Realicemos un experimento. Coloquemos una placa de vidrio en el centro del disco óptico y dirijamos un haz de luz sobre ella. Veremos que en la frontera entre el aire y el vidrio la luz no solo se reflejará, sino que también penetrará en el vidrio, cambiando la dirección de su propagación (Fig. 84).

El cambio en la dirección de propagación de la luz al pasar a través de la interfaz entre dos medios se llama refracción de la luz.

En la Figura 84 se indica lo siguiente: AO - haz incidente; OB - haz reflejado; OE - rayo refractado.

Tenga en cuenta que si dirigimos el haz en la dirección EO, entonces, debido a la reversibilidad de los rayos de luz, saldría del vidrio en la dirección OA.

La refracción de la luz se explica por el cambio en la velocidad de propagación de la luz al pasar de un medio a otro. Por primera vez se dio una explicación de este tipo a este fenómeno a mediados del siglo XVII. Padre Maignan. Según Maignan, cuando la luz pasa de un medio a otro, el rayo de luz cambia de dirección, del mismo modo que cambia la dirección del movimiento del “frente de soldados” cuando la pradera por la que caminan los soldados está bloqueada por tierras de cultivo. , cuyo borde discurre en ángulo hacia el frente. Cada uno de los soldados que ha llegado a la tierra cultivable reduce la velocidad, mientras que los soldados que aún no han llegado a ella continúan caminando a la misma velocidad. Como resultado, los soldados que ingresaron a las tierras cultivables comienzan a quedarse atrás de los que caminan por el prado, y la columna de tropas se da la vuelta (Fig. 85).

Para determinar en qué dirección se desviará un rayo de luz cuando pase por la interfaz entre dos medios, es necesario saber en cuál de estos medios la velocidad de la luz es menor y en cuál es mayor.

La luz son ondas electromagnéticas. Por tanto, todo lo dicho sobre la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas (ver § 28) se aplica igualmente a la velocidad de la luz. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el vacío es máxima e igual a:

c = 299792 km/s ≈ 300000 km/s.

La velocidad de la luz en la materia v es siempre menor que en el vacío:

Los valores de la velocidad de la luz en varios medios se dan en la Tabla 6.

De los dos medios, aquel en el que la velocidad de la luz es menor se llama ópticamente más denso, y aquel en el que la velocidad de la luz es mayor - ópticamente menos denso. Por ejemplo, el agua es un medio ópticamente más denso que el aire y el vidrio es un medio ópticamente más denso que el agua.

La experiencia muestra que, al entrar en un medio ópticamente más denso, un rayo de luz se desvía de su dirección original hacia la perpendicular a la interfaz entre dos medios (Fig.86, a), y al entrar en un medio ópticamente menos denso, el rayo de luz se desvía hacia reverso (Fig. 86, b).

El ángulo entre el rayo refractado y la perpendicular a la interfaz entre dos medios en el punto de incidencia del rayo se llama ángulo de refracción. En la figura 86

α es el ángulo de incidencia, β es el ángulo de refracción.

En la Figura 86 se puede ver que el ángulo de refracción puede ser mayor o menor que el ángulo de incidencia. ¿Pueden coincidir estos ángulos? Pueden hacerlo, pero sólo cuando un haz de luz incide perpendicularmente a la interfaz entre los medios; en este caso α = β = 0.

La capacidad de refractar rayos varía entre los diferentes medios. Cuanto más difiere la velocidad de la luz en dos medios, más fuertemente se refractan los rayos en el límite entre ellos.

Una de las partes principales de muchos instrumentos ópticos es un prisma triangular de vidrio (Fig. 87, a). La Figura 87, b muestra la trayectoria del rayo en dicho prisma: como resultado de la doble refracción, el prisma triangular desvía el rayo que incide sobre él hacia su base.

La refracción de la luz es la razón por la que la profundidad de una masa de agua (río, estanque, bañera con agua) nos parece menor de lo que realmente es. Después de todo, para ver cualquier punto S en el fondo de un depósito, es necesario que los rayos de luz que emergen de él entren en el ojo del observador (Fig. 88). Pero después de la refracción en el límite entre el agua y el aire, el ojo percibirá el haz de luz como luz proveniente de una imagen virtual S 1 ubicada más arriba que el punto correspondiente S en el fondo del depósito. Se puede demostrar que la profundidad aparente de un yacimiento h es aproximadamente ¾ de su profundidad real H.

Este fenómeno fue descrito por primera vez por Euclides. Uno de sus libros habla de una experiencia con un anillo. El observador mira la copa con el anillo apoyado en su fondo de tal manera que los bordes de la copa no permiten que se le vea; luego, sin cambiar la posición de los ojos, comienzan a verter agua en la taza, y al cabo de un rato el anillo se hace visible.

Muchos otros fenómenos también se explican por la refracción de la luz, por ejemplo, la aparente curvatura de una cuchara que se deja caer en un vaso de agua; una posición más alta que la real de las estrellas y del Sol sobre el horizonte, etc.

1. ¿Cómo se llama refracción de la luz? 2. ¿Qué ángulo se llama ángulo de refracción? ¿Cómo se designa? 3. ¿Cuál es la velocidad de la luz en el vacío? 4. ¿Qué medio es ópticamente más denso: el hielo o el cuarzo? ¿Por qué? 5. ¿En qué caso el ángulo de refracción de la luz es menor que el ángulo de incidencia y en qué caso es mayor? 6. ¿Cuál es el ángulo de incidencia del haz si el haz refractado es perpendicular a la interfaz? 7. ¿Por qué la profundidad del embalse le parece menor a un observador que mira el agua desde arriba de lo que realmente es? ¿Cuál será la profundidad aparente del río si en realidad es de 2 m? 8. Hay trozos de vidrio, cuarzo y diamante en el aire. ¿En qué superficie se refractan más los rayos de luz?

tarea experimental. Repita el experimento de Euclides. Coloque un anillo (o moneda) en el fondo de la taza de té, luego colóquelo frente a usted de modo que los bordes de la taza cubran su fondo. Si, sin cambiar la posición relativa de la taza y los ojos, le viertes agua, entonces el anillo (o moneda) se vuelve visible. ¿Por qué?

