Bazı fizik yasalarını görsel yardımlar kullanılmadan hayal etmek zordur. Bu, çeşitli nesnelerin üzerine düşen olağan ışık için geçerli değildir. Dolayısıyla, iki ortamı ayıran sınırda, eğer bu sınır, enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri döndüğünde ışığın oluştuğu durumdan çok daha büyükse, ışık ışınlarının yönünde bir değişiklik meydana gelir. Işınların bir kısmı başka bir ortama girerse kırılır. Fizikte iki farklı ortamın sınırına çarpan enerjiye olay, buradan ilk ortama dönen enerjiye ise yansıyan enerji denir. Işığın yansıma ve kırılma yasalarını belirleyen, bu ışınların karşılıklı düzenlenmesidir.

Şartlar

Gelen ışın ile ışık enerjisi akışının geliş noktasına geri getirilen iki ortam arasındaki arayüze dik olan çizgi arasındaki açıya denir. Bir başka önemli gösterge daha vardır. Bu yansıma açısıdır. Yansıyan ışın ile onun geldiği noktaya geri getirilen dik çizgi arasında meydana gelir. Işık ancak homojen bir ortamda düz bir çizgide yayılabilir. Farklı ortamlar ışık radyasyonunu farklı şekillerde emer ve yansıtır. Yansıma katsayısı, bir maddenin yansıtıcılığını karakterize eden bir değerdir. Işık ışınımının ortamın yüzeyine getirdiği enerjinin ne kadarının, yansıyan ışınım yoluyla ortamdan uzaklaşacağını gösterir. Bu katsayı bir dizi faktöre bağlıdır; en önemlilerinden biri geliş açısı ve radyasyonun bileşimidir. Işığın tam yansıması, yansıtıcı yüzeye sahip nesnelerin veya maddelerin üzerine düştüğünde meydana gelir. Örneğin bu, ışınlar cam üzerinde biriken ince bir gümüş ve sıvı cıva filmine çarptığında meydana gelir. Işığın tam yansıması pratikte oldukça yaygındır.

Kanunlar

Işığın yansıması ve kırılması yasaları Öklid tarafından 3. yüzyılın başlarında formüle edildi. M.Ö e. Bunların hepsi deneysel olarak belirlenmiş ve Huygens'in saf geometrik ilkesiyle kolayca doğrulanmıştır. Ona göre ortamın pertürbasyonun ulaştığı her noktası ikincil dalgaların kaynağıdır.

İlk ışık: gelen ve yansıtan ışınların yanı sıra, ışık ışınının geliş noktasında restore edilen arayüze dik çizgi aynı düzlemde bulunur. Dalga yüzeyleri çizgili olan yansıtıcı bir yüzeye bir düzlem dalga geliyor.

Başka bir yasa, ışığın yansıma açısının geliş açısına eşit olduğunu belirtir. Bunun nedeni karşılıklı olarak dik kenarlara sahip olmalarıdır. Üçgenlerin eşitliği ilkesine dayanarak, geliş açısının yansıma açısına eşit olduğu sonucu çıkar. Işının geliş noktasında ortamlar arasındaki arayüze geri getirilen dik çizgi ile aynı düzlemde yer aldıkları kolayca kanıtlanabilir. Bu en önemli kanunlar ışığın ters gidişi için de geçerlidir. Enerjinin tersinirliği nedeniyle, yansıyan ışının yolu boyunca yayılan bir ışın, olayın yolu boyunca yansıtılacaktır.

Yansıtıcı cisimlerin özellikleri

Nesnelerin büyük çoğunluğu yalnızca üzerlerine gelen ışık radyasyonunu yansıtır. Ancak bunlar ışık kaynağı değildir. İyi aydınlatılmış gövdeler, yüzeylerinden gelen radyasyon farklı yönlere yansıtılıp dağıldığı için her taraftan mükemmel bir şekilde görülebilir. Bu olaya dağınık (dağınık) yansıma denir. Işık herhangi bir pürüzlü yüzeye çarptığında ortaya çıkar. Vücuttan yansıyan ışının geliş noktasındaki yolunu belirlemek için yüzeye temas eden bir düzlem çizilir. Daha sonra buna bağlı olarak ışınların geliş ve yansıma açıları oluşturulur.

dağınık yansıma

Yalnızca ışık enerjisinin dağınık (yaygın) yansımasının varlığı nedeniyle, ışık yayamayan nesneler arasında ayrım yapabiliriz. Işınların saçılması sıfırsa herhangi bir cisim bizim için kesinlikle görünmez olacaktır.

Işık enerjisinin dağınık yansıması kişinin gözünde rahatsızlığa neden olmaz. Bunun nedeni, ışığın tamamının orijinal ortamına dönmemesidir. Yani radyasyonun yaklaşık %85'i kardan, %75'i beyaz kağıttan ve yalnızca %0,5'i siyah kadifeden yansır. Işık çeşitli pürüzlü yüzeylerden yansıtıldığında ışınlar birbirlerine göre rastgele yönlendirilir. Yüzeylerin ışık ışınlarını ne kadar yansıttığına bağlı olarak mat veya ayna olarak adlandırılır. Ancak bu terimler görecelidir. Aynı yüzeyler, gelen ışığın farklı dalga boylarında aynasal ve mat olabilir. Işınları farklı yönlere eşit şekilde dağıtan bir yüzeyin kesinlikle mat olduğu kabul edilir. Doğada neredeyse böyle nesneler bulunmamasına rağmen sırsız porselen, kar ve çizim kağıdı bunlara çok yakındır.

Ayna yansıması

Işık ışınlarının aynasal yansıması, enerji ışınlarının pürüzsüz bir yüzeye belirli bir açıyla düştüğünde tek yönde yansımasıyla diğer türlerden farklıdır. Bu fenomen, ışık ışınları altında ayna kullanan herkese aşinadır. Bu durumda yansıtıcı bir yüzeydir. Diğer organlar da bu kategoriye girer. Optik olarak pürüzsüz olan tüm nesneler, üzerlerindeki homojensizliklerin ve düzensizliklerin boyutları 1 mikrondan küçükse (ışığın dalga boyunu aşmıyorsa) ayna (yansıtıcı) yüzeyler olarak sınıflandırılabilir. Bu tür yüzeylerin tamamı için ışığın yansıma kanunları geçerlidir.

Işığın farklı ayna yüzeylerinden yansıması

Teknolojide sıklıkla kavisli yansıtıcı yüzeye sahip aynalar (küresel aynalar) kullanılır. Bu tür nesneler küresel bir parça şeklindeki gövdelerdir. Işığın bu tür yüzeylerden yansıması durumunda ışınların paralelliği büyük ölçüde ihlal edilmektedir. Bu tür aynaların iki türü vardır:

İçbükey - kürenin bir bölümünün iç yüzeyinden gelen ışığı yansıtır, bunlara toplama denir, çünkü paralel ışık ışınları onlardan yansıdıktan sonra bir noktada toplanır;

Dışbükey - paralel ışınlar yanlara dağılırken dış yüzeyden gelen ışığı yansıtır, bu nedenle dışbükey aynalara saçılma denir.

Işık ışınlarını yansıtma seçenekleri

Yüzeye neredeyse paralel gelen bir ışın yüzeye çok az dokunur ve sonra çok geniş bir açıyla yansıtılır. Daha sonra yüzeye mümkün olduğu kadar yakın, çok alçak bir yörüngede devam eder. Neredeyse dikey olarak düşen bir ışın dar bir açıyla yansıtılır. Bu durumda, zaten yansıyan ışının yönü, gelen ışının yoluna yakın olacaktır ve bu, fizik yasalarıyla tamamen tutarlıdır.

Işık kırılması

Yansıma, kırılma ve toplam iç yansıma gibi geometrik optiğin diğer olgularıyla yakından ilişkilidir. Çoğu zaman ışık iki ortam arasındaki sınırdan geçer. Işığın kırılması optik radyasyonun yönündeki bir değişikliktir. Bir ortamdan diğerine geçtiğinde ortaya çıkar. Işığın kırılmasının iki şekli vardır:

Ortam arasındaki sınırdan geçen ışın, yüzeye ve gelen ışına dik olarak geçen bir düzlemde bulunur;

Gelme ve kırılma açısı birbiriyle ilişkilidir.

Kırılma her zaman ışığın yansımasıyla birlikte olur. Yansıyan ve kırılan ışın demetlerinin enerjilerinin toplamı, gelen ışının enerjisine eşittir. Göreceli yoğunlukları gelen ışına ve geliş açısına bağlıdır. Birçok optik cihazın yapısı ışığın kırılma yasalarına dayanmaktadır.

