¿Cuál es el fenómeno de la reflexión interna total? Refracción de la luz

Primero, imaginemos un poco. Imagínese un caluroso día de verano antes de Cristo, un hombre primitivo usa una lanza para cazar peces. Se da cuenta de su posición, apunta y golpea por alguna razón en un lugar donde no se veía el pez. ¿Omitido? ¡No, el pescador tiene una presa en sus manos! Es que nuestro antepasado entendió intuitivamente el tema que estudiaremos ahora. En la vida cotidiana vemos que una cuchara sumergida en un vaso de agua parece torcida; cuando miramos a través de un frasco de vidrio, los objetos aparecen torcidos. Consideraremos todas estas cuestiones en la lección, cuyo tema es: “Refracción de la luz. La ley de la refracción de la luz. Completa reflexión interna."

En lecciones anteriores hablamos del destino de un rayo en dos casos: ¿qué sucede si un rayo de luz se propaga en un medio transparente y homogéneo? La respuesta correcta es que se extenderá en línea recta. ¿Qué sucede cuando un haz de luz incide en la interfaz entre dos medios? En la última lección hablamos del haz reflejado, hoy veremos esa parte del haz de luz que es absorbida por el medio.

¿Cuál será el destino del rayo que penetró desde el primer medio ópticamente transparente al segundo medio ópticamente transparente?

Arroz. 1. Refracción de la luz

Si un rayo incide en la interfaz entre dos medios transparentes, entonces parte de la energía luminosa regresa al primer medio, creando un rayo reflejado, y la otra parte pasa hacia el interior del segundo medio y, por regla general, cambia su dirección.

El cambio en la dirección de propagación de la luz cuando pasa a través de la interfaz entre dos medios se llama refracción de la luz(Figura 1).

Arroz. 2. Ángulos de incidencia, refracción y reflexión.

En la Figura 2 vemos un haz incidente; el ángulo de incidencia se denota por α. El rayo que marcará la dirección del haz de luz refractado se llamará rayo refractado. El ángulo entre la perpendicular a la interfaz, reconstruida desde el punto de incidencia, y el rayo refractado se denomina ángulo de refracción; en la figura es el ángulo γ. Para completar el cuadro, daremos también una imagen del haz reflejado y, en consecuencia, el ángulo de reflexión β. ¿Cuál es la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción? ¿Es posible predecir, conociendo el ángulo de incidencia y por qué medio pasó el haz, cuál será el ángulo de refracción? ¡Resulta que es posible!

Obtenemos una ley que describe cuantitativamente la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción. Utilicemos el principio de Huygens, que regula la propagación de ondas en un medio. La ley consta de dos partes.

El rayo incidente, el rayo refractado y la perpendicular restablecida al punto de incidencia se encuentran en el mismo plano..

La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es un valor constante para dos medios dados y es igual a la relación de las velocidades de la luz en estos medios.

Esta ley se llama ley de Snell, en honor al científico holandés que la formuló por primera vez. La razón de la refracción es la diferencia en la velocidad de la luz en diferentes medios. Puede verificar la validez de la ley de refracción dirigiendo experimentalmente un haz de luz en diferentes ángulos hacia la interfaz entre dos medios y midiendo los ángulos de incidencia y refracción. Si cambiamos estos ángulos, medimos los senos y encontramos la razón de los senos de estos ángulos, nos convenceremos de que la ley de refracción es efectivamente válida.

La prueba de la ley de refracción utilizando el principio de Huygens es otra confirmación de la naturaleza ondulatoria de la luz.

El índice de refracción relativo n 21 muestra cuántas veces la velocidad de la luz V 1 en el primer medio difiere de la velocidad de la luz V 2 en el segundo medio.

El índice de refracción relativo es una clara demostración del hecho de que la razón por la que la luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro es la diferente velocidad de la luz en los dos medios. El concepto de "densidad óptica del medio" se utiliza a menudo para caracterizar las propiedades ópticas de un medio (Fig. 3).

Arroz. 3. Densidad óptica del medio (α > γ)

Si un rayo pasa de un medio con una velocidad de luz más alta a un medio con una velocidad de luz más baja, entonces, como se puede ver en la Figura 3 y la ley de refracción de la luz, se presionará contra la perpendicular, es decir , el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia. En este caso, se dice que el haz ha pasado de un medio óptico menos denso a un medio ópticamente más denso. Ejemplo: del aire al agua; del agua al vaso.

También es posible la situación opuesta: la velocidad de la luz en el primer medio es menor que la velocidad de la luz en el segundo medio (Fig. 4).

Arroz. 4. Densidad óptica del medio (α< γ)

Entonces el ángulo de refracción será mayor que el ángulo de incidencia, y se dirá que dicha transición se realiza desde un medio ópticamente más denso a uno menos ópticamente denso (del vidrio al agua).

La densidad óptica de los dos medios puede diferir considerablemente, por lo que es posible la situación que se muestra en la fotografía (Fig. 5):

Arroz. 5. Diferencias en la densidad óptica de los medios.

Observe cómo la cabeza se desplaza con respecto al cuerpo en el líquido, en un entorno con mayor densidad óptica.