Leyes de refracción de la luz.

Significado físico del índice de refracción. La luz se refracta debido a cambios en la velocidad de su propagación al pasar de un medio a otro. El índice de refracción del segundo medio con respecto al primero es numéricamente igual a la relación entre la velocidad de la luz en el primer medio y la velocidad de la luz en el segundo medio:

Así, el índice de refracción muestra cuántas veces la velocidad de la luz en el medio del que sale el haz es mayor (menor) que la velocidad de la luz en el medio en el que entra.

Dado que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es constante, es aconsejable determinar los índices de refracción de varios medios en relación con el vacío. relación de velocidad Con La propagación de la luz en el vacío a la velocidad de su propagación en un medio dado se llama índice de refracción absoluto de una sustancia determinada () y es la principal característica de sus propiedades ópticas,

,

aquellos. el índice de refracción del segundo medio con respecto al primero es igual a la relación de los índices absolutos de estos medios.

Normalmente, las propiedades ópticas de una sustancia se caracterizan por su índice de refracción. norte en relación con el aire, que difiere poco del índice de refracción absoluto. En este caso, un medio con un índice absoluto mayor se denomina ópticamente más denso.

Limitar el ángulo de refracción. Si la luz pasa de un medio con un índice de refracción más bajo a un medio con un índice de refracción más alto ( n 1< n 2 ), entonces el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia

r< i (Fig. 3).

Arroz. 3. Refracción de la luz durante la transición.

de un medio ópticamente menos denso a un medio

ópticamente más denso.

Cuando el ángulo de incidencia aumenta a yo soy = La luz de 90° (haz 3, Fig. 2) en el segundo medio se propagará sólo dentro del ángulo r pr llamado ángulo de refracción limitante. En la región del segundo medio dentro de un ángulo adicional al ángulo límite de refracción (90° - yo pr ), la luz no penetra (en la Fig. 3 esta zona está sombreada).

Limitar el ángulo de refracción r pr

Pero sen i m = 1, por lo tanto.

El fenómeno de la reflexión interna total. Cuando la luz proviene de un medio con un alto índice de refracción. norte 1 > norte 2 (Fig. 4), entonces el ángulo de refracción es mayor que el ángulo de incidencia. La luz se refracta (pasa a un segundo medio) sólo dentro del ángulo de incidencia. yo pr , que corresponde al ángulo de refracción r m = 90°.

Arroz. 4. Refracción de la luz al pasar de un medio ópticamente más denso a un medio

ópticamente menos denso.

La luz que incide en un ángulo grande se refleja completamente desde el límite de los medios (Fig. 4, rayo 3). Este fenómeno se llama reflexión interna total y el ángulo de incidencia yo pr – ángulo límite de reflexión interna total.

Ángulo límite de reflexión interna total. yo pr determinado según la condición:

, entonces sen r m =1, por lo tanto, .

Si la luz proviene de cualquier medio al vacío o al aire, entonces

Debido a la reversibilidad de la trayectoria del rayo para dos medios dados, el ángulo límite de refracción durante la transición del primer medio al segundo es igual al ángulo límite de reflexión interna total cuando el rayo pasa del segundo medio al primero.

El ángulo límite de reflexión interna total del vidrio es inferior a 42°. Por tanto, los rayos que atraviesan el vidrio y caen sobre su superficie en un ángulo de 45° se reflejan completamente. Esta propiedad del vidrio se utiliza en prismas giratorios (Fig. 5a) y reversibles (Fig. 4b), utilizados a menudo en instrumentos ópticos.

Arroz. 5: a – prisma giratorio; b – prisma reversible.

Fibra óptica. La reflexión interna total se utiliza en la construcción de flexibles. guías de luz. La luz, al entrar en 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 esta fibra (Fig. 6).

Fig.6. Paso de la luz dentro de una fibra transparente rodeada por una sustancia.

con un índice de refracción más bajo.

Para transmitir grandes flujos de luz y mantener la flexibilidad del sistema conductor de luz, las fibras individuales se recogen en haces: guías de luz. La rama de la óptica que se ocupa de la transmisión de luz e imágenes a través de fibras ópticas se llama fibra óptica. El mismo término se utiliza para referirse a las propias piezas y dispositivos de fibra óptica. En medicina, las guías de luz se utilizan para iluminar las cavidades internas con luz fría y transmitir imágenes.

Parte practica

Los dispositivos para determinar el índice de refracción de sustancias se denominan refractómetros(Figura 7).

Fig.7. Diagrama óptico del refractómetro.

1 – espejo, 2 – cabezal de medición, 3 – sistema de prisma para eliminar la dispersión, 4 – lente, 5 – prisma giratorio (rotación del haz de 90 0), 6 – escala (en algunos refractómetros

hay dos escalas: la escala del índice de refracción y la escala de concentración de la solución),

7 – ocular.

La parte principal del refractómetro es el cabezal de medición, que consta de dos prismas: el de iluminación, que se encuentra en la parte abatible del cabezal, y el de medición.

A la salida del prisma de iluminación, su superficie mate crea un haz de luz disperso que pasa a través del líquido en estudio (2-3 gotas) entre los prismas. Los rayos caen sobre la superficie del prisma de medición en diferentes ángulos, incluido un ángulo de 90 0 . En el prisma de medición, los rayos se recogen en la zona del ángulo límite de refracción, lo que explica la formación de la frontera luz-sombra en la pantalla del dispositivo.

Fig.8. Trayectoria del haz en el cabezal de medición:

1 – prisma de iluminación, 2 – líquido de prueba,

3 – prisma de medición, 4 – pantalla.