Sınıf: 11

Ders için sunum
























































İleri geri

Dikkat! Slayt önizlemesi yalnızca bilgilendirme amaçlıdır ve sunumun tamamını temsil etmeyebilir. Bu çalışmayla ilgileniyorsanız, lütfen tam sürümünü indirin.

Dersin Hedefleri:

Öğreticiler:

  • Öğrenciler “Işığın yansıması ve kırılması” konusunda edindikleri bilgileri tekrarlamalı ve özetlemelidir: homojen bir ortamda ışığın doğrusal yayılması olgusu, yansıma yasası, kırılma yasası, toplam yansıma yasası.
  • Yasaların bilim, teknoloji, optik aletler, tıp, ulaşım, inşaat, günlük yaşam ve çevremizdeki dünyadaki uygulamalarını düşünün.
  • Edindiği bilgileri niteliksel, hesaplamalı ve deneysel problemlerin çözümünde uygulayabilmek;

Gelişen:

  1. öğrencilerin ufkunu genişletmek, mantıksal düşünmenin gelişimi, zeka;
  2. karşılaştırma yapabilme, girdi yapabilme;
  3. Monolog konuşmayı geliştirin, izleyici önünde konuşun.
  4. ek literatürden ve internetten bilgi çıkarmayı, analiz etmeyi öğretmek.

Eğitici:

  • fizik konusuna ilgi uyandırmak;
  • bağımsızlığı, sorumluluğu, güveni öğretin;
  • Ders sırasında bir başarı ve arkadaşça destek durumu yaratın.

Ekipman ve görsel yardımcılar:

  • Geometrik optik, aynalar, prizmalar, reflektörler, dürbün, fiber optik, deney aletleri.
  • Bilgisayar, video projektörü, ekran, sunum “Işığın yansıma ve kırılma yasalarının pratik uygulaması”

Ders planı.

I. Dersin konusu ve amacı (2 dakika)

II. Tekrarlama (ön anket) - 4 dakika

III. Işık yayılımının düzlüğünün uygulanması. Görev (tahtada). - 5 dakika

IV. Işığın yansıma kanununun uygulanması. - 4 dakika

V. Işığın kırılma yasasının uygulanması:

1) Deneyim - 4 dakika

2) Görev - 5 dakika

VI Toplam iç ışık yansımasının uygulanması:

a) Optik aletler - 4 dakika.

c) Fiber optik - 4 dakika.

VII Seraplar - 4 dakika

VIII.Bağımsız çalışma - 7 dk.

IX Dersin özetlenmesi. Ödev - 2 dk.

Toplam: 45 dk

Dersler sırasında

I. Dersin konusu, amacı, görevleri, içeriği . (Slayt 1-2)

Epigraf. (Slayt 3)

Sonsuz doğanın harika bir hediyesi,
Paha biçilmez ve kutsal bir hediye,
Sonsuz bir kaynağı var.
Güzellik keyfi:
Gökyüzü, güneş, parlayan yıldızlar,
Denizin maviliği parlıyor
Evrenin bütün resmi
Sadece ışıkta biliyoruz.
I.A. Bunin

II. Tekrarlama

Öğretmen:

a) Geometrik optik. (Slayt 4-7)

Homojen bir ortamda ışık düz bir çizgide yayılır. Veya homojen bir ortamda ışık ışınları düz çizgilerdir

Işık enerjisinin yayıldığı çizgiye ışın denir. Geometrik optikte ışığın 300.000 km/s hızla yayılmasının düzlüğü kullanılır.

Örnek: Kiriş boyunca rendelenmiş bir tahtanın düzlüğünü kontrol ederken kullanılır.

Aydınlık olmayan nesneleri görebilme yeteneği, herhangi bir cismin üzerine düşen ışığı kısmen yansıtması ve kısmen de absorbe etmesinden kaynaklanmaktadır. (Ay). Işığın yayılma hızının daha düşük olduğu bir ortam, optik olarak daha yoğun bir ortamdır. Işığın kırılması, ortamlar arasındaki sınırı geçerken ışık ışınının yönündeki değişikliktir. Işığın kırılması, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yayılma hızındaki farkla açıklanır.

b) "Optik disk" cihazında yansıma ve kırılma olgusunun gösterilmesi

c) Soruları gözden geçirin. (Slayt 8)

III. Işık yayılımının düzlüğünün uygulanması. Görev (tahtada).

a) Gölge ve yarı gölgenin oluşumu. (Slayt 9).

Işığın yayılmasının düzlüğü, gölgelerin ve kısmi gölgenin oluşumunu açıklar. Kaynak boyutu küçükse veya kaynak boyutu ihmal edilebilecek kadar uzaktaysa yalnızca bir gölge elde edilir. Işık kaynağı büyükse veya kaynak konuya yakınsa keskin olmayan gölgeler (gölge ve kısmi gölge) oluşturulur.

b) Ayın Aydınlanması. (Slayt 10).

Ay, Dünya'nın etrafında dönerken Güneş tarafından aydınlatılır, kendisi parlamaz.

1. yeni ay, 3. ilk dördün, 5. dolunay, 7. son dördün.

c) İnşaatta, yol ve köprü yapımında ışık yayılımının düzlüğünün kullanılması. (Slayt 11-14)

d) Görev No: 1352 (D) (tahtadaki öğrenci). Bir noktada güneş tarafından aydınlatılan Ostankino televizyon kulesinin gölgesinin uzunluğunun 600 m olduğu ortaya çıktı; 1,75 m yüksekliğindeki bir insanın gölgesinin uzunluğu aynı anda 2 m idi Kulenin yüksekliği nedir? (Slayt 15-16)

Sonuç: Bu prensiple erişilemeyen bir nesnenin yüksekliğini belirleyebilirsiniz: evin yüksekliği; dik uçurumun yüksekliği; uzun bir ağacın yüksekliği.

e) Tekrarlanacak sorular. (Slayt 17)

IV. Işığın yansıma kanununun uygulanması. (Slayt 18-21).

a) Aynalar (Öğrencinin mesajı).

Yolu üzerindeki bir nesneyle karşılaşan ışık, onun yüzeyinden yansır. Eşit değilse birçok yöne yansıma meydana gelir ve ışık saçılır.Yüzey pürüzsüz olduğunda tüm ışınlar birbirine paralel olarak oradan ayrılır ve aynasal bir yansıma elde edilir.Böylece ışık genellikle yüzeyden yansır. Dinlenme halindeki sıvıların ve aynalardan gelen serbest yüzey. Aynaların şekli farklı olabilir. Düz, küresel, silindirik, parabolik vb. Nesneden gelen ışık, aynaya düşen ışınlar şeklinde yayılır ve yansır. Bundan sonra bir noktada tekrar toplanırlarsa, o zaman nesneyi temsil etme eyleminin onda ortaya çıktığını söylerler. Işınlar ayrı kalırsa ancak bir noktada devamları birleşirse, o zaman bize öyle geliyor ki ışınlar ondan çıkıyor, yani nesnenin bulunduğu yer burası. Bu, gözlemin hayal gücünde yaratılan sözde hayali görüntüdür. İçbükey aynaların yardımıyla, yansıtıcı bir teleskopla yıldızları gözlemlerken olduğu gibi, bir görüntüyü bir yüzeye yansıtabilir veya uzaktaki bir nesneden gelen zayıf ışığı bir noktada toplayabilirsiniz. Her iki durumda da görüntü gerçektir, içlerindeki nesneyi tam boyutta (sıradan düz aynalar), büyütülmüş (bu tür aynalar bir çantaya takılır) veya küçültülmüş (arabalarda dikiz aynaları) görmek için diğer aynalar kullanılır. Ortaya çıkan görüntüler hayalidir (sanal). Kavisli, küresel olmayan aynaların yardımıyla görüntünün çarpık olmasını sağlayabilirsiniz.

V. Işığın kırılma kanununun uygulanması. (Slayt 22-23).

a) Cam levhadaki ışınların yolu .

b) Üçgen prizmada ışınların yolu . Oluşturun ve açıklayın. (Tahtadaki öğrenci)

c) Tecrübe: Kırılma kanununun uygulanması. (Öğrencinin mesajı.) (Slayt 24)

Deneyimsiz yüzücüler genellikle ışığın kırılma yasasının ilginç bir sonucunu unuttukları için büyük tehlike altındadır. Kırılmanın suya batırılmış tüm nesneleri gerçek konumlarının üzerine çıkardığını bilmiyorlar. Bir göletin, nehrin, rezervuarın dibi, derinliğin neredeyse üçte biri kadar yükseltilmiş gibi görünür. Derinliği belirlemedeki bir hatanın ölümcül olabileceği çocuklar ve genel olarak kısa boylu insanlar için bunu bilmek özellikle önemlidir. Bunun nedeni ışık ışınlarının kırılmasıdır.