Sin embargo, el índice de refracción relativo no siempre es una característica conveniente con la que trabajar, porque depende de la velocidad de la luz en el primer y segundo medio, pero puede haber muchas combinaciones de este tipo y combinaciones de dos medios (agua - aire, vidrio - diamante, glicerina - alcohol, vidrio - agua, etc.). Las tablas serían muy engorrosas, sería inconveniente trabajar, y luego introdujeron un medio absoluto, con el que se compara la velocidad de la luz en otros medios. Se eligió el vacío como absoluto y se comparó la velocidad de la luz con la velocidad de la luz en el vacío.

Índice de refracción absoluto del medio n- esta es una cantidad que caracteriza la densidad óptica del medio y es igual a la relación de la velocidad de la luz CON en el vacío a la velocidad de la luz en un entorno determinado.

El índice de refracción absoluto es más conveniente para el trabajo, porque siempre sabemos que la velocidad de la luz en el vacío es igual a 3,10 8 m/s y es una constante física universal.

El índice de refracción absoluto depende de parámetros externos: temperatura, densidad y también de la longitud de onda de la luz, por lo que las tablas suelen indicar el índice de refracción promedio para un rango de longitud de onda determinado. Si comparamos los índices de refracción del aire, el agua y el vidrio (Fig. 6), vemos que el aire tiene un índice de refracción cercano a la unidad, por lo que lo tomaremos como unidad a la hora de resolver problemas.

Arroz. 6. Tabla de índices de refracción absolutos para diferentes medios.

No es difícil obtener una relación entre el índice de refracción absoluto y relativo de los medios.

El índice de refracción relativo, es decir, para un rayo que pasa del medio uno al medio dos, es igual a la relación entre el índice de refracción absoluto en el segundo medio y el índice de refracción absoluto en el primer medio.

Por ejemplo: = ≈ 1,16

Si los índices de refracción absolutos de dos medios son casi iguales, esto significa que el índice de refracción relativo al pasar de un medio a otro será igual a uno, es decir, el rayo de luz en realidad no se refractará. Por ejemplo, al pasar de aceite de anís a una piedra preciosa de berilo, la luz prácticamente no se doblará, es decir, se comportará igual que al pasar por aceite de anís, ya que su índice de refracción es de 1,56 y 1,57 respectivamente, por lo que la piedra preciosa puede ser como si estuviera escondido en un líquido, simplemente no será visible.

Si echamos agua en un vaso transparente y miramos a la luz a través de la pared del vaso, veremos un brillo plateado en la superficie debido al fenómeno de reflexión interna total, del que hablaremos ahora. Cuando un haz de luz pasa de un medio óptico más denso a uno menos denso, se puede observar un efecto interesante. Para ser más precisos, asumiremos que la luz pasa del agua al aire. Supongamos que en las profundidades del embalse hay una fuente puntual de luz S, que emite rayos en todas direcciones. Por ejemplo, un buzo ilumina una linterna.

El haz SO 1 incide sobre la superficie del agua en el ángulo más pequeño, este haz se refracta parcialmente (el haz O 1 A 1) y se refleja parcialmente de regreso al agua: el haz O 1 B 1. Así, parte de la energía del haz incidente se transfiere al haz refractado y la energía restante se transfiere al haz reflejado.

Arroz. 7. Reflexión interna total

El haz de SO 2, cuyo ángulo de incidencia es mayor, también se divide en dos haces: refractado y reflejado, pero la energía del haz original se distribuye entre ellos de forma diferente: el haz refractado O 2 A 2 será más tenue que el O 1 Un rayo 1, es decir, recibirá una proporción menor de energía y, en consecuencia, el haz reflejado O 2 B 2 será más brillante que el haz O 1 B 1, es decir, recibirá una proporción mayor de energía. A medida que aumenta el ángulo de incidencia, se observa el mismo patrón: una proporción cada vez mayor de la energía del haz incidente va al haz reflejado y una proporción cada vez menor al haz refractado. El haz refractado se vuelve cada vez más tenue y en algún momento desaparece por completo. Esta desaparición se produce cuando alcanza el ángulo de incidencia, que corresponde al ángulo de refracción de 90 0. En esta situación, el haz refractado OA debería haber ido paralelo a la superficie del agua, pero no quedaba nada por recorrer: toda la energía del haz incidente SO fue completamente al haz reflejado OB. Naturalmente, con un mayor aumento del ángulo de incidencia, el haz refractado desaparecerá. El fenómeno descrito es la reflexión interna total, es decir, un medio óptico más denso en los ángulos considerados no emite rayos de sí mismo, todos se reflejan en su interior. El ángulo en el que ocurre este fenómeno se llama ángulo límite de reflexión interna total.

El valor del ángulo límite se puede encontrar fácilmente a partir de la ley de refracción:

= => = arcosen, para agua ≈ 49 0

La aplicación más interesante y popular del fenómeno de la reflexión interna total son las llamadas guías de ondas o fibra óptica. Este es exactamente el método de envío de señales que utilizan las empresas de telecomunicaciones modernas en Internet.

Obtuvimos la ley de refracción de la luz, introdujimos un nuevo concepto: índices de refracción relativos y absolutos, y también comprendimos el fenómeno de la reflexión interna total y sus aplicaciones, como la fibra óptica. Puede consolidar sus conocimientos analizando las pruebas y simuladores relevantes en la sección de lecciones.

Obtengamos una prueba de la ley de refracción de la luz utilizando el principio de Huygens. Es importante entender que la causa de la refracción es la diferencia en la velocidad de la luz en dos medios diferentes. Denotemos la velocidad de la luz en el primer medio como V 1 y en el segundo medio como V 2 (Fig. 8).