DETERMINAR EL PORCENTAJE DE AZÚCAR EN UNA SOLUCIÓN

Luz natural y polarizada. Luz visible- Este ondas electromagnéticas con una frecuencia de oscilación en el rango de 4∙10 14 a 7,5∙10 14 Hz. Ondas electromagnéticas son transverso: los vectores E y H de las intensidades de los campos eléctrico y magnético son mutuamente perpendiculares y se encuentran en un plano perpendicular al vector de velocidad de onda.

Debido a que los efectos químicos y biológicos de la luz están asociados principalmente con el componente eléctrico de la onda electromagnética, el vector mi la fuerza de este campo se llama vector de luz, y el plano de oscilación de este vector es plano de oscilaciones de ondas de luz.

En cualquier fuente de luz, muchos átomos y moléculas emiten ondas, los vectores de luz de estas ondas están ubicados en varios planos y las vibraciones ocurren en diferentes fases. En consecuencia, el plano de oscilación del vector luminoso de la onda resultante cambia continuamente de posición en el espacio (Fig. 1). Este tipo de luz se llama natural, o no polarizado.

Arroz. 1. Representación esquemática del haz y la luz natural.

Si selecciona dos planos mutuamente perpendiculares que pasan a través de un haz de luz natural y proyecta los vectores E en los planos, entonces, en promedio, estas proyecciones serán las mismas. Así, conviene representar un rayo de luz natural como una línea recta en la que se ubican la misma cantidad de ambas proyecciones en forma de guiones y puntos:

Cuando la luz atraviesa cristales, es posible obtener luz cuyo plano de oscilación de la onda ocupa una posición constante en el espacio. Este tipo de luz se llama departamento- o polarizado linealmente. Debido a la disposición ordenada de átomos y moléculas en la red espacial, el cristal transmite solo vibraciones del vector de luz que ocurren en un cierto plano característico de una red determinada.

Es conveniente representar una onda de luz polarizada plana de la siguiente manera:

La polarización de la luz también puede ser parcial. En este caso, la amplitud de las oscilaciones del vector luminoso en cualquier plano supera significativamente las amplitudes de las oscilaciones en otros planos.

La luz parcialmente polarizada se puede representar convencionalmente de la siguiente manera: , etc. La relación entre el número de líneas y puntos determina el grado de polarización de la luz.

En todos los métodos de conversión de luz natural en luz polarizada se seleccionan total o parcialmente de la luz natural componentes con una orientación muy específica del plano de polarización.

Métodos para producir luz polarizada: a) reflexión y refracción de la luz en el límite de dos dieléctricos; b) transmitir luz a través de cristales uniaxiales ópticamente anisotrópicos; c) transmisión de luz a través de medios cuya anisotropía óptica se crea artificialmente por la acción de un campo eléctrico o magnético, así como por deformación. Estos métodos se basan en el fenómeno. anisotropía.

Anisotropía es la dependencia de una serie de propiedades (mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas) de la dirección. Los cuerpos cuyas propiedades son iguales en todas direcciones se llaman isotrópico.

La polarización también se observa durante la dispersión de la luz. Cuanto menor sea el tamaño de las partículas sobre las que se produce la dispersión, mayor será el grado de polarización.

Los dispositivos diseñados para producir luz polarizada se llaman polarizadores.

Polarización de la luz durante la reflexión y refracción en la interfaz entre dos dieléctricos. Cuando la luz natural se refleja y refracta en la interfaz entre dos dieléctricos isotrópicos, sufre una polarización lineal. En cualquier ángulo de incidencia, la polarización de la luz reflejada es parcial. El haz reflejado está dominado por vibraciones perpendiculares al plano de incidencia y el haz refractado está dominado por vibraciones paralelas a él (Fig. 2).

Arroz. 2. Polarización parcial de la luz natural durante la reflexión y refracción.

Si el ángulo de incidencia satisface la condición tan i B = n 21, entonces la luz reflejada está completamente polarizada (ley de Brewster) y el haz refractado no está completamente polarizado, sino al máximo (Fig. 3). En este caso, los rayos reflejados y refractados son mutuamente perpendiculares.

– índice de refracción relativo de dos medios, i B – ángulo de Brewster.

Arroz. 3. Polarización total del haz reflejado durante la reflexión y la refracción.

en la interfaz entre dos dieléctricos isotrópicos.

Birrefringencia. Hay una serie de cristales (calcita, cuarzo, etc.) en los que un rayo de luz, al refractarse, se divide en dos rayos con propiedades diferentes. La calcita (espato de Islandia) es un cristal con una red hexagonal. El eje de simetría del prisma hexagonal que forma su celda se llama eje óptico. El eje óptico no es una línea, sino una dirección en el cristal. Cualquier línea recta paralela a esta dirección también es un eje óptico.

Si corta una placa de un cristal de calcita de modo que sus bordes sean perpendiculares al eje óptico y dirige un haz de luz a lo largo del eje óptico, no se producirán cambios en él. Si dirige el haz en ángulo con respecto al eje óptico, se dividirá en dos haces (Fig. 4), de los cuales uno se llama ordinario y el segundo, extraordinario.

Arroz. 4. Birrefringencia cuando la luz atraviesa una placa de calcita.

MN – eje óptico.

Un rayo ordinario se encuentra en el plano de incidencia y tiene un índice de refracción normal para una sustancia determinada. El haz extraordinario se encuentra en un plano que pasa por el haz incidente y el eje óptico del cristal trazado en el punto de incidencia del haz. Este avión se llama plano principal del cristal. Los índices de refracción de los rayos ordinarios y extraordinarios son diferentes.

Tanto los rayos ordinarios como los extraordinarios están polarizados. El plano de oscilación de los rayos ordinarios es perpendicular al plano principal. En el plano principal del cristal se producen oscilaciones de rayos extraordinarios.

El fenómeno de la doble refracción se debe a la anisotropía de los cristales. A lo largo del eje óptico, la velocidad de la onda de luz para los rayos ordinarios y extraordinarios es la misma. En otras direcciones, la velocidad de la onda extraordinaria en la calcita es mayor que la de la ordinaria. La mayor diferencia entre las velocidades de ambas ondas se produce en la dirección perpendicular al eje óptico.