Deneyim: Öğrencilere bakan bardağın alt kısmına buna benzer bir bozuk para koyun. öğrencinin görmemesi için. Başını çevirmeden bir bardağa su dökmesini isteyin, o zaman para "yüzecektir". Bardaktan bir şırınga ile su çıkarılırsa, madeni paranın bulunduğu alt kısım tekrar "düşecektir". Deneyimi açıklayın. Her evde bir deney yapın.

G) Görev. Rezervuar bölümünün gerçek derinliği 2 metredir. Su yüzeyine 60° açıyla dibe bakan bir kişinin görünen derinliği nedir? Suyun kırılma indisi 1,33'tür. (Slayt 25-26).

e) Soruları gözden geçirin . (Slayt 27-28).

VI. toplam iç yansıma. Optik cihazlar

a) Toplam iç yansıma. Optik cihazlar . (Öğrencinin mesajı)

(Slayt 29-35)

Toplam iç yansıma, optik olarak daha yoğun bir ortam ile daha az yoğun bir ortam arasındaki sınıra ışık düştüğünde meydana gelir. Birçok optik cihazda toplam iç yansıma kullanılır. Cam için sınır açısı, verilen cam sınıfının kırılma indisine bağlı olarak 35°-40°'dir. Bu nedenle 45°'lik prizmalarda ışık tam bir iç yansımaya maruz kalacaktır.

Soru. Neden ters çevrilebilir ve döner prizmaların kullanılması aynalardan daha iyidir?

a) En iyi aynalar olarak neredeyse 100 ışığı yansıtırlar - 100'den az. Görüntü daha parlaktır.

c) Metal aynalar metal oksidasyonu nedeniyle zamanla karardığından özellikleri değişmez.

Başvuru. Periskoplarda döner prizmalar kullanılır. Ters çevrilebilir prizmalar - dürbünlerde. Taşımada bir köşe reflektörü kullanılır - bir reflektör, arkada güçlendirilmiştir - kırmızı, önde - beyaz, bisiklet tekerleklerinin jantlarında - turuncu. Işığın yüzeye geliş açısına bakılmaksızın ışığı aydınlatıcı kaynağına geri yansıtan retroreflektör veya optik cihaz. Tüm araçlarla ve yolların tehlikeli bölümleriyle donatılmıştır. Cam veya plastikten yapılmıştır.

b) Soruları gözden geçirin. (Slayt 36).

c) Fiber optik . (Öğrencinin mesajı). (Slayt 37-42).

Fiber optik, ışığın toplam iç yansımasına dayanır. Lifler cam ve plastiktir. Çapları çok küçüktür - birkaç mikrometre. Bu ince liflerden oluşan bir demet, ışık kılavuzu olarak adlandırılır; ışık kılavuzuna karmaşık bir şekil verilse bile, ışık neredeyse kayıpsız bir şekilde bu yol boyunca ilerler. Bu, çeşmelerdeki jetleri aydınlatırken dekoratif lambalarda kullanılır.

Işık kılavuzları telefon ve diğer iletişim şekillerinde sinyal iletimi için kullanılır. Sinyal modüle edilmiş bir ışık huzmesidir ve bir elektrik sinyalinin bakır teller üzerinden iletilmesine kıyasla daha az kayıpla iletilir.

Işık kılavuzları tıpta kullanılır - net bir görüntünün iletimi. Yemek borusuna bir “endoskop” yerleştirilerek doktor midenin duvarlarını inceleyebilir. Işık, mideyi aydınlatmak için bir fiberden gönderilirken, diğeri ışığı yansıtır. Ne kadar çok lif ve ne kadar ince olursa görüntü o kadar iyi elde edilir. Endoskop, midenin ve diğer ulaşılması zor yerlerin incelenmesinde, hastanın ameliyata hazırlanmasında veya ameliyatsız yaralanma ve hasarların aranmasında faydalıdır.

Işık kılavuzunda ışık tamamen camın veya şeffaf plastik elyafın iç yüzeyinden yansıtılır. Işık kılavuzunun her iki ucunda mercekler bulunmaktadır. Nesneye bakan uçta. mercek kendisinden çıkan ışınları paralel bir ışına dönüştürür. Gözlemciye bakan uçta görüntüyü görmenizi sağlayan bir teleskop bulunmaktadır.

VII. Seraplar. (Öğrenci anlatır, öğretmen tamamlar) (Slayt 43-46).

18. yüzyılda Napolyon'un Fransız ordusu Mısır'da bir serapla karşılaştı. Askerler ileride "ağaçlı bir göl" gördü. Mirage, "aynadaki gibi yansıtmak" anlamına gelen Fransızca bir kelimedir. Güneş ışınları hava aynasından geçerek "mucizeler" yaratır. Dünya iyi ısıtılırsa, alt hava katmanı üstteki katmanlardan çok daha sıcak olur.

Serap, ufkun ötesinde bulunan görünmez nesnelerin havada kırılmış bir biçimde yansımasından oluşan, ayrı ayrı katmanlarının farklı şekilde ısıtılmasıyla açık, sakin bir atmosferde optik bir fenomendir.

Bu nedenle hava kalınlığına giren güneş ışınları hiçbir zaman düz gitmez, bükülür. Bu olaya kırılma denir.

Mirage'ın birçok yüzü var. Basit, karmaşık, üst, alt, yan olabilir.

Alt hava katmanları iyi ısıtıldığında, daha düşük bir serap gözlenir - nesnelerin hayali ters çevrilmiş görüntüsü. Bu çoğunlukla bozkırlarda ve çöllerde görülür. Bu tür serapları Orta Asya'da, Kazakistan'da, Volga bölgesinde görmek mümkündür.

Zemindeki hava katmanları üst katmanlardan çok daha soğuksa, üst serap meydana gelir - görüntü yerden çıkar ve havada asılı kalır. Nesneler gerçekte olduklarından daha yakın ve daha yüksek görünür. Bu tür serap, güneş ışınlarının henüz Dünya'yı ısıtmaya vakti olmadığı sabahın erken saatlerinde görülür.

Sıcak günlerde deniz yüzeyinde denizciler havada asılı duran gemileri ve hatta ufkun çok ötesindeki nesneleri görürler.

VIII. Bağımsız iş. Ölçek - 5 dakika. (Slayt 47-53).

1. Gelen ışın ile ayna düzlemi arasındaki açı 30°'dir. Yansıma açısı nedir?

2. Kırmızı neden ulaşım için bir tehlike sinyalidir?

a) kanın rengiyle ilişkili;

b) daha iyi göze çarpar;

c) en küçük kırılma indisine sahiptir;

d) havada en az dağılıma sahiptir

3. İnşaat işçileri neden turuncu kask takıyor?

a) turuncu renk uzaktan açıkça görülebiliyorsa;

b) kötü havalarda çok az değişiklik olur;

c) en az ışık saçılımına sahiptir;

d) iş güvenliği gerekliliğine göre.

4. Işığın değerli taşlardaki oyunu nasıl açıklanır?

a) yüzleri dikkatlice cilalanmıştır;

b) büyük bir kırılma indisi;

c) taş düzenli bir çokyüzlü şeklindedir;

d) mücevherin ışık ışınlarına göre doğru konumu.

5. Gelme açısı 15° artırılırsa gelen ışın ile yansıyan ışın arasındaki açı nasıl değişecektir?

a) 30° artış;

b) 30° azalma;

c) 15° artış;

d) 15° artış;

6. Kırılma indisi 2,4 ise ışığın elmastaki hızı nedir?

a) yaklaşık 2.000.000 km/s;

b) yaklaşık 125.000 km/s;

c) Işığın hızı ortama bağlı değildir, yani. 300.000 km/s;

d) 720.000 km/s.

IX. Dersi özetlemek. Ev ödevi. (Slayt 54-56).

Öğrencilerin dersteki etkinliklerinin analizi ve değerlendirilmesi. Öğrenciler öğretmenle dersin etkililiğini tartışır, etkinliklerini değerlendirirler.

1. Kaç tane doğru cevap aldınız?

3. Yeni bir şey öğrendiniz mi?

4. En iyi konuşmacı.

2) Evde bozuk parayla bir deney yapın.