Arroz. 8. Prueba de la ley de refracción de la luz.

Deje que una onda de luz plana caiga sobre una interfaz plana entre dos medios, por ejemplo del aire al agua. La superficie de la onda AS es perpendicular a los rayos y , el rayo alcanza primero la interfaz entre los medios MN, y el rayo llega a la misma superficie después de un intervalo de tiempo ∆t, que será igual al camino SV dividido por la velocidad. de luz en el primer medio.

Por lo tanto, en el momento en que la onda secundaria en el punto B apenas comienza a excitarse, la onda del punto A ya tiene la forma de un hemisferio con radio AD, que es igual a la velocidad de la luz en el segundo medio en ∆ t: AD = ·∆t, es decir, principio de Huygens en la acción visual. La superficie de onda de una onda refractada se puede obtener trazando una superficie tangente a todas las ondas secundarias en el segundo medio, cuyos centros se encuentran en la interfaz entre los medios, en este caso este es el plano BD, es la envoltura de las ondas secundarias. El ángulo de incidencia α del haz es igual al ángulo CAB en el triángulo ABC, los lados de uno de estos ángulos son perpendiculares a los lados del otro. En consecuencia, SV será igual a la velocidad de la luz en el primer medio en ∆t

CB = ∆t = AB sen α

A su vez, el ángulo de refracción será igual al ángulo ABD en el triángulo ABD, por tanto:

АD = ∆t = АВ sen γ

Dividiendo las expresiones término por término, obtenemos:

n es un valor constante que no depende del ángulo de incidencia.

Hemos obtenido la ley de refracción de la luz, el seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de refracción es un valor constante para estos dos medios y es igual a la relación de las velocidades de la luz en los dos medios dados.

Un recipiente cúbico con paredes opacas se coloca de manera que el ojo del observador no vea su fondo, sino que vea completamente la pared del recipiente CD. ¿Cuánta agua se debe verter en el recipiente para que el observador pueda ver un objeto F ubicado a una distancia b = 10 cm del ángulo D? Borde del vaso α = 40 cm (Fig. 9).

¿Qué es muy importante a la hora de solucionar este problema? Supongo que dado que el ojo no ve el fondo del recipiente, sino el punto extremo de la pared lateral, y el recipiente es un cubo, el ángulo de incidencia del rayo sobre la superficie del agua cuando la vertemos será igual a 45 0.

Arroz. 9. Tarea del Examen Estatal Unificado

El rayo incide en el punto F, esto significa que vemos claramente el objeto, y la línea de puntos negra muestra el curso del rayo si no hubiera agua, es decir, hasta el punto D. Del triángulo NFK, la tangente del ángulo β, la tangente del ángulo de refracción, es la relación entre el lado opuesto y el adyacente o, según la figura, h menos b dividido por h.

tg β = = , h es la altura del líquido que vertimos;

El fenómeno más intenso de reflexión interna total se utiliza en los sistemas de fibra óptica.

Arroz. 10. Fibra óptica

Si un haz de luz se dirige al extremo de un tubo de vidrio sólido, luego de múltiples reflexiones internas totales el haz saldrá por el lado opuesto del tubo. Resulta que el tubo de vidrio es un conductor de una onda luminosa o una guía de ondas. Esto sucederá independientemente de si el tubo es recto o curvo (Figura 10). Las primeras guías de luz, este es el segundo nombre de las guías de onda, se utilizaron para iluminar lugares de difícil acceso (durante la investigación médica, cuando se suministra luz a un extremo de la guía de luz y el otro extremo ilumina el lugar deseado). La aplicación principal es la medicina, la detección de defectos en motores, pero estas guías de ondas se utilizan más ampliamente en los sistemas de transmisión de información. La frecuencia portadora al transmitir una señal mediante una onda de luz es un millón de veces mayor que la frecuencia de una señal de radio, lo que significa que la cantidad de información que podemos transmitir mediante una onda de luz es millones de veces mayor que la cantidad de información transmitida. por ondas de radio. Esta es una gran oportunidad para transmitir una gran cantidad de información de una manera sencilla y económica. Normalmente, la información se transmite a través de un cable de fibra mediante radiación láser. La fibra óptica es indispensable para la transmisión rápida y de alta calidad de una señal de computadora que contiene una gran cantidad de información transmitida. Y la base de todo esto es un fenómeno tan simple y común como la refracción de la luz.

Bibliografía

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Tarea

1. Definir la refracción de la luz.
2. Nombra el motivo de la refracción de la luz.
3. Nombra las aplicaciones más populares de reflexión interna total.

Señalamos en el § 81 que cuando la luz incide en la interfaz entre dos medios, la energía luminosa se divide en dos partes: una parte se refleja y la otra penetra a través de la interfaz hasta el segundo medio. Usando el ejemplo de la transición de la luz del aire al vidrio, es decir, de un medio ópticamente menos denso a un medio ópticamente más denso, vimos que la proporción de energía reflejada depende del ángulo de incidencia. En este caso, la fracción de energía reflejada aumenta mucho a medida que aumenta el ángulo de incidencia; sin embargo, incluso con ángulos de incidencia muy grandes, cercanos a , cuando el haz de luz casi se desliza a lo largo de la interfaz, parte de la energía luminosa todavía pasa al segundo medio (ver §81, tablas 4 y 5).