Según el principio de Huygens, en la birrefringencia, en cada punto de la superficie de una onda que alcanza el límite del cristal, surgen simultáneamente dos ondas elementales (¡no una, como en los medios ordinarios!), que se propagan en el cristal.

La velocidad de propagación de una onda en todas direcciones es la misma, es decir La onda tiene forma esférica y se llama. común. La velocidad de propagación de otra onda en la dirección del eje óptico del cristal es la misma que la velocidad de una onda ordinaria, y en la dirección perpendicular al eje óptico difiere de él. La onda tiene forma elipsoidal y se llama extraordinario(Figura 5).

Arroz. 5. Propagación de ondas ordinarias (o) y extraordinarias (e) en un cristal.

con doble refracción.

Prisma Nicolás. Para obtener luz polarizada se utiliza un prisma polarizador Nicolas. Se corta un prisma de cierta forma y tamaño de calcita, luego se corta a lo largo de un plano diagonal y se pega con bálsamo de Canadá. Cuando un haz de luz incide sobre la cara superior a lo largo del eje del prisma (Fig. 6), el haz extraordinario incide sobre el plano de encolado con un ángulo menor y lo atraviesa casi sin cambiar de dirección. Un rayo ordinario incide con un ángulo mayor que el ángulo de reflexión total del bálsamo de Canadá, se refleja desde el plano de unión y es absorbido por el borde ennegrecido del prisma. Un prisma de Nicolas produce luz totalmente polarizada, cuyo plano de vibración se encuentra en el plano principal del prisma.

Arroz. 6. Prisma de Nicolás. Esquema de paso ordinario

y rayos extraordinarios.

Dicroísmo. Hay cristales que absorben de forma diferente los rayos ordinarios y extraordinarios. Así, si un haz de luz natural se dirige a un cristal de turmalina perpendicular a la dirección del eje óptico, entonces con un espesor de placa de sólo unos pocos milímetros, el haz ordinario será completamente absorbido y sólo un haz extraordinario emergerá de él. el cristal (Fig. 7).

Arroz. 7. Paso de la luz a través de un cristal de turmalina.

La diferente naturaleza de la absorción de rayos ordinarios y extraordinarios se llama anisotropía de absorción, o dicroísmo. Por tanto, los cristales de turmalina también se pueden utilizar como polarizadores.

Polaroides. Actualmente, los polarizadores son ampliamente utilizados. Polaroides. Para hacer una Polaroid, se pega una película transparente que contiene cristales de una sustancia dicroica que polariza la luz (por ejemplo, sulfato de yodoquinona) entre dos placas de vidrio o plexiglás. Durante el proceso de fabricación de la película, los cristales se orientan de manera que sus ejes ópticos sean paralelos. Todo este sistema está fijado en el marco.

El bajo coste de las Polaroid y la capacidad de producir placas de gran superficie aseguraron su uso generalizado en la práctica.

Análisis de luz polarizada. Para estudiar la naturaleza y el grado de polarización de la luz, se utilizaron dispositivos llamados analizadores. Los analizadores utilizan los mismos dispositivos que se utilizan para obtener luz polarizada linealmente: polarizadores, pero adaptados para girar alrededor del eje longitudinal. El analizador solo pasa vibraciones que coinciden con su plano principal. En caso contrario, por el analizador sólo pasa la componente de vibración que coincide con este plano.

Si la onda de luz que ingresa al analizador está polarizada linealmente, entonces la intensidad de la onda que sale del analizador es Ley de Malus:

,

donde I 0 es la intensidad de la luz entrante, φ es el ángulo entre los planos de la luz entrante y la luz transmitida por el analizador.

El paso de la luz a través del sistema polarizador-analizador se muestra esquemáticamente en la Fig. 8.

Arroz. 8. Diagrama del paso de la luz a través del sistema polarizador-analizador (P – polarizador,

A – analizador, E – pantalla):

a) coinciden los planos principales del polarizador y analizador;

b) los planos principales del polarizador y analizador están ubicados en un cierto ángulo;

c) los planos principales del polarizador y del analizador son mutuamente perpendiculares.

Si los planos principales del polarizador y el analizador coinciden, entonces la luz atraviesa completamente el analizador e ilumina la pantalla (Fig. 7a). Si están ubicados en un cierto ángulo, la luz pasa a través del analizador, pero se atenúa (Fig. 7b) cuanto más se acerca este ángulo a 90 0. Si estos planos son mutuamente perpendiculares, el analizador apaga completamente la luz (Fig. 7c)

Rotación del plano de vibración de la luz polarizada. Polarimetría. Algunos cristales, así como soluciones de sustancias orgánicas, tienen la propiedad de girar el plano de oscilación de la luz polarizada que los atraviesa. Estas sustancias se llaman ópticamente A activo. Estos incluyen azúcares, ácidos, alcaloides, etc.

Para la mayoría de las sustancias ópticamente activas se ha descubierto la existencia de dos modificaciones, girando el plano de polarización respectivamente en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj (para un observador que mira hacia el haz). La primera modificación se llama dextrógiro o positivo, segundo - zurdo, o negativo.

La actividad óptica natural de una sustancia en estado no cristalino se debe a la asimetría de las moléculas. En sustancias cristalinas, la actividad óptica también puede estar determinada por las peculiaridades de la disposición de las moléculas en la red.

En los sólidos, el ángulo φ de rotación del plano de polarización es directamente proporcional a la longitud d de la trayectoria del haz de luz en el cuerpo:

donde α – capacidad de rotación (rotación específica), dependiendo del tipo de sustancia, temperatura y longitud de onda. Para modificaciones para diestros y zurdos, las capacidades de rotación son iguales en magnitud.

Para soluciones, el ángulo de rotación del plano de polarización.