Edebiyat

  1. Gorodetsky D.N. Fizikte doğrulama çalışması “Yüksek Okul” 1987
  2. Demkovich V.P. Fizikte problemlerin toplanması “Aydınlanma” 2004
  3. Giancole D. Fizik. Mir Yayınevi 1990
  4. Perelman A.I. Eğlenceli fizik Yayınevi "Bilim" 1965
  5. Lansberg G.D. İlköğretim fizik ders kitabı Yayınevi "Nauka" 1972
  6. İnternet kaynakları

Işığın belirli bir geliş açısında $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, buna denir sınırlayıcı açı kırılma açısı $\frac(\pi )(2),\ $'ye eşittir, bu durumda kırılan ışın ortamlar arasındaki arayüz boyunca kayar, dolayısıyla kırılan ışın olmaz. O halde kırılma kanunundan şunu yazabiliriz:

Resim 1.

Tam yansıma durumunda denklem şu şekildedir:

kırılma açısının ($(\alpha )_(pr)$) gerçek değerleri bölgesinde çözümü yoktur. Bu durumda $cos((\alpha )_(pr))$ tamamen hayalidir. Fresnel Formüllerine dönersek, bunları şu şekilde temsil etmek uygundur:

geliş açısının $\alpha $ (kısaca olması açısından) ile gösterildiği yerde, $n$ ışığın yayıldığı ortamın kırılma indisidir.

Fresnel formülleri, $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right|=\ left modüllerinin olduğunu gösterir. |E_(otr//)\right|$ bu, yansımanın "dolu" olduğu anlamına gelir.

Açıklama 1

Homojen olmayan dalganın ikinci ortamda kaybolmadığına dikkat edilmelidir. Dolayısıyla, eğer $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ ardından\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ durum yok. Fresnel formülleri tek renkli bir alan, yani sürekli bir süreç için geçerli olduğundan. Bu durumda enerjinin korunumu yasası, ikinci ortamdaki periyot boyunca enerjideki ortalama değişimin sıfıra eşit olmasını gerektirir. Dalga ve buna karşılık gelen enerji fraksiyonu, arayüzden dalga boyu düzeyinde sığ bir derinliğe kadar ikinci ortama nüfuz eder ve burada, dalganın faz hızından daha düşük bir faz hızıyla arayüze paralel olarak hareket eder. ikinci ortam. Giriş noktasından farklı bir noktada ilk ortama geri döner.

Deneyde dalganın ikinci ortama nüfuzu gözlemlenebilmektedir. İkinci ortamdaki ışık dalgasının yoğunluğu yalnızca dalga boyundan daha küçük mesafelerde fark edilebilir. İkinci ortamın tarafında, tam yansımayı deneyimleyen ışık dalgasının düştüğü arayüzün yakınında, ikinci ortamda floresan bir madde varsa ince bir tabakanın parıltısı görülebilir.

Toplam yansıma, dünya yüzeyi yüksek sıcaklıkta olduğunda serapların oluşmasına neden olur. Yani bulutlardan gelen ışığın tamamen yansıması, ısınan asfaltın yüzeyinde su birikintileri olduğu izlenimini veriyor.

Normal yansıma altında, $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ ve $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ ilişkileri her zaman gerçektir . Tam yansıma altında bunlar karmaşıktır. Bu, bu durumda dalganın fazının sıfırdan veya $\pi $'dan farklı olmasına rağmen bir sıçramaya maruz kaldığı anlamına gelir. Dalga gelme düzlemine dik olarak polarize edilmişse şunu yazabiliriz:

burada $(\delta )_(\bot )$ istenen faz atlamadır. Gerçek ve sanal kısımları eşitleyerek şunu elde ederiz:

İfadelerden (5) şunu elde ederiz:

Buna göre, geliş düzleminde polarize olan bir dalga için aşağıdakiler elde edilebilir:

Faz atlamaları $(\delta )_(//)$ ve $(\delta )_(\bot )$ aynı değildir. Yansıyan dalga eliptik olarak polarize olacaktır.

Toplam yansımanın uygulanması

İki özdeş ortamın ince bir hava boşluğuyla ayrıldığını varsayalım. Üzerine sınırdan daha büyük bir açıyla bir ışık dalgası düşer. Homojen olmayan bir dalga olarak hava boşluğuna nüfuz etmesi mümkündür. Boşluk kalınlığı küçükse bu dalga maddenin ikinci sınırına ulaşacak ve çok zayıflamayacaktır. Hava boşluğundan maddeye geçen dalga tekrar homojen bir dalgaya dönüşecektir. Böyle bir deney Newton tarafından gerçekleştirildi. Bilim adamı, küresel olarak parlatılmış başka bir prizmayı dikdörtgen prizmanın hipotenüs yüzüne bastırdı. Bu durumda ışık, ikinci prizmaya yalnızca dokundukları yerden değil, aynı zamanda temas noktasının etrafındaki küçük bir halkada, aralık kalınlığının dalga boyuyla karşılaştırılabilir olduğu yerde de geçiyor. Gözlemler beyaz ışıkta yapıldıysa halkanın kenarı kırmızımsı bir renge sahipti. Penetrasyon derinliği dalga boyuyla orantılı olduğundan (kırmızı ışınlar için mavi olanlardan daha büyüktür) bu olması gerektiği gibidir. Boşluğun kalınlığını değiştirerek iletilen ışığın yoğunluğunu değiştirmek mümkündür. Bu olgu, patenti Zeiss'a ait olan hafif telefonun temelini oluşturdu. Bu cihazda şeffaf bir membran, üzerine gelen sesin etkisi altında salınan ortamlardan biri gibi davranır. Hava boşluğundan geçen ışık, sesin şiddetiyle birlikte zamanla şiddetini de değiştirir. Fotoselin üzerine gelerek sesin gücündeki değişikliklere göre değişen bir alternatif akım üretir. Ortaya çıkan akım güçlendirilir ve daha fazla kullanılır.

İnce boşluklardan dalga nüfuzu olgusu optiğe özgü değildir. Boşluktaki faz hızı ortamdaki faz hızından yüksekse, bu herhangi bir nitelikteki dalga için mümkündür. Bu fenomen nükleer ve atom fiziğinde büyük önem taşımaktadır.

Toplam iç yansıma olgusu, ışığın yayılma yönünü değiştirmek için kullanılır. Bu amaçla prizmalar kullanılır.

örnek 1

Egzersiz yapmak: Sıklıkla karşılaşılan tam yansıma olgusuna bir örnek veriniz.

Çözüm:

Böyle bir örnek verilebilir. Otoyol çok sıcaksa, asfalt yüzeyine yakın yerlerde hava sıcaklığı maksimumdur ve yoldan uzaklaştıkça azalır. Bu, havanın kırılma indisinin yüzeyde minimum olduğu ve mesafe arttıkça arttığı anlamına gelir. Bunun sonucunda otoyol yüzeyine göre küçük bir açıya sahip olan ışınlar tam yansımaya maruz kalır. Dikkatinizi araba kullanırken otoyolun uygun bir kısmına odaklarsanız, oldukça ileride bir arabanın ters döndüğünü görebilirsiniz.

Örnek 2

Egzersiz yapmak: Bir kristalin yüzeyine düşen bir ışık ışınının hava-kristal arayüzündeki toplam yansımanın sınır açısı 400 ise Brewster açısı nedir?

Çözüm:

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

(2.1) ifadesinden şunu elde ederiz:

İfadenin (2.3) sağ tarafını formül (2.2)'ye koyarsak, istenilen açıyı ifade ederiz:

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

Hesaplamaları yapalım:

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

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

Öncelikle biraz hayal kuralım. M.Ö. sıcak bir yaz gününü düşünün, ilkel bir insan mızrakla balık avlıyor. Onun konumunu fark ediyor, hedef alıyor ve bir nedenden dolayı balığın göründüğü yerde değil, vuruyor. Kaçırıldı? Hayır, av balıkçının elinde! Mesele şu ki, atamız şimdi çalışacağımız konuyu sezgisel olarak anladı. Günlük yaşamda bir bardak suya batırılan kaşığın eğri göründüğünü, cam kavanozun içinden baktığımızda ise nesnelerin çarpık göründüğünü görürüz. Konusu “Işığın kırılması” olan dersimizde tüm bu soruları ele alacağız. Işığın kırılma kanunu. Toplam iç yansıma.

Önceki derslerde bir ışının kaderinden iki durumda bahsetmiştik: Bir ışık ışını şeffaf bir şekilde homojen bir ortamda yayılırsa ne olur? Doğru cevap düz bir çizgi halinde yayılacağıdır. Peki iki medya arasındaki arayüze bir ışık huzmesi düştüğünde ne olacak? Son dersimizde yansıyan ışından bahsetmiştik, bugün ışık ışınının ortam tarafından emilen kısmını ele alacağız.