Un nuevo fenómeno interesante surge si la luz que se propaga en cualquier medio cae en la interfaz entre este medio y un medio que es ópticamente menos denso, es decir, que tiene un índice de refracción absoluto más bajo. También en este caso la fracción de energía reflejada aumenta al aumentar el ángulo de incidencia, pero el aumento sigue una ley diferente: a partir de un determinado ángulo de incidencia, toda la energía luminosa se refleja desde la interfaz. Este fenómeno se llama reflexión interna total.

Consideremos nuevamente, como en §81, la incidencia de la luz en la interfaz entre el vidrio y el aire. Deje que un haz de luz caiga desde el vidrio sobre la interfaz con diferentes ángulos de incidencia (Fig. 186). Si medimos la fracción de energía luminosa reflejada y la fracción de energía luminosa que pasa a través de la interfaz, obtenemos los valores que figuran en la tabla. 7 (el vidrio, como en la Tabla 4, tenía un índice de refracción).

Arroz. 186. Reflexión interna total: el espesor de los rayos corresponde a la fracción de energía luminosa cargada o atravesada por la interfaz

El ángulo de incidencia desde el cual toda la energía luminosa se refleja desde la interfaz se denomina ángulo límite de reflexión interna total. Para el vaso para el que se compiló la mesa. 7 (), el ángulo límite es aproximadamente .

Tabla 7. Fracciones de energía reflejada para varios ángulos de incidencia cuando la luz pasa del vidrio al aire

Observemos que cuando la luz incide sobre la interfaz en un ángulo límite, el ángulo de refracción es igual a , es decir, en la fórmula que expresa la ley de refracción para este caso,

cuando tenemos que poner o . Desde aquí encontramos

En ángulos de incidencia mayores que ese, no hay rayo refractado. Formalmente, esto se deriva del hecho de que en ángulos de incidencia grandes según la ley de refracción, se obtienen valores mayores que la unidad, lo que obviamente es imposible.

En mesa La Tabla 8 muestra los ángulos límite de reflexión interna total para algunas sustancias, cuyos índices de refracción se dan en la tabla. 6. Es fácil verificar la validez de la relación (84.1).

Tabla 8. Ángulo límite de reflexión interna total en el límite con el aire

Se puede observar una reflexión interna total en el límite de las burbujas de aire en el agua. Brillan porque la luz del sol que incide sobre ellas se refleja completamente sin pasar a las burbujas. Esto se nota especialmente en esas burbujas de aire que siempre están presentes en los tallos y hojas de las plantas submarinas y que al sol parecen estar hechas de plata, es decir, de un material que refleja muy bien la luz.

La reflexión interna total encuentra aplicación en el diseño de prismas giratorios y giratorios de vidrio, cuya acción se desprende claramente de la Fig. 187. El ángulo límite de un prisma depende del índice de refracción de un tipo determinado de vidrio; Por tanto, el uso de tales prismas no presenta dificultades en cuanto a la elección de los ángulos de entrada y salida de los rayos luminosos. Los prismas giratorios cumplen con éxito las funciones de espejos y tienen la ventaja de que sus propiedades reflectantes permanecen sin cambios, mientras que los espejos metálicos se desvanecen con el tiempo debido a la oxidación del metal. Cabe señalar que el prisma envolvente tiene un diseño más simple que el sistema giratorio equivalente de espejos. Los prismas giratorios se utilizan especialmente en periscopios.

Arroz. 187. Trayectoria de los rayos en un prisma giratorio de vidrio (a), un prisma envolvente (b) y en un tubo de plástico curvo - guía de luz (c)

Reflexión interna total

Reflexión interna- el fenómeno de reflexión de ondas electromagnéticas en la interfaz entre dos medios transparentes, siempre que la onda incida desde un medio con un índice de refracción superior.

Reflexión interna incompleta- reflexión interna, siempre que el ángulo de incidencia sea inferior al ángulo crítico. En este caso, el haz se divide en refractado y reflejado.

Reflexión interna total- reflexión interna, siempre que el ángulo de incidencia supere un determinado ángulo crítico. En este caso, la onda incidente se refleja completamente y el valor del coeficiente de reflexión supera sus valores más altos para superficies pulidas. Además, la reflectancia de la reflexión interna total es independiente de la longitud de onda.

Este fenómeno óptico se observa en una amplia gama de radiación electromagnética, incluida la gama de rayos X.

En el marco de la óptica geométrica, la explicación del fenómeno es trivial: basándonos en la ley de Snell y teniendo en cuenta que el ángulo de refracción no puede superar los 90°, obtenemos que para un ángulo de incidencia cuyo seno sea mayor que la relación de los Un índice de refracción menor al coeficiente mayor, la onda electromagnética debe reflejarse completamente en el primer medio.

De acuerdo con la teoría ondulatoria del fenómeno, la onda electromagnética todavía penetra en el segundo medio: allí se propaga la llamada "onda no uniforme", que decae exponencialmente y no transporta energía consigo. La profundidad característica de penetración de una onda no homogénea en el segundo medio es del orden de la longitud de onda.

Reflexión interna total de la luz.

Consideremos la reflexión interna usando el ejemplo de dos rayos monocromáticos que inciden en la interfaz entre dos medios. Los rayos caen desde una zona de un medio más denso (indicado en un color azul más oscuro) con un índice de refracción hasta el límite con un medio menos denso (indicado en un color azul claro) con un índice de refracción.

