.Д. Элементарный учебник физики Издательство “Наука” 1972
Интернет-ресурсы

При некотором угле падения света ${\alpha }_{pad}={\alpha }_{pred}$, который называют предельным углом , угол преломления равен $\frac{\pi }{2},\ $при этом преломленный луч скользит по поверхности раздела сред, следовательно, преломленный луч отсутствует. Тогда из закона преломления можно записать, что:

Рисунок 1.

В случае полного отражения уравнение:

не имеет решения в области действительных значений угла преломления (${\alpha }_{pr}$). В таком случае $cos{(\alpha }_{pr})$ чисто мнимая величина. Если обратиться к Формулам Френеля, то их удобно представить в виде:

где угол падения обозначен $\alpha $ (для краткости написания), $n$ -- показатель преломления среды, где свет распространяется.

Из формул Френеля видно, что модули $\left|E_{otr\bot }\right|=\left|E_{otr\bot }\right|$, $\left|E_{otr//}\right|=\left|E_{otr//}\right|$, что означает, что отражение является «полным».

Замечание 1

Надо отметить, что неоднородная волна во второй среде не исчезает. Так, если $\alpha ={\alpha }_0={arcsin \left(n\right),\ то\ }$ $E_{pr\bot }=2E_{pr\bot }.$ Нарушения закона сохранения энергии в данном случае нет. Так как формулы Френеля справедливы для монохроматического поля, то есть к установившемуся процессу. В таком случае закон сохранения энергии требует, чтобы среднее за период изменение энергии во второй среде было равно нулю. Волна и соответствующая доля энергии проникает через грани цу раздела во вторую среду на небольшую глубину порядка длины волны и движется в ней параллельно границе раздела с фазовой скоростью, которая меньше фазовой скорости волны во второй среде. Он возвращается в первую среду в точке, которая смещена относительно точки входа.

Проникновение волны во вторую среду можно наблюдать в эксперименте. Интенсивность световой волны во второй среде заметна только на расстояниях меньших длины волны. Около поверхности раздела, на которую падает волна света, которая испытывает полное отражение, на стороне второй среды можно видеть свечение тонкого слоя, если во второй среде есть флуоресцирующее вещество.

Полное отражение вызывает возникновение миражей, когда поверхность земли имеет высокую температуру. Так, полное отражение света, которое идет от облаков приводит к появлению впечатления, что на поверхности нагретого асфальта находятся лужи.

При обычном отражении отношения $\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}$ и $\frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}$ всегда вещественны. При полном отражении они комплексны. Это значит, что в таком случае фаза волны терпит скачок, при этом он отличен от нуля или $\pi $. Если волна поляризована перпендикулярно плоскости падения, то можно записать:

где ${\delta }_{\bot }$ - искомый скачок фазы. Приравняем вещественные и мнимые части, имеем:

Из выражений (5) получаем:

Соответственно, для волны, которая поляризована в плоскости падения можно получить:

Скачки фаз ${\delta }_{//}$ и ${\delta }_{\bot }$ не одинаковы. Отраженная волна будет поляризована эллиптически.

Применение полного отражения

Допустим, что две одинаковые среды разделены тонким воздушным промежутком. На него падает световая волна под углом, который больше, чем предельный. Может сложиться так, что она проникнет в воздушный промежуток как неоднородная волна. Если толщина зазора мала, то данная волна достигнет второй границы вещества и при этом будет не очень ослабленной. Перейдя из воздушного промежутка в вещество, волна превратится снова в однородную. Такой опыт был проведен еще Ньютоном. Ученый прижимал к гипотенузной грани прямоугольной призмы другую призму, которая со шлифована сферически. При этом свет проходил во вторую призму не только там, где они соприкасаются, но и в небольшом кольце вокруг контакта, в месте, где толщина зазора сравнима с длинной волны. Если наблюдения проводились в белом свете, то край кольца имел красноватую окраску. Так и должно быть, так как глубина проникновения пропорциональна длине волны (для красных лучей она больше, чем для синих). Изменяя толщину промежутка, можно изменять интенсивность проходящего света. Это явление легло в основу светового телефона, который был запатентован фирмой Цейсс. В этом устройстве в качестве одной из сред выступает прозрачная мембрана, которая совершает колебания под действием звука, падающего на нее. Свет, который проходит сквозь воздушный промежуток, изменяет интенсивность в такт с изменениями силы звука. Попадая на фотоэлемент, он порождает переменный ток, который меняется в соответствии с изменениями силы звука. Полученный ток усиливается и используется далее.

Явления проникновения волн сквозь тонкие промежутки не специфичны для оптики. Это возможно для волны любой природы, если фазовая скорость в промежутке выше, чем фазовая скорость в окружающей среде. Важное значение данное явление имеет в ядерной и атомной физике.