Birinci optik olarak şeffaf ortamdan ikinci optik olarak şeffaf ortama geçen ışının akıbeti ne olacaktır?

Pirinç. 1. Işığın kırılması

Bir ışın iki şeffaf ortam arasındaki arayüze düşerse, ışık enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri dönerek yansıyan bir ışın oluşturur ve diğer kısım içeriye doğru ikinci ortama geçer ve kural olarak yönünü değiştirir.

Işığın iki ortam arasındaki arayüzden geçmesi durumunda yayılma yönündeki değişikliğe denir. ışığın kırılması(Şekil 1).

Pirinç. 2. Gelme, kırılma ve yansıma açıları

Şekil 2'de gelen bir ışın görüyoruz, geliş açısı α ile gösterilecektir. Kırılan ışık ışınının yönünü ayarlayacak ışına kırılan ışın adı verilecektir. Geliş noktasından geri yüklenen ortam ile kırılan ışın arasındaki arayüze dik olan açıya kırılma açısı denir, şekilde bu γ açısıdır. Resmi tamamlamak için ayrıca yansıyan ışının bir görüntüsünü ve buna göre yansıma açısı β'yı da veriyoruz. Gelme açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişki nedir, gelme açısını ve ışının hangi ortamdan, hangi ortama geçtiğini bilerek kırılma açısının ne olacağını tahmin etmek mümkün müdür? Yapabileceğin ortaya çıktı!

Geliş açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişkiyi niceliksel olarak tanımlayan bir yasa elde ediyoruz. Bir ortamdaki dalganın yayılmasını düzenleyen Huygens ilkesini kullanalım. Kanun iki bölümden oluşuyor.

Gelen ışın, kırılan ışın ve geliş noktasına getirilen dikme aynı düzlemde yer alır..

Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, belirli iki ortam için sabit bir değerdir ve bu ortamlardaki ışık hızlarının oranına eşittir.

Bu yasaya, onu ilk formüle eden Hollandalı bilim insanının anısına Snell yasası adı verilmiştir. Kırılmanın nedeni ışığın farklı ortamlardaki hızlarının farklı olmasıdır. Kırılma yasasının geçerliliğini, bir ışık ışınını farklı açılarda iki ortam arasındaki arayüze deneysel olarak yönlendirerek ve geliş ve kırılma açılarını ölçerek doğrulayabilirsiniz. Bu açıları değiştirirsek, sinüsleri ölçersek ve bu açıların sinüs oranlarını bulursak kırılma yasasının gerçekten geçerli olduğuna ikna oluruz.

Huygens ilkesini kullanan kırılma yasasının kanıtı, ışığın dalga doğasının bir başka doğrulamasıdır.

Göreceli kırılma indisi n21, birinci ortamdaki V1 ışığının hızının ikinci ortamdaki V2 hızından kaç kat farklı olduğunu gösterir.

Göreceli kırılma indisi, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yönünün değişmesinin nedeninin, ışığın iki ortamdaki farklı hızları olduğu gerçeğinin açık bir göstergesidir. "Bir ortamın optik yoğunluğu" terimi genellikle bir ortamın optik özelliklerini karakterize etmek için kullanılır (Şekil 3).

Pirinç. 3. Ortamın optik yoğunluğu (α > γ)

Eğer ışın, ışık hızı yüksek bir ortamdan ışık hızı düşük bir ortama geçerse, Şekil 3'ten ve ışığın kırılma kanunundan da görülebileceği gibi, dikliğe doğru bastırılacaktır, yani kırılma açısı gelme açısından küçüktür. Bu durumda ışının daha az yoğun bir optik ortamdan optik olarak daha yoğun bir ortama geçtiği söylenir. Örnek: havadan suya; sudan bardağa.

Bunun tersi de mümkündür: Birinci ortamdaki ışığın hızı, ikinci ortamdaki ışık hızından daha düşüktür (Şekil 4).

Pirinç. 4. Ortamın optik yoğunluğu (α< γ)

O zaman kırılma açısı geliş açısından daha büyük olacak ve böyle bir geçişin optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama (camdan suya) yapıldığı söylenecektir.

İki ortamın optik yoğunluğu oldukça farklı olabilir, dolayısıyla fotoğrafta gösterilen durum (Şekil 5) mümkün hale gelir:

Pirinç. 5. Ortamın optik yoğunluğu arasındaki fark

Daha yüksek optik yoğunluğa sahip bir ortamda, kafanın sıvı içindeki gövdeye göre nasıl yer değiştirdiğine dikkat edin.

Bununla birlikte, göreceli kırılma indisi, birinci ve ikinci ortamdaki ışığın hızlarına bağlı olduğundan, iş için her zaman uygun bir özellik değildir, ancak bu tür birçok kombinasyon ve iki ortamın (su - hava, cam) kombinasyonları olabilir. - elmas, gliserin - alkol, cam - su vb.). Tablolar çok hantal olurdu, çalışmak sakıncalı olurdu ve sonra diğer ortamlardaki ışık hızının karşılaştırılacağı mutlak bir ortam ortaya çıkardılar. Mutlak olarak vakum seçildi ve ışığın hızları, ışığın boşluktaki hızıyla karşılaştırıldı.

Ortamın mutlak kırılma indisi n- bu, ortamın optik yoğunluğunu karakterize eden ve ışık hızının oranına eşit olan bir değerdir İLE Belirli bir ortamdaki boşlukta ışık hızına kadar.

Mutlak kırılma indisi iş için daha uygundur, çünkü ışığın boşluktaki hızını her zaman biliriz, 3·10 8 m/s'ye eşittir ve evrensel bir fiziksel sabittir.

Mutlak kırılma indisi harici parametrelere bağlıdır: sıcaklık, yoğunluk ve ayrıca ışığın dalga boyuna, dolayısıyla tablolar genellikle belirli bir dalga boyu aralığı için ortalama kırılma indeksini gösterir. Hava, su ve camın kırılma indislerini karşılaştırırsak (Şekil 6), havanın kırılma indisinin birliğe yakın olduğunu görürüz, bu nedenle problemleri çözerken bunu bir birim olarak alacağız.

Pirinç. 6. Farklı ortamlar için mutlak kırılma indeksleri tablosu

Ortamın mutlak ve bağıl kırılma indisi arasındaki ilişkiyi elde etmek kolaydır.

Yani birinci ortamdan ikinci ortama geçen bir ışın için bağıl kırılma indisi, ikinci ortamdaki mutlak kırılma indisinin birinci ortamdaki mutlak kırılma indisine oranına eşittir.

Örneğin: = ≈ 1,16

İki ortamın mutlak kırılma indeksleri hemen hemen aynıysa, bu, bir ortamdan diğerine geçerken göreceli kırılma indisinin bire eşit olacağı, yani ışık ışınının gerçekte kırılmayacağı anlamına gelir. Örneğin, anason yağından değerli bir taşa geçerken beril pratikte ışığı saptırmayacak, yani kırılma indisi sırasıyla 1,56 ve 1,57 olduğundan anason yağından geçerken olduğu gibi davranacaktır. bir sıvının içinde nasıl saklanacağı, görünmez.

Şeffaf bir bardağa su dökerseniz ve camın duvarından ışığa bakarsanız, şimdi tartışılacak olan toplam iç yansıma olgusu nedeniyle yüzeyin gümüşi bir parlaklığını göreceğiz. Bir ışık demeti daha yoğun bir optik ortamdan daha az yoğun bir optik ortama geçtiğinde ilginç bir etki gözlemlenebilir. Kesinlik sağlamak için ışığın sudan havaya gittiğini varsayacağız. Rezervuarın derinliğinde her yöne ışın yayan bir nokta ışık kaynağı S olduğunu varsayalım. Örneğin, bir dalgıç el fenerini parlatıyor.

SO 1 ışını su yüzeyine en küçük açıyla düşer, bu ışın kısmen kırılır - O 1 A 1 ışını ve kısmen O 1 B 1 ışını suya geri yansıtılır. Böylece gelen ışının enerjisinin bir kısmı kırılan ışına aktarılır, enerjinin geri kalan kısmı da yansıyan ışına aktarılır.