El rayo rojo cae en ángulo, es decir, en el límite del medio se bifurca: se refracta parcialmente y se refleja parcialmente. Parte del haz se refracta en ángulo.

El rayo verde cae y se refleja completamente src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.

Reflexión interna total en la naturaleza y la tecnología.

reflexión de rayos x

La refracción de los rayos X en incidencia rasante fue formulada por primera vez por M. A. Kumakhov, quien desarrolló el espejo de rayos X, y corroborada teóricamente por Arthur Compton en 1923.

Otros fenómenos ondulatorios

La demostración de la refracción y, por tanto, del efecto de la reflexión interna total, es posible, por ejemplo, en el caso de ondas sonoras en la superficie y en el espesor de un líquido durante la transición entre zonas de diferente viscosidad o densidad.

Se observan fenómenos similares al efecto de la reflexión interna total de la radiación electromagnética en haces de neutrones lentos.

Si una onda polarizada verticalmente incide en la interfaz en el ángulo de Brewster, se observará el efecto de refracción completa: no habrá onda reflejada.

Notas

Fundación Wikimedia.

• 2010.
• respiración completa

Cambio completo

Vea qué es “Reflexión interna total” en otros diccionarios: REFLEXIÓN INTERNA TOTAL - reflexión el. revista. Radiación (en particular, luz) cuando incide en la interfaz entre dos medios transparentes de un medio con un alto índice de refracción. p.v. o. ocurre cuando el ángulo de incidencia i excede un cierto ángulo límite (crítico)...

Reflexión interna total Enciclopedia física

Reflexión interna total- Reflexión interna total. Cuando la luz pasa desde un medio con n1 > n2, se produce una reflexión interna total si el ángulo de incidencia a2 > apr; en ángulo de incidencia a1 Diccionario enciclopédico ilustrado - reflejo de la radiación óptica (Ver Radiación óptica) (luz) o radiación electromagnética de otro rango (por ejemplo, ondas de radio) cuando incide en la interfaz entre dos medios transparentes desde un medio con un alto índice de refracción... ...

Vea qué es “Reflexión interna total” en otros diccionarios: Gran enciclopedia soviética - las ondas electromagnéticas, se producen cuando pasan de un medio con un índice de refracción grande n1 a un medio con un índice de refracción menor n2 con un ángulo de incidencia a que excede el ángulo límite apr, determinado por la relación sinapr=n2/n1. Lleno... ...

Vea qué es “Reflexión interna total” en otros diccionarios: enciclopedia moderna - REFLEXIÓN INTERNA COMPLETA, REFLEXIÓN sin REFRACCIÓN de la luz en el límite. Cuando la luz pasa de un medio más denso (por ejemplo, vidrio) a un medio menos denso (agua o aire), existe una zona de ángulos de refracción en la que la luz no atraviesa el límite...

Diccionario enciclopédico científico y técnico. reflexión interna total - Reflexión de la luz desde un medio ópticamente menos denso con retorno completo al medio de donde cae. [Colección de términos recomendados. Número 79. Óptica física. Academia de Ciencias de la URSS. Comité de Terminología Científica y Técnica. 1970] Temas… …

Vea qué es “Reflexión interna total” en otros diccionarios: Guía del traductor técnico - Las ondas electromagnéticas se producen cuando inciden oblicuamente en la interfaz entre 2 medios, cuando la radiación pasa de un medio con un índice de refracción grande n1 a un medio con un índice de refracción más bajo n2, y el ángulo de incidencia i excede el ángulo límite. .

Diccionario enciclopédico científico y técnico.- ondas electromagnéticas, ocurre con incidencia oblicua en la interfaz entre 2 medios, cuando la radiación pasa de un medio con un índice de refracción grande n1 a un medio con un índice de refracción más bajo n2, y el ángulo de incidencia i excede el ángulo límite ipr. . diccionario enciclopédico

utilizado en la llamada fibra óptica. La fibra óptica es la rama de la óptica que se ocupa de la transmisión de radiación luminosa a través de guías de luz de fibra óptica. Las guías de luz de fibra óptica son un sistema de fibras transparentes individuales ensambladas en haces (haces). La luz que ingresa a una fibra transparente rodeada por una sustancia con un índice de refracción más bajo se refleja muchas veces y se propaga a lo largo de la fibra (ver Fig. 5.3).

1) En medicina y diagnóstico veterinario, las guías de luz se utilizan principalmente para iluminar las cavidades internas y transmitir imágenes.

Un ejemplo del uso de la fibra óptica en medicina es endoscopio– un dispositivo especial para examinar las cavidades internas (estómago, recto, etc.). Una de las variedades de tales dispositivos es la fibra. gastroscopio. Con su ayuda, no solo puede examinar visualmente el estómago, sino también tomar las fotografías necesarias con fines de diagnóstico.

2) Mediante guías de luz, la radiación láser también se transmite a los órganos internos con el fin de ejercer efectos terapéuticos sobre los tumores.

3) La fibra óptica ha encontrado una amplia aplicación en tecnología. Debido al rápido desarrollo de los sistemas de información en los últimos años, ha surgido la necesidad de una transmisión rápida y de alta calidad de información a través de canales de comunicación. Para ello se transmiten señales a través de un rayo láser que se propaga a lo largo de conductores de luz de fibra óptica.