Явление полного внутреннего отражения используют для изменения направления распространения света. С этой целью используют призмы.

Пример 1

Задание: Приведите пример явления полного отражения, которое часто встречается.

Решение:

Можно привести такой пример. Если шоссейная дорога сильно нагрета, то температура воздуха максимальна около поверхности асфальта и убывает при увеличении расстояния от дороги. Значит, показатель преломления воздуха минимален у поверхности и растет при увеличении расстояния. Как результат этого, лучи, имеющие небольшой угол относительно поверхности шоссе терпят полное отражение. Если сконцентрировать свое внимание, при движении в автомобиле, на подходящем участке поверхности шоссе, то можно увидеть довольно далеко едущую впереди машину в перевернутом виде.

Пример 2

Задание: Каков угол Брюстера для пучка света, который падает на поверхность кристалла, если предельный угол полного отражения для данного пучка на границе раздела воздух -- кристалл равен 400?

Решение:

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

Из выражения (2.1) имеем:

Подставим правую часть выражения (2.3) в формулу (2.2), выразим искомый угол:

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

Проведем вычисления:

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

Ответ: ${\alpha }_b=57{}^\circ .$

Для начала немного пофантазируем. Представьте жаркий летний день до нашей эры, первобытный человек при помощи остроги охотится на рыбу. Замечает ее положение, целится и наносит удар почему-то вовсе не туда, где была видна рыба. Промахнулся? Нет, в руках у рыбака добыча! Все дело в том, что наш предок интуитивно разбирался в теме, которую мы будем изучать сейчас. В повседневной жизни мы видим, что ложка, опущенная в стакан с водой, кажется кривой, когда мы смотрим через стеклянную банку - предметы кажутся искривленными. Все эти вопросы мы рассмотрим на уроке, тема которого: «Преломление света. Закон преломления света. Полное внутренне отражение».

На предыдущих уроках мы говорили о судьбе луча в двух случаях: что будет, если луч света распространяется в прозрачно однородной среде? Правильный ответ - он будет распространяться прямолинейно. А что будет, когда луч света падает на границу раздела двух сред? На прошлом уроке мы говорили об отраженном луче, сегодня мы рассмотрим ту часть светового пучка, которая поглощается средой.

Какова же будет судьба луча, который проник из первой оптически прозрачной среды, во вторую оптически прозрачную среду?

Рис. 1. Преломление света

Если луч падает на границу раздела двух прозрачных сред, то часть световой энергии возвращается в первую среду, создавая отраженный пучок, а другая часть проходит внутрь во вторую среду и при этом, как правило, изменяет свое направление.

Изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред называют преломлением света (рис. 1).

Рис. 2. Углы падения, преломления и отражения

На рисунке 2 мы видим падающий луч, угол падания обозначим α. Луч, который будет задавать направление преломленного пучка света, будем называть преломленным лучом. Угол между перпендикуляром к границе раздела сред, восстановленным из точки падения, и преломленным лучом называют углом преломления, на рисунке это угол γ. Для полноты картины дадим еще изображение отображенного луча и, соответственно, угла отражения β. Какова же связь между углом падения и углом преломления, можно ли предсказать, зная угол падения и то, с какой среды в какую перешел луч, каким будет угол преломления? Оказывается можно!

Получим закон, количественно описывающий зависимость между углом падения и углом преломления. Воспользуемся принципом Гюйгенса, который регламентирует распространение волны в среде. Закон состоит из двух частей.

Падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр, восстановленный в точку падения, лежат в одной плоскости .

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равна отношению скоростей света в этих средах.

Этот закон называют законом Снеллиуса, в честь голландского ученого, впервые его сформулировавшего. Причина преломления - в разнице скоростей света в разных средах. Убедиться в справедливости закона преломления можно, экспериментально направляя луч света под разными углами на границу раздела двух сред и измеряя углы падения и преломления. Если менять эти углы, измерять синусы и находить отношения синусов этих углов, мы убедимся в том, что закон преломления действительно справедлив.

Доказательства закона преломления при помощи принципа Гюйгенса - еще одно подтверждение волновой природы света.

Относительный показатель преломления n 21 показывает, во сколько раз скорость света V 1 в первой среде отличается от скорости света V 2 во второй среде.

Относительный показатель преломления - это наглядная демонстрация того факта, что причина изменения направления света при переходе из одной среды в другую - это разная скорость света в двух средах. Часто для характеристики оптических свойств среды пользуются понятием «оптическая плотность среды» (рис. 3).

Рис. 3. Оптическая плотность среды (α > γ)

Если луч переходит из среды с большей скоростью света в среду с меньшей скоростью света, то, как видно из рисунка 3 и закона преломления света, он будет прижиматься к перпендикуляру, то есть угол преломления меньше, чем угол падения. В этом случае говорят, что луч перешел из менее плотной оптической среды в более оптически плотную среду. Пример: из воздуха в воду; из воды в стекло.