Pirinç. 7. Toplam iç yansıma

Geliş açısı daha büyük olan SO2 ışını da iki ışına bölünmüştür: kırılmış ve yansıtılmış, ancak orijinal ışının enerjisi aralarında farklı bir şekilde dağıtılır: kırılan ışın O2 A2, daha sönük olacaktır. O 1 A 1 ışını, yani daha küçük bir enerji fraksiyonu alacak ve sırasıyla yansıyan O 2 V 2 ışını, O 1 V 1 ışınından daha parlak olacak, yani daha büyük bir enerji payı alacaktır. enerji. Geliş açısı arttıkça aynı düzenlilik izlenir; gelen ışının enerjisinin artan bir kısmı yansıyan ışına gider ve giderek daha küçük bir pay kırılan ışına gider. Kırılan ışın kararır ve bir noktada tamamen kaybolur, bu kaybolma 90 0'lik bir kırılma açısına karşılık gelen geliş açısına ulaşıldığında meydana gelir. Bu durumda, kırılan ışın OA'nın su yüzeyine paralel gitmesi gerekecektir, ancak gidecek hiçbir şey yoktur - gelen ışın SO'nun tüm enerjisi tamamen yansıyan ışın OB'ye gitmiştir. Doğal olarak geliş açısının daha da artmasıyla kırılan ışın kaybolacaktır. Açıklanan fenomen, toplam iç yansımadır, yani, dikkate alınan açılarda daha yoğun bir optik ortam, kendisinden ışın yaymaz, hepsi içine yansır. Bu olayın meydana geldiği açıya denir toplam iç yansımanın sınır açısı.

Sınırlayıcı açının değerini kırılma kanunundan bulmak kolaydır:

= => = arksin, su için ≈ 49 0

Toplam iç yansıma olgusunun en ilginç ve popüler uygulaması, dalga kılavuzları veya fiber optiklerdir. Bu tam olarak internetteki modern telekomünikasyon şirketlerinin kullandığı sinyal verme yoludur.

Işığın kırılma yasasını bulduk, yeni bir kavram tanıttık - göreceli ve mutlak kırılma indisleri ve ayrıca toplam iç yansıma olgusunu ve fiber optik gibi uygulamalarını çözdük. Ders kısmında ilgili testleri ve simülatörleri inceleyerek bilgilerinizi pekiştirebilirsiniz.

Huygens ilkesini kullanarak ışığın kırılma yasasının kanıtını elde edelim. Kırılma nedeninin, ışığın iki farklı ortamdaki hızlarındaki farklılık olduğunu anlamak önemlidir. Birinci ortamda V 1 ve ikinci ortamda - V 2 ışığın hızını gösterelim (Şekil 8).

Pirinç. 8. Işığın kırılma yasasının kanıtı

Düzlem bir ışık dalgasının, örneğin havadan suya, iki ortam arasındaki düz bir arayüze düşmesine izin verin. AC dalga yüzeyi ışınlara diktir ve MN ortamı arasındaki arayüz önce ışına ulaşır ve ışın aynı yüzeye ∆t zaman aralığından sonra ulaşır; bu, SW yolunun ışık hızına bölünmesine eşit olacaktır. ilk ortamda.

Bu nedenle, B noktasındaki ikincil dalga henüz uyarılmaya başladığı anda, A noktasından gelen dalga zaten ikinci ortamdaki ışığın hızına ∆t eşit olan AD yarıçaplı bir yarım küre biçimine sahiptir: AD = ∆t, yani görsel eylemde Huygens ilkesi. Kırılan bir dalganın dalga yüzeyi, merkezleri ortamlar arasındaki arayüzde bulunan ikinci ortamdaki tüm ikincil dalgalara teğet bir yüzey çizilerek elde edilebilir, bu durumda bu BD düzlemidir, BD'nin zarfıdır. ikincil dalgalar. Işının geliş açısı α, ABC üçgenindeki CAB açısına eşittir, bu açılardan birinin kenarları diğerinin kenarlarına diktir. Bu nedenle SW, ilk ortamdaki ışığın hızına ∆t kadar eşit olacaktır.

CB = ∆t = AB sin α

Buna karşılık, kırılma açısı ABD üçgenindeki ABD açısına eşit olacaktır, dolayısıyla:

AD = ∆t = AB sin γ

İfadeleri terime bölerek şunu elde ederiz:

n, geliş açısına bağlı olmayan sabit bir değerdir.

Işığın kırılma yasasını elde ettik; geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, verilen iki ortam için sabit bir değerdir ve verilen iki ortamdaki ışık hızlarının oranına eşittir.

Opak duvarlara sahip kübik bir kap, gözlemcinin gözü dibini göremeyecek, ancak CD kabının duvarını tamamen görecek şekilde yerleştirilmiştir. Gözlemcinin D köşesinden b = 10 cm uzaklıkta bulunan F nesnesini görebilmesi için kaba ne kadar su dökülmelidir? Damar kenarı α = 40 cm (Şek. 9).

Bu sorunun çözümünde çok önemli olan nedir? Göz kabın dibini görmediği, ancak yan duvarın en uç noktasını gördüğü ve kap bir küp olduğu için, onu döktüğümüzde ışının su yüzeyine geliş açısının şu şekilde olacağını tahmin edin: 45 0'a eşit olsun.

Pirinç. 9. Sınavın görevi

Işın F noktasına düşer, bu da nesneyi net olarak gördüğümüz anlamına gelir ve siyah noktalı çizgi, su yoksa ışının seyrini yani D noktasına kadar olan yolu gösterir. NFC üçgeninden açının tanjantı Kırılma açısının tanjantı olan β, karşı bacağın komşuya oranıdır veya şekle göre h eksi b'nin h'ye bölümüdür.

tg β = = , h döktüğümüz sıvının yüksekliğidir;

Toplam iç yansımanın en yoğun olgusu fiber optik sistemlerde kullanılır.

Pirinç. 10. Fiber optik

Bir ışık demeti katı bir cam tüpün ucuna yönlendirilirse, birden fazla toplam iç yansımadan sonra ışın tüpün karşı tarafından çıkacaktır. Cam tüpün bir ışık dalgasının veya bir dalga kılavuzunun iletkeni olduğu ortaya çıktı. Bu, tüpün düz ya da kavisli olmasına bakılmaksızın gerçekleşecektir (Şekil 10). Dalga kılavuzlarının ikinci adı olan ilk ışık kılavuzları, ulaşılması zor yerleri aydınlatmak için kullanıldı (tıbbi araştırmalar sırasında, ışık kılavuzunun bir ucuna ışık sağlandığında, diğer ucu doğru yeri aydınlattığında) . Ana uygulama tıp ve motorların defektoskopisidir, ancak bu tür dalga kılavuzları en yaygın olarak bilgi iletim sistemlerinde kullanılır. Bir ışık dalgasının taşıyıcı frekansı, bir radyo sinyalinin frekansının milyon katıdır; bu, bir ışık dalgasıyla iletebileceğimiz bilgi miktarının, radyo dalgaları tarafından iletilen bilgi miktarından milyonlarca kat daha fazla olduğu anlamına gelir. Bu, büyük miktarda bilgiyi basit ve ucuz bir şekilde iletmek için harika bir fırsattır. Kural olarak bilgi, lazer radyasyonu kullanılarak bir fiber kablo üzerinden iletilir. Fiber optik, büyük miktarda iletilen bilgi içeren bir bilgisayar sinyalinin hızlı ve kaliteli iletimi için vazgeçilmezdir. Ve tüm bunların temelinde ışığın kırılması gibi basit ve yaygın bir olgu yatıyor.

Kaynakça

  1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizik (temel seviye) - Yüksek Lisans: Mnemozina, 2012.
  2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizik 10. sınıf. - M.: Mnemosyne, 2014.
  3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizik - 9, Moskova, Eğitim, 1990.
  1. edu.glavsprav.ru ().
  2. Nvtc.ee ().
  3. Raal100.narod.ru ().
  4. Optika.ucoz.ru ().

Ev ödevi

  1. Işığın kırılmasını tanımlayın.
  2. Işığın kırılmasının nedenini yazınız.
  3. Toplam iç yansımanın en popüler uygulamalarını adlandırın.

Öncelikle biraz hayal kuralım. M.Ö. sıcak bir yaz gününü düşünün, ilkel bir insan mızrakla balık avlıyor. Onun konumunu fark ediyor, hedef alıyor ve bir nedenden dolayı balığın göründüğü yerde değil, vuruyor. Kaçırıldı? Hayır, av balıkçının elinde! Mesele şu ki, atamız şimdi çalışacağımız konuyu sezgisel olarak anladı. Günlük yaşamda bir bardak suya batırılan kaşığın eğri göründüğünü, cam kavanozun içinden baktığımızda ise nesnelerin çarpık göründüğünü görürüz. Konusu “Işığın kırılması” olan dersimizde tüm bu soruları ele alacağız. Işığın kırılma kanunu. Toplam iç yansıma.