PROPIEDADES ONDULARES DE LA LUZ

INTERFERENCIA SVETA.

Interferencia– una de las manifestaciones más brillantes de la naturaleza ondulatoria de la luz. Este interesante y hermoso fenómeno se observa bajo ciertas condiciones cuando se superponen dos o más rayos de luz. Con bastante frecuencia nos encontramos con fenómenos de interferencia: los colores de las manchas de aceite en el asfalto, el color del cristal helado de las ventanas, extraños patrones de colores en las alas de algunas mariposas y escarabajos: todo esto es una manifestación de la interferencia de la luz.

INTERFERENCIA DE LUZ- suma en el espacio de dos o más coherente ondas de luz, en las que en diferentes puntos resulta ganancia o pérdida de amplitud la onda resultante.

Coherencia.

Coherencia Se llama la ocurrencia coordinada en el tiempo y el espacio de varios procesos oscilatorios u ondulatorios, es decir. ondas con la misma frecuencia y diferencia de fase constante en el tiempo.

Ondas monocromáticas ( ondas de la misma longitud de onda ) - son coherentes.

Porque fuentes reales no producen luz estrictamente monocromática, entonces las ondas emitidas por fuentes de luz independientes siempre incoherente. En la fuente, la luz es emitida por átomos, cada uno de los cuales emite luz solo durante un tiempo de ≈ 10 -8 s. Sólo durante este tiempo las ondas emitidas por el átomo tienen una amplitud y fase de oscilación constantes. Pero sé coherente Las ondas se pueden dividir dividiendo un haz de luz emitido por una fuente en 2 ondas de luz y, después de pasar por diferentes caminos, conectándolas nuevamente. Entonces la diferencia de fase estará determinada por la diferencia en las trayectorias de las ondas: en constante diferencia de fase diferencia de fase será también constante .

CONDICIÓN MÁXIMA INTERFERENCIA :

Si diferencia de camino óptico ∆ en el vacío es igual a un número par de medias ondas o (un número entero de longitudes de onda)

en la misma fase.

CONDICIÓN MÍNIMA INTERFERENCIA.

Si diferencia de camino óptico ∆ igual a número impar de medias ondas

entonces ocurrirán las oscilaciones excitadas en el punto M en antifase.

Un ejemplo típico y común de interferencia lumínica es la película de jabón.

Aplicación de interferencia – Recubrimiento de la óptica: Parte de la luz que pasa a través de las lentes se refleja (hasta un 50% en sistemas ópticos complejos). La esencia del método antirreflectante es que las superficies de los sistemas ópticos se cubren con películas delgadas que crean fenómenos de interferencia. Espesor de la película d=l/4 de la luz incidente, entonces la luz reflejada tiene una diferencia de trayectoria, que corresponde a un mínimo de interferencia

DIFRACCIÓN DE LA LUZ

Difracción llamado doblar olas alrededor de obstáculos, encontrado en su camino, o en un sentido más amplio - cualquier desviación en la propagación de ondas cerca de obstáculos de heterosexual.

La capacidad de observar la difracción depende de la relación entre la longitud de onda de la luz y el tamaño de los obstáculos (inhomogeneidades).

Difracción Fraunhofer sobre una red de difracción.

Rejilla de difracción unidimensional - un sistema de hendiduras paralelas de igual ancho, situadas en el mismo plano y separadas por intervalos opacos de igual ancho.

Patrón de difracción total es el resultado de la interferencia mutua de ondas provenientes de todas las rendijas - En una rejilla de difracción se produce una interferencia multihaz de haces de luz difractados coherentes procedentes de todas las rendijas.

Si un - ancho cada grieta (MINNESOTA); b - ancho de áreas opacas entre las grietas (CAROLINA DEL NORTE), entonces el valor d = a+ b llamado constante (período) de la red de difracción.

donde N 0 es el número de ranuras por unidad de longitud.

La diferencia de camino ∆ de los rayos (1-2) y (3-4) es igual a CF

1. .CONDICIÓN MÍNIMA Si la diferencia de camino CF = (2n+1)l/2– es igual a un número impar de medias longitudes de onda, entonces las oscilaciones de los haces 1-2 y 3-4 estarán en antifase y se cancelarán entre sí iluminación:

norte = 1,2,3,4 … (4.8)

El ángulo límite de reflexión total es el ángulo de incidencia de la luz en la interfaz entre dos medios, correspondiente a un ángulo de refracción de 90 grados.

La fibra óptica es una rama de la óptica que estudia los fenómenos físicos que surgen y ocurren en las fibras ópticas.

4. Propagación de ondas en un medio ópticamente no homogéneo. Explicación de la curvatura de los rayos. Espejismos. Refracción astronómica. Medio no homogéneo para ondas de radio.

El espejismo es un fenómeno óptico en la atmósfera: el reflejo de la luz por un límite entre capas de aire que tienen densidades muy diferentes. Para un observador, tal reflexión significa que junto con un objeto distante (o parte del cielo), su imagen virtual, desplazada con respecto al objeto, es visible. Los espejismos se dividen en inferiores, visibles debajo del objeto, superiores, encima del objeto y laterales.

Espejismo inferior

Se observa con un gradiente de temperatura vertical muy grande (disminuye con la altura) sobre una superficie plana sobrecalentada, a menudo un desierto o una carretera asfaltada. La imagen virtual del cielo crea la ilusión de agua en la superficie. Así, la carretera que se extiende a lo lejos en un caluroso día de verano parece mojada.