,

donde α es la rotación específica, c es la concentración de la sustancia ópticamente activa en la solución. El valor de α depende de la naturaleza de la sustancia ópticamente activa y del disolvente, de la temperatura y de la longitud de onda de la luz. Rotacion especifica– es el ángulo de rotación aumentado 100 veces para una solución de 1 dm de espesor con una concentración de sustancia de 1 gramo por 100 cm 3 de solución a una temperatura de 20 0 C y con una longitud de onda de luz λ = 589 nm. Un método muy sensible para determinar la concentración c basado en esta relación se llama polarimetría (sacarimetría).

La dependencia de la rotación del plano de polarización de la longitud de onda de la luz se llama dispersión rotacional. En una primera aproximación tenemos Ley de Biot:

donde A es un coeficiente que depende de la naturaleza de la sustancia y la temperatura.

En un entorno clínico, el método polarimetria Se utiliza para determinar la concentración de azúcar en la orina. El dispositivo utilizado para esto se llama sacarímetro(Figura 9).

Arroz. 9. Diseño óptico del sacarímetro:

Soy una fuente de luz natural;

C – filtro de luz (monocromador), que garantiza la coordinación del funcionamiento del dispositivo

con Bio Ley;

L – una lente colectora que produce un haz de luz paralelo en la salida;

P – polarizador;

K – tubo con la solución de prueba;

A – analizador montado sobre un disco giratorio D con divisiones.

Al realizar un estudio, primero se ajusta el analizador al máximo oscurecimiento del campo de visión sin la solución de prueba. Luego se coloca un tubo con una solución en el dispositivo y, al girar el analizador, se oscurece nuevamente el campo de visión. El menor de los dos ángulos en los que se debe girar el analizador es el ángulo de rotación de la sustancia en estudio. La concentración de azúcar en la solución se calcula desde el ángulo.

Para simplificar los cálculos, el tubo con la solución se hace tan largo que el ángulo de rotación del analizador (en grados) sea numéricamente igual a la concentración. Con solución (en gramos por 100 cm3). La longitud del tubo de glucosa es de 19 cm.

Microscopía de polarización. El método se basa en anisotropía algunos componentes de células y tejidos, que aparecen al observarlos con luz polarizada. Las estructuras que consisten en moléculas dispuestas en paralelo o discos dispuestos en una pila, cuando se introducen en un medio con un índice de refracción diferente al índice de refracción de las partículas de la estructura, exhiben la capacidad de doble refracción. Esto significa que la estructura transmitirá luz polarizada sólo cuando el plano de polarización sea paralelo a los ejes longitudinales de las partículas. Esto sigue siendo cierto incluso cuando las partículas no presentan birrefringencia intrínseca. Óptico anisotropía observado en músculos, tejido conectivo (colágeno) y fibras nerviosas.

El nombre mismo de los músculos esqueléticos " herido" está asociado con diferencias en las propiedades ópticas de secciones individuales de fibra muscular. Consiste en alternar áreas de tejido más oscuras y más claras. Esto le da a la fibra estrías cruzadas. El examen de las fibras musculares bajo luz polarizada revela que las áreas más oscuras son anisótropo y tener propiedades birrefringencia, mientras que las áreas más oscuras son isotrópico. colágeno las fibras son anisotrópicas, su eje óptico se encuentra a lo largo del eje de la fibra. Micelas en cáscara de pulpa. neurofibrillas También son anisotrópicos, pero sus ejes ópticos están ubicados en direcciones radiales. Se utiliza un microscopio polarizador para el examen histológico de estas estructuras.

El componente más importante de un microscopio polarizador es el polarizador, que se encuentra entre la fuente de luz y el condensador. Además, el microscopio cuenta con una platina giratoria o portamuestras, un analizador ubicado entre el objetivo y el ocular, que puede instalarse de manera que su eje quede perpendicular al eje del polarizador, y un compensador.

Cuando el polarizador y el analizador se cruzan y el objeto falta o isotrópico, el campo aparece uniformemente oscuro. Si hay un objeto con birrefringencia y está ubicado de modo que su eje forme un ángulo con el plano de polarización distinto de 0 0 o 90 0, separará la luz polarizada en dos componentes: paralela y perpendicular al plano de polarización. el analizador. En consecuencia, parte de la luz pasará a través del analizador, lo que dará como resultado una imagen brillante del objeto sobre un fondo oscuro. A medida que el objeto gira, el brillo de su imagen cambiará, alcanzando un máximo en un ángulo de 45 0 con respecto al polarizador o analizador.

La microscopía de polarización se utiliza para estudiar la orientación de las moléculas en estructuras biológicas (por ejemplo, células musculares), así como para observar estructuras que son invisibles mediante otros métodos (por ejemplo, el huso mitótico durante la división celular), identificando la estructura helicoidal.

La luz polarizada se utiliza en condiciones simuladas para evaluar las tensiones mecánicas que se producen en el tejido óseo. Este método se basa en el fenómeno de la fotoelasticidad, que consiste en la aparición de anisotropía óptica en sólidos inicialmente isotrópicos bajo la acción de cargas mecánicas.

DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ USANDO UNA REJILLA DE DIFRACCIÓN

Interferencia de la luz. La interferencia luminosa es un fenómeno que se produce cuando las ondas luminosas se superponen y van acompañadas de su fortalecimiento o debilitamiento. Un patrón de interferencia estable surge cuando se superponen ondas coherentes. Las ondas coherentes son ondas con frecuencias iguales y fases idénticas o que tienen un cambio de fase constante. La amplificación de las ondas de luz durante la interferencia (condición máxima) ocurre en el caso en que Δ contiene un número par de medias longitudes de onda:

Dónde k – orden máximo, k=0,±1,±2,±,…±n;

λ – longitud de onda de la luz.

La atenuación de las ondas de luz durante la interferencia (condición mínima) se observa si la diferencia de trayectoria óptica Δ contiene un número impar de medias longitudes de onda:

Dónde k - pedido mínimo.

La diferencia óptica en la trayectoria de dos haces es la diferencia de distancias desde las fuentes hasta el punto de observación del patrón de interferencia.

Interferencia en películas delgadas. Las interferencias en películas delgadas se pueden observar en las pompas de jabón, en una mancha de queroseno en la superficie del agua cuando se ilumina con la luz del sol.