Önceki derslerde bir ışının kaderinden iki durumda bahsetmiştik: Bir ışık ışını şeffaf bir şekilde homojen bir ortamda yayılırsa ne olur? Doğru cevap düz bir çizgi halinde yayılacağıdır. Peki iki medya arasındaki arayüze bir ışık huzmesi düştüğünde ne olacak? Son dersimizde yansıyan ışından bahsetmiştik, bugün ışık ışınının ortam tarafından emilen kısmını ele alacağız.

Birinci optik olarak şeffaf ortamdan ikinci optik olarak şeffaf ortama geçen ışının akıbeti ne olacaktır?

Pirinç. 1. Işığın kırılması

Bir ışın iki şeffaf ortam arasındaki arayüze düşerse, ışık enerjisinin bir kısmı birinci ortama geri dönerek yansıyan bir ışın oluşturur ve diğer kısım içeriye doğru ikinci ortama geçer ve kural olarak yönünü değiştirir.

Işığın iki ortam arasındaki arayüzden geçmesi durumunda yayılma yönündeki değişikliğe denir. ışığın kırılması(Şekil 1).

Pirinç. 2. Gelme, kırılma ve yansıma açıları

Şekil 2'de gelen bir ışın görüyoruz, geliş açısı α ile gösterilecektir. Kırılan ışık ışınının yönünü ayarlayacak ışına kırılan ışın adı verilecektir. Geliş noktasından geri yüklenen ortam ile kırılan ışın arasındaki arayüze dik olan açıya kırılma açısı denir, şekilde bu γ açısıdır. Resmi tamamlamak için ayrıca yansıyan ışının bir görüntüsünü ve buna göre yansıma açısı β'yı da veriyoruz. Gelme açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişki nedir, gelme açısını ve ışının hangi ortamdan, hangi ortama geçtiğini bilerek kırılma açısının ne olacağını tahmin etmek mümkün müdür? Yapabileceğin ortaya çıktı!

Geliş açısı ile kırılma açısı arasındaki ilişkiyi niceliksel olarak tanımlayan bir yasa elde ediyoruz. Bir ortamdaki dalganın yayılmasını düzenleyen Huygens ilkesini kullanalım. Kanun iki bölümden oluşuyor.

Gelen ışın, kırılan ışın ve geliş noktasına getirilen dikme aynı düzlemde yer alır..

Geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, belirli iki ortam için sabit bir değerdir ve bu ortamlardaki ışık hızlarının oranına eşittir.

Bu yasaya, onu ilk formüle eden Hollandalı bilim insanının anısına Snell yasası adı verilmiştir. Kırılmanın nedeni ışığın farklı ortamlardaki hızlarının farklı olmasıdır. Kırılma yasasının geçerliliğini, bir ışık ışınını farklı açılarda iki ortam arasındaki arayüze deneysel olarak yönlendirerek ve geliş ve kırılma açılarını ölçerek doğrulayabilirsiniz. Bu açıları değiştirirsek, sinüsleri ölçersek ve bu açıların sinüs oranlarını bulursak kırılma yasasının gerçekten geçerli olduğuna ikna oluruz.

Huygens ilkesini kullanan kırılma yasasının kanıtı, ışığın dalga doğasının bir başka doğrulamasıdır.

Göreceli kırılma indisi n21, birinci ortamdaki V1 ışığının hızının ikinci ortamdaki V2 hızından kaç kat farklı olduğunu gösterir.

Göreceli kırılma indisi, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yönünün değişmesinin nedeninin, ışığın iki ortamdaki farklı hızları olduğu gerçeğinin açık bir göstergesidir. "Bir ortamın optik yoğunluğu" terimi genellikle bir ortamın optik özelliklerini karakterize etmek için kullanılır (Şekil 3).

Pirinç. 3. Ortamın optik yoğunluğu (α > γ)

Eğer ışın, ışık hızı yüksek bir ortamdan ışık hızı düşük bir ortama geçerse, Şekil 3'ten ve ışığın kırılma kanunundan da görülebileceği gibi, dikliğe doğru bastırılacaktır, yani kırılma açısı gelme açısından küçüktür. Bu durumda ışının daha az yoğun bir optik ortamdan optik olarak daha yoğun bir ortama geçtiği söylenir. Örnek: havadan suya; sudan bardağa.

Bunun tersi de mümkündür: Birinci ortamdaki ışığın hızı, ikinci ortamdaki ışık hızından daha düşüktür (Şekil 4).

Pirinç. 4. Ortamın optik yoğunluğu (α< γ)

O zaman kırılma açısı geliş açısından daha büyük olacak ve böyle bir geçişin optik olarak daha yoğun bir ortamdan optik olarak daha az yoğun bir ortama (camdan suya) yapıldığı söylenecektir.

İki ortamın optik yoğunluğu oldukça farklı olabilir, dolayısıyla fotoğrafta gösterilen durum (Şekil 5) mümkün hale gelir:

Pirinç. 5. Ortamın optik yoğunluğu arasındaki fark

Daha yüksek optik yoğunluğa sahip bir ortamda, kafanın sıvı içindeki gövdeye göre nasıl yer değiştirdiğine dikkat edin.

Bununla birlikte, göreceli kırılma indisi, birinci ve ikinci ortamdaki ışığın hızlarına bağlı olduğundan, iş için her zaman uygun bir özellik değildir, ancak bu tür birçok kombinasyon ve iki ortamın (su - hava, cam) kombinasyonları olabilir. - elmas, gliserin - alkol, cam - su vb.). Tablolar çok hantal olurdu, çalışmak sakıncalı olurdu ve sonra diğer ortamlardaki ışık hızının karşılaştırılacağı mutlak bir ortam ortaya çıkardılar. Mutlak olarak vakum seçildi ve ışığın hızları, ışığın boşluktaki hızıyla karşılaştırıldı.

Ortamın mutlak kırılma indisi n- bu, ortamın optik yoğunluğunu karakterize eden ve ışık hızının oranına eşit olan bir değerdir İLE Belirli bir ortamdaki boşlukta ışık hızına kadar.

Mutlak kırılma indisi iş için daha uygundur, çünkü ışığın boşluktaki hızını her zaman biliriz, 3·10 8 m/s'ye eşittir ve evrensel bir fiziksel sabittir.

Mutlak kırılma indisi harici parametrelere bağlıdır: sıcaklık, yoğunluk ve ayrıca ışığın dalga boyuna, dolayısıyla tablolar genellikle belirli bir dalga boyu aralığı için ortalama kırılma indeksini gösterir. Hava, su ve camın kırılma indislerini karşılaştırırsak (Şekil 6), havanın kırılma indisinin birliğe yakın olduğunu görürüz, bu nedenle problemleri çözerken bunu bir birim olarak alacağız.

Pirinç. 6. Farklı ortamlar için mutlak kırılma indeksleri tablosu

Ortamın mutlak ve bağıl kırılma indisi arasındaki ilişkiyi elde etmek kolaydır.

Yani birinci ortamdan ikinci ortama geçen bir ışın için bağıl kırılma indisi, ikinci ortamdaki mutlak kırılma indisinin birinci ortamdaki mutlak kırılma indisine oranına eşittir.

Örneğin: = ≈ 1,16

İki ortamın mutlak kırılma indeksleri hemen hemen aynıysa, bu, bir ortamdan diğerine geçerken göreceli kırılma indisinin bire eşit olacağı, yani ışık ışınının gerçekte kırılmayacağı anlamına gelir. Örneğin, anason yağından değerli bir taşa geçerken beril pratikte ışığı saptırmayacak, yani kırılma indisi sırasıyla 1,56 ve 1,57 olduğundan anason yağından geçerken olduğu gibi davranacaktır. bir sıvının içinde nasıl saklanacağı, görünmez.

Şeffaf bir bardağa su dökerseniz ve camın duvarından ışığa bakarsanız, şimdi tartışılacak olan toplam iç yansıma olgusu nedeniyle yüzeyin gümüşi bir parlaklığını göreceğiz. Bir ışık demeti daha yoğun bir optik ortamdan daha az yoğun bir optik ortama geçtiğinde ilginç bir etki gözlemlenebilir. Kesinlik sağlamak için ışığın sudan havaya gittiğini varsayacağız. Rezervuarın derinliğinde her yöne ışın yayan bir nokta ışık kaynağı S olduğunu varsayalım. Örneğin, bir dalgıç el fenerini parlatıyor.