Espejismo superior

Observado sobre la fría superficie terrestre con una distribución de temperatura invertida (aumenta con su altura).

Fata Morgana

Los fenómenos complejos de espejismos con una fuerte distorsión de la apariencia de los objetos se denominan Fata Morgana.

Espejismo de volumen

En las montañas, es muy raro, bajo ciertas condiciones, ver el “yo distorsionado” a una distancia bastante cercana. Este fenómeno se explica por la presencia de vapor de agua "estancado" en el aire.

La refracción astronómica es el fenómeno de refracción de los rayos de luz de los cuerpos celestes al atravesar la atmósfera. Dado que la densidad de las atmósferas planetarias siempre disminuye con la altura, la refracción de la luz se produce de tal manera que la convexidad del rayo curvo en todos los casos es. dirigido hacia el cenit. En este sentido, la refracción siempre "eleva" las imágenes de los cuerpos celestes por encima de su verdadera posición.

La refracción provoca una serie de efectos óptico-atmosféricos en la Tierra: aumento Dia largo debido a que el disco solar, por refracción, se eleva sobre el horizonte unos minutos antes del momento en que debería haber salido el Sol por consideraciones geométricas; el achatamiento de los discos visibles de la Luna y el Sol cerca del horizonte debido al hecho de que el borde inferior de los discos se eleva por refracción más alto que el superior; centelleo de estrellas, etc. Debido a la diferencia en la magnitud de la refracción de los rayos de luz con diferentes longitudes de onda (los rayos azules y violetas se desvían más que los rojos), se produce una coloración aparente de los cuerpos celestes cerca del horizonte.

5. El concepto de onda linealmente polarizada. Polarización de la luz natural. Radiación no polarizada. Polarizadores dicroicos. Polarizador y analizador de luz. La ley de Malus.

Polarización de ondas- el fenómeno de romper la simetría de la distribución de perturbaciones en transverso onda (por ejemplo, intensidades de campos eléctricos y magnéticos en ondas electromagnéticas) en relación con la dirección de su propagación. EN longitudinal La polarización no puede ocurrir en una onda, ya que las perturbaciones en este tipo de onda siempre coinciden con la dirección de propagación.

lineal: las oscilaciones perturbadoras ocurren en un plano. En este caso hablan de “ plano polarizado ola";

circular: el final del vector de amplitud describe un círculo en el plano de oscilación. Dependiendo del sentido de rotación del vector, puede haber bien o izquierda.

La polarización de la luz es el proceso de ordenar las oscilaciones del vector de intensidad del campo eléctrico de una onda de luz cuando la luz pasa a través de ciertas sustancias (durante la refracción) o cuando se refleja el flujo de luz.

Un polarizador dicroico contiene una película que contiene al menos una sustancia orgánica dicroica, cuyas moléculas o fragmentos de moléculas tienen una estructura plana. Al menos parte de la película tiene una estructura cristalina. Una sustancia dicroica tiene al menos un máximo de la curva de absorción espectral en los rangos espectrales de 400 - 700 nm y/o 200 - 400 nm y 0,7 - 13 µm. Al fabricar un polarizador, se aplica al sustrato una película que contiene una sustancia orgánica dicroica, se le aplica un efecto de orientación y se seca. En este caso, las condiciones para aplicar la película y el tipo y magnitud de la influencia de orientación se eligen de modo que el parámetro de orden de la película, correspondiente al menos a un máximo en la curva de absorción espectral en el rango espectral de 0,7 - 13 μm, tiene un valor de al menos 0,8. La estructura cristalina de al menos parte de la película es una red cristalina tridimensional formada por moléculas de materia orgánica dicroica. El rango espectral del polarizador se amplía al mismo tiempo que se mejoran sus características de polarización.

La ley de Malus es una ley física que expresa la dependencia de la intensidad de la luz polarizada linealmente después de pasar a través de un polarizador del ángulo entre los planos de polarización de la luz incidente y el polarizador.

Dónde I 0 - intensidad de la luz que incide sobre el polarizador, I- intensidad de la luz que sale del polarizador, k una- coeficiente de transparencia del polarizador.

6. Fenómeno Brewster. Fórmulas de Fresnel para el coeficiente de reflexión para ondas cuyo vector eléctrico se encuentra en el plano de incidencia y para ondas cuyo vector eléctrico es perpendicular al plano de incidencia. Dependencia de los coeficientes de reflexión del ángulo de incidencia. El grado de polarización de las ondas reflejadas.

La ley de Brewster es una ley de la óptica que expresa la relación del índice de refracción con el ángulo en el que la luz reflejada desde la interfaz estará completamente polarizada en un plano perpendicular al plano de incidencia, y el haz refractado estará parcialmente polarizado en el plano de incidencia, y la polarización del haz refractado alcanza su mayor valor. Es fácil comprobar que en este caso los rayos reflejados y refractados son mutuamente perpendiculares. El ángulo correspondiente se llama ángulo de Brewster. Ley de Brewster: , donde norte 21 - índice de refracción del segundo medio con respecto al primero, θ hermano- ángulo de incidencia (ángulo de Brewster). Las amplitudes de las ondas incidente (U inc) y reflejada (U ref) en la línea KBB están relacionadas por la relación:

K bv = (U pad - U neg) / (U pad + U neg)

A través del coeficiente de reflexión de voltaje (K U), el KVV se expresa de la siguiente manera:

K bv = (1 - KU) / (1 + KU) Con una carga puramente activa, el BV es igual a:

K bv = R / ρ en R< ρ или

K bv = ρ / R para R ≥ ρ

donde R es la resistencia de carga activa, ρ es la impedancia característica de la línea

7. El concepto de interferencia luminosa. La suma de dos ondas incoherentes y coherentes cuyas líneas de polarización coinciden. Dependencia de la intensidad de la onda resultante al sumar dos ondas coherentes de la diferencia de sus fases. El concepto de diferencia geométrica y óptica en las trayectorias de las ondas. Condiciones generales para la observación de máximos y mínimos de interferencia.