Deje que el haz 1 caiga sobre la superficie de una película delgada (ver Fig. 2). El rayo refractado en el límite de la película de aire pasa a través de la película, se refleja desde su superficie interior, se acerca a la superficie exterior de la película, se refracta en el límite de la película y el aire y el rayo sale. Dirigimos el haz 2 al punto de salida del haz, que corre paralelo al haz 1. El haz 2 se refleja desde la superficie de la película, superpuesta al haz, y ambos haces interfieren.

Cuando la película se ilumina con luz policromática, obtenemos una imagen de arco iris. Esto se explica por el hecho de que la película no tiene un espesor uniforme. En consecuencia, surgen diferencias de trayectoria de diferentes magnitudes, que corresponden a diferentes longitudes de onda (películas de jabón de colores, colores iridiscentes de las alas de algunos insectos y pájaros, películas de aceite o aceites en la superficie del agua, etc.).

La interferencia de luz se utiliza en dispositivos llamados interferómetros. Los interferómetros son dispositivos ópticos que se pueden utilizar para separar espacialmente dos haces y crear una cierta diferencia de trayectoria entre ellos. Los interferómetros se utilizan para determinar longitudes de onda con un alto grado de precisión en distancias cortas, índices de refracción de sustancias y determinar la calidad de las superficies ópticas.

Con fines sanitarios e higiénicos, el interferómetro se utiliza para determinar el contenido de gases nocivos.

La combinación de un interferómetro y un microscopio (microscopio de interferencia) se utiliza en biología para medir el índice de refracción, la concentración de materia seca y el espesor de microobjetos transparentes.

Principio de Huygens-Fresnel. Según Huygens, cada punto del medio que alcanza la onda primaria en un momento dado es fuente de ondas secundarias. Fresnel aclaró esta posición de Huygens, añadiendo que las ondas secundarias son coherentes, es decir cuando se superpongan producirán un patrón de interferencia estable.

Difracción de la luz. La difracción de la luz es el fenómeno de desviación de la luz de la propagación rectilínea.

Difracción de rayos paralelos desde una sola rendija. Deje que el ancho objetivo V cae un haz paralelo de luz monocromática (ver Fig. 3):

Se instala una lente en el camino de los rayos. l , en cuyo plano focal se encuentra la pantalla mi . La mayoría de los rayos no se difractan, es decir. no cambian su dirección y son enfocados por la lente l en el centro de la pantalla, formando un máximo central o un máximo de orden cero. Rayos que se difractan en ángulos de difracción iguales. φ , formará máximos 1,2,3,…, en la pantalla norte - órdenes de magnitud.

Por lo tanto, el patrón de difracción obtenido de una rendija en haces paralelos cuando se ilumina con luz monocromática es una franja clara con iluminación máxima en el centro de la pantalla, luego hay una franja oscura (mínimo de primer orden), luego hay una franja clara raya (máximo de primer orden), banda oscura (mínimo de segundo orden), máximo de segundo orden, etc. El patrón de difracción es simétrico con respecto al máximo central. Cuando la rendija se ilumina con luz blanca, se forma un sistema de franjas de colores en la pantalla; sólo el máximo central conservará el color de la luz incidente;

Condiciones máximo Y mín. difracción. Si en la diferencia de camino óptico Δ un número impar de segmentos igual a , entonces se observa un aumento en la intensidad de la luz ( máximo difracción):

Dónde k – orden de máximo; k =±1,±2,±…,± norte;

λ – longitud de onda.

Si en la diferencia de camino óptico Δ un número par de segmentos igual a , entonces se observa un debilitamiento de la intensidad de la luz ( mín. difracción):

Dónde k - pedido mínimo.

Rejilla de difracción. Una rejilla de difracción consiste en alternar franjas opacas al paso de la luz con franjas (rendijas) de igual ancho que son transparentes a la luz.

La principal característica de una rejilla de difracción es su período. d . El período de la rejilla de difracción es el ancho total de las franjas transparentes y opacas:

En los instrumentos ópticos se utiliza una rejilla de difracción para mejorar la resolución del dispositivo. La resolución de una rejilla de difracción depende del orden del espectro. k y sobre el número de golpes norte :

Dónde R - resolución.

Derivación de la fórmula de la red de difracción. Dirijamos dos haces paralelos a la rejilla de difracción: 1 y 2 de modo que la distancia entre ellos sea igual al período de la rejilla d .

En puntos A Y EN los rayos 1 y 2 se difractan, desviándose de la dirección rectilínea en un ángulo φ – ángulo de difracción.

rayos Y enfocado por lente l en la pantalla ubicada en el plano focal de la lente (Fig. 5). Cada rendija de la rejilla puede considerarse como una fuente de ondas secundarias (principio de Huygens-Fresnel). En la pantalla en el punto D observamos el máximo del patrón de interferencia.

desde el punto A en la trayectoria del haz suelte la perpendicular y obtenga el punto C. considere el triángulo A B C : triángulo rectángulo, ÐVAS=Ðφ como ángulos con lados mutuamente perpendiculares. De Δ A B C:

Dónde AB=d (por construcción),

CB = Δ – diferencia de camino óptico.

Dado que en el punto D observamos la máxima interferencia, entonces

Dónde k – orden de máximo,

λ – longitud de onda de la luz.

Sustituyendo valores AB=d, en la fórmula para pecadoφ :

De aquí obtenemos:

En general, la fórmula de la red de difracción es:

Los signos ± indican que el patrón de interferencia en la pantalla es simétrico con respecto al máximo central.

Fundamentos físicos de la holografía. La holografía es un método para registrar y reconstruir un campo de ondas, que se basa en los fenómenos de difracción e interferencia de ondas. Si en una fotografía normal solo se registra la intensidad de las ondas reflejadas por un objeto, entonces las fases de las ondas se registran adicionalmente en el holograma, lo que proporciona información adicional sobre el objeto y permite obtener una imagen tridimensional del mismo. objeto.