Возможна и обратная ситуация: скорость света в первой среде меньше скорости света во второй среде (рис. 4).

Рис. 4. Оптическая плотность среды (α < γ)

Тогда угол преломления будет больше угла падения, а про такой переход скажут, что он совершен из оптически более плотной в менее оптически плотную среду (из стекла в воду).

Оптическая плотность двух сред может отличаться достаточно существенно, таким образом, становится возможна ситуация, приведенная на фотографии (рис. 5):

Рис. 5. Отличие оптической плотности сред

Обратите внимание, насколько смещена голова относительно туловища, находящегося в жидкости, в среде с большей оптической плотностью.

Однако относительный показатель преломления - не всегда удобная для работы характеристика, потому что он зависит от скоростей света в первой и во второй средах, а вот таких сочетаний и комбинаций двух сред может быть очень много (вода - воздух, стекло - алмаз, глицерин - спирт, стекло - вода и так далее). Таблицы были бы очень громоздкими, работать было бы неудобно, и тогда ввели одну абсолютную среду, по сравнению с которой сравнивают скорость света в других средах. В качестве абсолюта был выбран вакуум и скорости света сравниваются со скоростью света в вакууме.

Абсолютный показатель преломления среды n - это величина, которая характеризует оптическую плотность среды и равна отношению скорости света С в вакууме к скорости света в данной среде.

Абсолютный показатель преломления удобнее для работы, ведь мы скорость света в вакууме знаем всегда, она равна 3·10 8 м/с и является универсальной физической постоянной.

Абсолютный показатель преломления зависит от внешних параметров: температуры, плотности, а также от длины волны света, поэтому в таблицах обычно указывают средний показатель преломления для данного диапазона длин волн. Если сравнить показатели преломления воздуха, воды и стекла (Рис. 6), то видим, что у воздуха показатель преломления близок к единице, поэтому мы и будем его брать при решении задач за единицу.

Рис. 6. Таблица абсолютных показателей преломления для разных сред

Несложно получить связь абсолютного и относительного показателя преломления сред.

Относительный показатель преломления , то есть для луча, переходящего из среды один в среду два, равен отношению абсолютного показателя преломления во второй среде к абсолютному показателю преломления в первой среде.

Например: = ≈ 1,16

Если абсолютные показатели преломления двух сред практически одинаковы, это значит, что относительный показатель преломления при переходе из одной среды в другую будет равен единице, то есть луч света фактически не будет преломляться. Например, при переходе из анисового масла в драгоценный камень берилл свет практически не отклонится, то есть будет вести себя так, как при прохождении анисового масла, так как показатель преломления у них 1,56 и 1,57 соответственно, таким образом, драгоценный камень можно как бы спрятать в жидкости, его просто не будет видно.

Если налить воду в прозрачный стакан и посмотреть через стенку стакана на свет, то мы увидим серебристый блеск поверхности вследствие явления полного внутреннего отражения, о котором сейчас пойдет речь. При переходе луча света из более плотной оптической среды в менее плотную оптическую среду может наблюдаться интересный эффект. Для определенности будем считать, что свет идет из воды в воздух. Предположим, что в глубине водоема находится точечный источник света S, испускающий лучи во все стороны. Например, водолаз светит фонариком.

Луч SО 1 падает на поверхность воды под наименьшим углом, этот луч частично преломляется - луч О 1 А 1 и частично отражается назад в воду - луч О 1 В 1 . Таким образом, часть энергии падающего луча передается преломленному лучу, а оставшаяся часть энергии - отраженному лучу.

Рис. 7. Полное внутреннее отражение

Луч SО 2 , чей угол падения больше, также разделяется на два луча: преломленный и отраженный, но энергия исходного луча распределяется между ними уже по-другому: преломленный луч О 2 А 2 будет тусклее, чем луч О 1 А 1 , то есть получит меньшую долю энергии, а отраженный луч О 2 В 2 , соответственно, будет ярче, чем луч О 1 В 1 , то есть получит большую долю энергии. По мере увеличения угла падения прослеживается все та же закономерность - все большая доля энергии падающего луча достается отраженному лучу и все меньшая - преломленному лучу. Преломленный луч становится все тусклее и в какой-то момент исчезает совсем, это исчезновение происходит при достижении угла падения, которому отвечает угол преломления 90 0 . В данной ситуации преломленный луч ОА должен был бы пойти параллельно поверхности воды, но идти уже нечему - вся энергия падающего луча SО целиком досталась отраженному лучу ОВ. Естественно, что при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч будет отсутствовать. Описанное явление и есть полное внутреннее отражение, то есть более плотная оптическая среда при рассмотренных углах не выпускает из себя лучи, все они отражаются внутрь нее. Угол, при котором наступает это явление, называется предельным углом полного внутреннего отражения.