La interferencia de luz es la suma no lineal de las intensidades de dos o más ondas de luz. Este fenómeno va acompañado de máximas y mínimas alternas de intensidad en el espacio. Su distribución se llama patrón de interferencia. Cuando la luz interfiere, la energía se redistribuye en el espacio.

Las ondas y las fuentes que las excitan se llaman coherentes si la diferencia de fase entre las ondas no depende del tiempo. Las ondas y las fuentes que las excitan se denominan incoherentes si la diferencia de fase entre las ondas cambia con el tiempo. Fórmula para la diferencia:

, Dónde , ,

8. Métodos de laboratorio para observar la interferencia de la luz: experimento de Young, biprisma de Fresnel, espejos de Fresnel. Cálculo de la posición de máximos y mínimos de interferencia.

Experimento de Young - En el experimento, se dirige un haz de luz sobre una pantalla opaca con dos rendijas paralelas, detrás de la cual se instala una pantalla de proyección. Este experimento demuestra la interferencia de la luz, lo que es una prueba de la teoría ondulatoria. La peculiaridad de las rendijas es que su ancho es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz emitida. El efecto del ancho de la ranura sobre la interferencia se analiza a continuación.

Si asumimos que la luz está formada por partículas ( teoría corpuscular de la luz), entonces en la pantalla de proyección sólo se podían ver dos franjas de luz paralelas que pasaban a través de las rendijas de la pantalla. Entre ambos, la pantalla de proyección permanecería prácticamente apagada.

Biprisma de Fresnel - en física - un prisma doble con ángulos muy pequeños en los vértices.
Un biprisma de Fresnel es un dispositivo óptico que permite la formación de dos ondas coherentes a partir de una fuente de luz, lo que permite observar un patrón de interferencia estable en la pantalla.
El biprisma de Frenkel sirve como medio para demostrar experimentalmente la naturaleza ondulatoria de la luz.

Los espejos de Fresnel son un dispositivo óptico propuesto en 1816 por O. J. Fresnel para observar el fenómeno de interferencia de haces de luz coherentes. El dispositivo consta de dos espejos planos I y II, que forman un ángulo diédrico que se diferencia de 180° en sólo unos pocos minutos angulares (ver figura 1 en el artículo Interferencia de la luz). Cuando los espejos se iluminan desde una fuente S, se puede considerar que los haces de rayos reflejados en los espejos emanan de fuentes coherentes S1 y S2, que son imágenes virtuales de S. En el espacio donde los haces se superponen, se produce interferencia. Si la fuente S es lineal (rendija) y paralela al borde de los fotones, entonces, cuando se ilumina con luz monocromática, se observa en la pantalla M un patrón de interferencia en forma de franjas oscuras y claras igualmente espaciadas paralelas a la rendija, que Se puede instalar en cualquier lugar del área de superposición de las vigas. La distancia entre las franjas se puede utilizar para determinar la longitud de onda de la luz. Los experimentos realizados con fotones fueron una de las pruebas decisivas del carácter ondulatorio de la luz.

9. Interferencia de la luz en películas delgadas. Condiciones para la formación de franjas claras y oscuras en luz reflejada y transmitida.

10. Franjas de igual pendiente y franjas de igual espesor. Los anillos de interferencia de Newton. Radios de anillos oscuros y claros.

11. Interferencia de la luz en películas delgadas con incidencia de luz normal. Recubrimiento de instrumentos ópticos.

12. Interferómetros ópticos de Michelson y Jamin. Determinación del índice de refracción de una sustancia mediante interferómetros de dos haces.

13. El concepto de interferencia de luz multihaz. Interferómetro de Fabry-Perot. La suma de un número finito de ondas de igual amplitud, cuyas fases forman una progresión aritmética. Dependencia de la intensidad de la onda resultante de la diferencia de fase de las ondas perturbadoras. La condición para la formación de los máximos y mínimos principales de interferencia. La naturaleza del patrón de interferencia multihaz.

14. El concepto de difracción de ondas. Parámetro de onda y límites de aplicabilidad de las leyes de la óptica geométrica. Principio de Huygens-Fresnel.

15. Método de la zona de Fresnel y prueba de la propagación rectilínea de la luz.

16. Difracción de Fresnel por un agujero redondo. Radios de zonas de Fresnel para un frente de onda esférico y plano.

17. Difracción de la luz sobre un disco opaco. Cálculo del área de zonas de Fresnel.

18. El problema de aumentar la amplitud de una onda al pasar por un agujero redondo. Placas de zona de amplitud y fase. Placas de enfoque y zona. Lente de enfoque como caso límite de una placa de zona de fase escalonada. Zonificación de lentes.