1308. ¿Es posible que un rayo atraviese la interfaz entre dos medios diferentes sin ser refractado? En caso afirmativo, ¿bajo qué condiciones?
Sí. Bajo la condición de incidencia vertical en la interfaz entre dos medios diferentes.

1309. ¿Cuál es la velocidad de la luz?
a) en agua,
b) en vidrio,
c) en diamante?

1310. Calcula el índice de refracción del vidrio con respecto al agua cuando un rayo de luz pasa del agua al vidrio.

1311. La figura 161 muestra un rayo que va oblicuo hasta el borde de una placa de vidrio y luego sale al aire. Dibuja la trayectoria del rayo en el aire.

1312. La figura 162 muestra un rayo que cae del aire sobre la cara de una placa de vidrio, la atraviesa y sale al aire. Dibuja la trayectoria del rayo.

1313. Un rayo del aire pasa al medio A (Fig. 163). Encuentre el índice de refracción del medio A.

1314. La densidad óptica del aire aumenta a medida que se acerca a la superficie de la Tierra. ¿Cómo afectará esto la trayectoria del haz que ingresa a la atmósfera?
a) verticalmente,
b) ¿oblicuamente?
A) para un rayo que ingresa a la atmósfera verticalmente, la velocidad disminuirá
B) para un rayo que ingresa a la atmósfera de manera oblicua, la velocidad disminuirá y la trayectoria se doblará.

1315. Cuando miras a través de un cristal grueso, los objetos parecen desplazados. ¿Por qué?
Porque al atravesar el cristal los rayos de luz se refractan. Cambiando así su dirección.

1316. ¿Por qué los planetas en el cielo brillan con una luz uniforme y las estrellas titilan?

1317. La Luna es esférica, pero para nosotros desde la Tierra su superficie parece plana, no convexa. ¿Por qué?

1318. Cuando miramos a través del agua hasta el fondo del embalse, parece más cerca de lo que realmente está. ¿Por qué?
Porque la luz se refracta al pasar a través de la interfaz agua-aire. Y el fondo parece más cerca de lo que realmente está.

1319*. Lee el problema anterior. Determine cuántas veces la profundidad real es mayor que la profundidad aparente.

1320*. La piedra se encuentra en el fondo del río a una profundidad de 2 m (Fig. 164). Si lo miramos desde arriba ¿a qué profundidad nos aparecerá?

1321. Se baja una varilla recta al agua (Fig. 165). El observador mira desde arriba. ¿Cómo ve el final de la vara?

1322. Hay un prisma de vidrio hueco lleno de aire en agua. Dibuje la trayectoria de un rayo que incide en una de las caras refractivas de dicho prisma. ¿Podemos decir que tal prisma desvía dos veces hacia la base un rayo de luz que lo atraviesa?
Cuando un rayo pasa del agua al aire, el rayo se desvía horizontalmente hacia arriba, porque El ángulo de refracción en el aire es mayor que el ángulo de incidencia en el agua. Después de atravesar el prisma, el haz incide sobre la interfaz aire-agua. Luego se refracta, desviándose un poco más hacia arriba.

1323. El índice de refracción del agua es 1,33, la trementina es 1,51. Encuentre el índice de refracción de la trementina en relación con el agua.

1325. Determina la velocidad de la luz en un diamante cuyo índice de refracción es 2,4.

1326. Dibuja la trayectoria del rayo cuando pasa del vidrio al aire, si el ángulo de incidencia es de 45° y el índice de refracción del vidrio es 1,72.

1327. Encuentre el ángulo límite de reflexión interna total para la sal gema (n=1,54).

1328. Determine el desplazamiento del haz al pasar a través de una placa de vidrio plana paralela de espesor d=3 cm, si el haz cae en un ángulo de 60°. Índice de refracción del vidrio n=1,51.

1329. Encuentre la posición de la imagen de un objeto ubicado a una distancia de 4 cm de la superficie frontal de una placa plana paralela de 1 cm de espesor, plateada en la parte posterior, suponiendo que el índice de refracción de la sustancia de la placa es 1,51.

1330. Una placa de vidrio grueso se sumerge completamente en agua. Dibuja el camino del rayo que viene del aire a través del agua y el plato. (El vidrio es un medio ópticamente más denso que el agua).

1331. A veces los objetos que observamos a través de la ventana parecen curvados. ¿Por qué?
Porque el vidrio no es perfectamente uniforme y liso. Esto se debe a la distribución no uniforme del plano óptico del vidrio.

1332. La figura 166 muestra una fuente de luz puntual S ubicada frente a un prisma triangular. Si miramos a S a través de un prisma, ¿dónde nos aparecerá este punto? Dibuja el camino de los rayos.

1333. El haz de luz va perpendicular a una de las caras de un prisma triédrico rectangular de vidrio (Fig. 167). Dibuja la trayectoria del rayo a través del prisma.

Los procesos asociados con la luz son un componente importante de la física y nos rodean en todas partes de nuestra vida cotidiana. Las más importantes en esta situación son las leyes de reflexión y refracción de la luz, en las que se basa la óptica moderna. La refracción de la luz es una parte importante de la ciencia moderna.

efecto de distorsión

Este artículo le dirá qué es el fenómeno de la refracción de la luz, cómo se ve la ley de refracción y qué se deriva de ella.

Conceptos básicos de un fenómeno físico.

Cuando un rayo incide sobre una superficie separada por dos sustancias transparentes que tienen diferentes densidades ópticas (por ejemplo, diferentes vidrios o en agua), algunos de los rayos se reflejarán y otros penetrarán en la segunda estructura (por ejemplo, se propagarán en agua o vidrio). Cuando un rayo pasa de un medio a otro, normalmente cambia de dirección. Este es el fenómeno de la refracción de la luz.
La reflexión y refracción de la luz es especialmente visible en el agua.

Efecto de distorsión en el agua.