SO 1 ışını su yüzeyine en küçük açıyla düşer, bu ışın kısmen kırılır - O 1 A 1 ışını ve kısmen O 1 B 1 ışını suya geri yansıtılır. Böylece gelen ışının enerjisinin bir kısmı kırılan ışına aktarılır, enerjinin geri kalan kısmı da yansıyan ışına aktarılır.

Pirinç. 7. Toplam iç yansıma

Geliş açısı daha büyük olan SO2 ışını da iki ışına bölünmüştür: kırılmış ve yansıtılmış, ancak orijinal ışının enerjisi aralarında farklı bir şekilde dağıtılır: kırılan ışın O2 A2, daha sönük olacaktır. O 1 A 1 ışını, yani daha küçük bir enerji fraksiyonu alacak ve sırasıyla yansıyan O 2 V 2 ışını, O 1 V 1 ışınından daha parlak olacak, yani daha büyük bir enerji payı alacaktır. enerji. Geliş açısı arttıkça aynı düzenlilik izlenir; gelen ışının enerjisinin artan bir kısmı yansıyan ışına gider ve giderek daha küçük bir pay kırılan ışına gider. Kırılan ışın kararır ve bir noktada tamamen kaybolur, bu kaybolma 90 0'lik bir kırılma açısına karşılık gelen geliş açısına ulaşıldığında meydana gelir. Bu durumda, kırılan ışın OA'nın su yüzeyine paralel gitmesi gerekecektir, ancak gidecek hiçbir şey yoktur - gelen ışın SO'nun tüm enerjisi tamamen yansıyan ışın OB'ye gitmiştir. Doğal olarak geliş açısının daha da artmasıyla kırılan ışın kaybolacaktır. Açıklanan fenomen, toplam iç yansımadır, yani, dikkate alınan açılarda daha yoğun bir optik ortam, kendisinden ışın yaymaz, hepsi içine yansır. Bu olayın meydana geldiği açıya denir toplam iç yansımanın sınır açısı.

Sınırlayıcı açının değerini kırılma kanunundan bulmak kolaydır:

= => = arksin, su için ≈ 49 0

Toplam iç yansıma olgusunun en ilginç ve popüler uygulaması, dalga kılavuzları veya fiber optiklerdir. Bu tam olarak internetteki modern telekomünikasyon şirketlerinin kullandığı sinyal verme yoludur.

Işığın kırılma yasasını bulduk, yeni bir kavram tanıttık - göreceli ve mutlak kırılma indisleri ve ayrıca toplam iç yansıma olgusunu ve fiber optik gibi uygulamalarını çözdük. Ders kısmında ilgili testleri ve simülatörleri inceleyerek bilgilerinizi pekiştirebilirsiniz.

Huygens ilkesini kullanarak ışığın kırılma yasasının kanıtını elde edelim. Kırılma nedeninin, ışığın iki farklı ortamdaki hızlarındaki farklılık olduğunu anlamak önemlidir. Birinci ortamda V 1 ve ikinci ortamda - V 2 ışığın hızını gösterelim (Şekil 8).

Pirinç. 8. Işığın kırılma yasasının kanıtı

Düzlem bir ışık dalgasının, örneğin havadan suya, iki ortam arasındaki düz bir arayüze düşmesine izin verin. AC dalga yüzeyi ışınlara diktir ve MN ortamı arasındaki arayüz önce ışına ulaşır ve ışın aynı yüzeye ∆t zaman aralığından sonra ulaşır; bu, SW yolunun ışık hızına bölünmesine eşit olacaktır. ilk ortamda.

Bu nedenle, B noktasındaki ikincil dalga henüz uyarılmaya başladığı anda, A noktasından gelen dalga zaten ikinci ortamdaki ışığın hızına ∆t eşit olan AD yarıçaplı bir yarım küre biçimine sahiptir: AD = ∆t, yani görsel eylemde Huygens ilkesi. Kırılan bir dalganın dalga yüzeyi, merkezleri ortamlar arasındaki arayüzde bulunan ikinci ortamdaki tüm ikincil dalgalara teğet bir yüzey çizilerek elde edilebilir, bu durumda bu BD düzlemidir, BD'nin zarfıdır. ikincil dalgalar. Işının geliş açısı α, ABC üçgenindeki CAB açısına eşittir, bu açılardan birinin kenarları diğerinin kenarlarına diktir. Bu nedenle SW, ilk ortamdaki ışığın hızına ∆t kadar eşit olacaktır.

CB = ∆t = AB sin α

Buna karşılık, kırılma açısı ABD üçgenindeki ABD açısına eşit olacaktır, dolayısıyla:

AD = ∆t = AB sin γ

İfadeleri terime bölerek şunu elde ederiz:

n, geliş açısına bağlı olmayan sabit bir değerdir.

Işığın kırılma yasasını elde ettik; geliş açısının sinüsünün kırılma açısının sinüsüne oranı, verilen iki ortam için sabit bir değerdir ve verilen iki ortamdaki ışık hızlarının oranına eşittir.

Opak duvarlara sahip kübik bir kap, gözlemcinin gözü dibini göremeyecek, ancak CD kabının duvarını tamamen görecek şekilde yerleştirilmiştir. Gözlemcinin D köşesinden b = 10 cm uzaklıkta bulunan F nesnesini görebilmesi için kaba ne kadar su dökülmelidir? Damar kenarı α = 40 cm (Şek. 9).

Bu sorunun çözümünde çok önemli olan nedir? Göz kabın dibini görmediği, ancak yan duvarın en uç noktasını gördüğü ve kap bir küp olduğu için, onu döktüğümüzde ışının su yüzeyine geliş açısının şu şekilde olacağını tahmin edin: 45 0'a eşit olsun.

Pirinç. 9. Sınavın görevi

Işın F noktasına düşer, bu da nesneyi net olarak gördüğümüz anlamına gelir ve siyah noktalı çizgi, su yoksa ışının seyrini yani D noktasına kadar olan yolu gösterir. NFC üçgeninden açının tanjantı Kırılma açısının tanjantı olan β, karşı bacağın komşuya oranıdır veya şekle göre h eksi b'nin h'ye bölümüdür.

tg β = = , h döktüğümüz sıvının yüksekliğidir;

Toplam iç yansımanın en yoğun olgusu fiber optik sistemlerde kullanılır.

Pirinç. 10. Fiber optik

Bir ışık demeti katı bir cam tüpün ucuna yönlendirilirse, birden fazla toplam iç yansımadan sonra ışın tüpün karşı tarafından çıkacaktır. Cam tüpün bir ışık dalgasının veya bir dalga kılavuzunun iletkeni olduğu ortaya çıktı. Bu, tüpün düz ya da kavisli olmasına bakılmaksızın gerçekleşecektir (Şekil 10). Dalga kılavuzlarının ikinci adı olan ilk ışık kılavuzları, ulaşılması zor yerleri aydınlatmak için kullanıldı (tıbbi araştırmalar sırasında, ışık kılavuzunun bir ucuna ışık sağlandığında, diğer ucu doğru yeri aydınlattığında) . Ana uygulama tıp ve motorların defektoskopisidir, ancak bu tür dalga kılavuzları en yaygın olarak bilgi iletim sistemlerinde kullanılır. Bir ışık dalgasının taşıyıcı frekansı, bir radyo sinyalinin frekansının milyon katıdır; bu, bir ışık dalgasıyla iletebileceğimiz bilgi miktarının, radyo dalgaları tarafından iletilen bilgi miktarından milyonlarca kat daha fazla olduğu anlamına gelir. Bu, büyük miktarda bilgiyi basit ve ucuz bir şekilde iletmek için harika bir fırsattır. Kural olarak bilgi, lazer radyasyonu kullanılarak bir fiber kablo üzerinden iletilir. Fiber optik, büyük miktarda iletilen bilgi içeren bir bilgisayar sinyalinin hızlı ve kaliteli iletimi için vazgeçilmezdir. Ve tüm bunların temelinde ışığın kırılması gibi basit ve yaygın bir olgu yatıyor.

Kaynakça

  1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizik (temel seviye) - Yüksek Lisans: Mnemozina, 2012.
  2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizik 10. sınıf. - M.: Mnemosyne, 2014.
  3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizik - 9, Moskova, Eğitim, 1990.
  1. edu.glavsprav.ru ().
  2. Nvtc.ee ().
  3. Raal100.narod.ru ().
  4. Optika.ucoz.ru ().

Ev ödevi

  1. Işığın kırılmasını tanımlayın.
  2. Işığın kırılmasının nedenini yazınız.
  3. Toplam iç yansımanın en popüler uygulamalarını adlandırın.