Величину предельного угла легко найти из закона преломления:

= => = arcsin, для воды ≈ 49 0

Самым интересным и востребованным применением явления полного внутреннего отражения являются так называемые волноводы, или волоконная оптика. Это как раз тот способ подачи сигналов, который используется современными телекоммуникационными компаниями в сетях Интернет.

Мы получили закон преломления света, ввели новое понятие - относительный и абсолютный показатели преломления, а также разобрались с явлением полного внутреннего отражения и его применением, таким как волоконная оптика. Закрепить знания можно, разобрав соответствующие тесты и тренажеры в разделе урока.

Получим доказательство закона преломления света при помощи принципа Гюйгенса. Важно понимать, что причина преломления - это разность скоростей света в двух различных средах. Обозначим скорость света в первой среде V 1 , а во второй среде - V 2 (рис. 8).

Рис. 8. Доказательство закона преломления света

Пусть на плоскую границу раздела двух сред, например из воздуха в воду, падает плоская световая волна. Волновая поверхность АС перпендикулярна лучам и , поверхности раздела сред МN сначала достигает луч , а луч достигнет этой же поверхности спустя промежуток времени ∆t, который будет равен пути СВ, деленному на скорость света в первой среде .

Поэтому в момент времени, когда вторичная волна в точке В только начнет возбуждаться, волна от точки А уже имеет вид полусферы радиусом АD, который равен скорости света во второй среде на ∆t: АD = ·∆t, то есть принцип Гюйгенса в наглядном действии. Волновую поверхность преломленной волны можно получить, проведя поверхность, касательную ко всем вторичным волнам во второй среде, центры которых лежат на границе раздела сред, в данном случае это плоскость ВD, она является огибающей вторичных волн. Угол падения α луча равен углу САВ в треугольнике АВС, стороны одного из этих углов перпендикулярны сторонам другого. Следовательно, СВ будет равно скорости света в первой среде на ∆t

СВ = ·∆t = АВ·sin α

В свою очередь, угол преломления будет равен углу АВD в треугольнике АВD, поэтому:

АD = ·∆t = АВ·sin γ

Разделив почленно выражения друг на друга, получим:

n - постоянная величина, которая не зависит от угла падения.

Мы получили закон преломления света, синус угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная отношению скоростей света в двух данных средах.

Кубический сосуд с непрозрачными стенками расположен так, что глаз наблюдателя не видит его дна, но полностью видит стенку сосуда СD. Какое количество воды нужно налить в сосуд, чтобы наблюдатель смог увидеть предмет F, находящийся на расстоянии b = 10 см от угла D? Ребро сосуда α = 40 см (рис. 9).

Что очень важно при решении этой задачи? Догадаться, что так как глаз не видит дна сосуда, но видит крайнюю точку боковой стенки, а сосуд представляет из себя куб, то угол падения луча на поверхность воды, когда мы ее нальем, будет равен 45 0 .

Рис. 9. Задача ЕГЭ

Луч падает в точку F, это значит, что мы видим четко предмет, а черным пунктиром изображен ход луча, если бы не было воды, то есть до точки D. Из треугольника NFК тангенс угла β, тангенс угла преломления, - это отношение противолежащего катета к прилежащему или, исходя из рисунка, h минус b, деленное на h.

tg β = = , h - это высота жидкости, которую мы налили;

Наиболее интенсивное явление полного внутреннего отражения используется в волоконных оптических системах.

Рис. 10. Волоконная оптика

Если в торец сплошной стеклянной трубки направить пучок света, то после многократного полного внутреннего отражения пучок выйдет с противоположной стороны трубки. Получается, что стеклянная трубка - проводник световой волны или волновод. Это произойдет независимо от того, прямая это трубка или изогнутая (Рис. 10). Первые световоды, это второе название волноводов, использовались для подсвечивания труднодоступных мест (при проведении медицинских исследований, когда свет подается на один конец световода, а второй конец освещает нужное место). Основное применение - это медицина, дефектоскопия моторов, однако наибольшее применение такие волноводы получили в системах передачи информации. 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. Это прекрасная возможность передачи огромной информации простым и недорогим способом. Как правило, информация по волоконному кабелю передается при помощи лазерного излучения. Волоконная оптика незаменима для быстрой и качественной передачи компьютерного сигнала, содержащего большой объем передаваемой информации. А в основе всего этого лежит такое простое и обычное явление, как преломление света.

Список литературы

Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Просвещение, 1990.

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

Домашнее задание

Дать определение преломления света.
Назовите причину преломления света.
Назовите самые востребованные применения полного внутреннего отражения.