Al mirar las cosas en el agua, parecen distorsionadas. Esto se nota especialmente en la frontera entre el aire y el agua. Visualmente, los objetos submarinos parecen ligeramente desviados. El fenómeno físico descrito es precisamente la razón por la que todos los objetos aparecen distorsionados en el agua. Cuando los rayos inciden sobre el cristal, este efecto es menos perceptible.
La refracción de la luz es un fenómeno físico que se caracteriza por un cambio en la dirección del movimiento de un rayo solar en el momento en que pasa de un medio (estructura) a otro.
Para mejorar nuestra comprensión de este proceso, consideremos un ejemplo de un rayo que golpea agua desde el aire (de manera similar para el vidrio). Trazando una línea perpendicular a lo largo de la interfaz, se puede medir el ángulo de refracción y retorno del haz de luz. Este índice (ángulo de refracción) cambiará a medida que el flujo penetre en el agua (dentro del vaso).
¡Nota! Este parámetro se entiende como el ángulo que forma una perpendicular trazada a la separación de dos sustancias cuando un haz penetra desde la primera estructura a la segunda.

Paso del haz

El mismo indicador es típico de otros entornos. Se ha establecido que este indicador depende de la densidad de la sustancia. Si el haz cae desde una estructura menos densa a una más densa, entonces el ángulo de distorsión creado será mayor. Y si es al revés, pues es menos.
Al mismo tiempo, un cambio en la pendiente de la caída también afectará a este indicador. Pero la relación entre ellos no permanece constante. Al mismo tiempo, la relación de sus senos seguirá siendo un valor constante, lo que se refleja en la siguiente fórmula: sinα / sinγ = n, donde:

• n es un valor constante que se describe para cada sustancia específica (aire, vidrio, agua, etc.). Por lo tanto, cuál será este valor se puede determinar mediante tablas especiales;
• α – ángulo de incidencia;
• γ – ángulo de refracción.

Para determinar este fenómeno físico se creó la ley de refracción.

ley fisica

La ley de refracción de los flujos de luz nos permite determinar las características de sustancias transparentes. La propia ley consta de dos disposiciones:

• Primera parte. El rayo (incidente, modificado) y la perpendicular, que fue restablecida en el punto de incidencia en el límite, por ejemplo, del aire y el agua (vidrio, etc.), se ubicarán en el mismo plano;
• La segunda parte. La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del mismo ángulo formado al cruzar el límite será un valor constante.

Descripción de la ley

En este caso, en el momento en que el haz sale de la segunda estructura hacia la primera (por ejemplo, cuando el flujo de luz pasa del aire, a través del vidrio y regresa al aire), también se producirá un efecto de distorsión.

Un parámetro importante para diferentes objetos.

El indicador principal en esta situación es la relación entre el seno del ángulo de incidencia y un parámetro similar, pero con distorsión. Como se desprende de la ley descrita anteriormente, este indicador es un valor constante.
Además, cuando cambia el valor de la pendiente de caída, la misma situación será típica para un indicador similar. Este parámetro es de gran importancia porque es una característica integral de las sustancias transparentes.

Indicadores para diferentes objetos.

Gracias a este parámetro, es posible distinguir de manera bastante efectiva entre tipos de vidrio, así como entre varias piedras preciosas. También es importante para determinar la velocidad de la luz en diversos entornos.

¡Nota! La velocidad más alta del flujo de luz se produce en el vacío.

Al pasar de una sustancia a otra, su velocidad disminuirá. Por ejemplo, el diamante, que tiene el índice de refracción más alto, tendrá una velocidad de propagación de fotones 2,42 veces mayor que la del aire. En el agua, se propagarán 1,33 veces más lentamente. Para diferentes tipos de vidrio, este parámetro oscila entre 1,4 y 2,2.

¡Nota! Algunas gafas tienen un índice de refracción de 2,2, muy parecido al del diamante (2,4). Por tanto, no siempre es posible distinguir un trozo de vidrio de un diamante real.

Densidad óptica de sustancias.

La luz puede atravesar diferentes sustancias, que se caracterizan por diferentes densidades ópticas. Como dijimos anteriormente, utilizando esta ley se puede determinar la densidad característica del medio (estructura). Cuanto más denso sea, menor será la velocidad a la que se propagará la luz a través de él. Por ejemplo, el vidrio o el agua serán ópticamente más densos que el aire.
Además de que este parámetro es un valor constante, también refleja la relación entre las velocidades de la luz en dos sustancias. El significado físico se puede mostrar como la siguiente fórmula:

Este indicador indica cómo cambia la velocidad de propagación de los fotones cuando pasan de una sustancia a otra.

Otro indicador importante

Cuando un flujo de luz atraviesa objetos transparentes, es posible su polarización. Se observa durante el paso de un flujo de luz desde medios isotrópicos dieléctricos. La polarización ocurre cuando los fotones atraviesan el vidrio.

Efecto de polarización

La polarización parcial se observa cuando el ángulo de incidencia del flujo de luz en el límite de dos dieléctricos difiere de cero. El grado de polarización depende de cuáles fueron los ángulos de incidencia (ley de Brewster).

Reflexión interna completa

Para concluir nuestra breve excursión, todavía es necesario considerar un efecto como una reflexión interna completa.

El fenómeno de la visualización completa

Para que aparezca este efecto, es necesario aumentar el ángulo de incidencia del flujo luminoso en el momento de su transición de un medio más denso a uno menos denso en la interfaz entre sustancias. En una situación en la que este parámetro excede un cierto valor límite, los fotones que inciden en el límite de esta sección se reflejarán completamente. En realidad, este será nuestro fenómeno deseado. Sin él, era imposible fabricar fibra óptica.

Conclusión

La aplicación práctica del comportamiento del flujo luminoso ha dado muchos frutos, creando una variedad de dispositivos técnicos para mejorar nuestras vidas. Al mismo tiempo, la luz aún no ha revelado todas sus posibilidades a la humanidad y su potencial práctico aún no se ha realizado plenamente.

Cómo hacer una lámpara de papel con tus propias manos.
Cómo comprobar el rendimiento de una tira de LED