Billet 75.
Loi de la réflexion de la lumière: les rayons incident et réfléchi, ainsi que la perpendiculaire à l'interface entre les deux milieux, reconstituée au point d'incidence du rayon, se trouvent dans un même plan (plan d'incidence). L'angle de réflexion γ est égal à l'angle d'incidence α.
Loi de la réfraction de la lumière: les rayons incident et réfracté, ainsi que la perpendiculaire à l'interface entre les deux milieux, reconstruite au point d'incidence du rayon, se trouvent dans le même plan. Le rapport du sinus de l'angle d'incidence α au sinus de l'angle de réfraction β est une valeur constante pour deux milieux donnés :
Les lois de la réflexion et de la réfraction sont expliquées dans la physique des vagues. Selon les concepts ondulatoires, la réfraction est une conséquence des changements dans la vitesse de propagation des ondes lors du passage d'un milieu à un autre. Signification physique de l'indice de réfraction est le rapport de la vitesse de propagation des ondes dans le premier milieu υ 1 à la vitesse de leur propagation dans le deuxième milieu υ 2 :
La figure 3.1.1 illustre les lois de réflexion et de réfraction de la lumière.
Un milieu avec un indice de réfraction absolu plus faible est dit optiquement moins dense.
Lorsque la lumière passe d'un milieu optiquement plus dense à un milieu optiquement moins dense n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать phénomène de réflexion totale, c'est-à-dire la disparition du rayon réfracté. Ce phénomène s'observe à des angles d'incidence dépassant un certain angle critique α pr, appelé angle limite de réflexion interne totale(voir Fig. 3.1.2).
Pour l'angle d'incidence α = α pr sin β = 1 ; valeur sin α pr = n 2 / n 1< 1.
Si le deuxième milieu est l'air (n 2 ≈ 1), alors il convient de réécrire la formule sous la forme
Le phénomène de réflexion interne totale est utilisé dans de nombreux dispositifs optiques. L'application la plus intéressante et la plus importante dans la pratique est la création de fibres optiques, qui sont de fins fils (de plusieurs micromètres à millimètres) arbitrairement courbés en matériau optiquement transparent (verre, quartz). La lumière tombant sur l'extrémité du guide de lumière peut se propager le long de celui-ci sur de longues distances en raison de la réflexion interne totale des surfaces latérales (Figure 3.1.3). La direction scientifique et technique impliquée dans le développement et l'application des guides de lumière optiques est appelée fibre optique.
Dispersion de la lumière (décomposition de la lumière)- il s'agit d'un phénomène provoqué par la dépendance de l'indice de réfraction absolu d'une substance sur la fréquence (ou longueur d'onde) de la lumière (dispersion de fréquence), ou, la même chose, la dépendance de la vitesse de phase de la lumière dans une substance sur la longueur d'onde (ou fréquence). Il a été découvert expérimentalement par Newton vers 1672, bien que théoriquement assez bien expliqué bien plus tard.
Dispersion spatiale est appelée la dépendance du tenseur de constante diélectrique du milieu sur le vecteur d'onde. Cette dépendance provoque un certain nombre de phénomènes appelés effets de polarisation spatiale.
L'un des exemples les plus clairs de dispersion - décomposition en lumière blanche en passant à travers un prisme (expérience de Newton). L'essence du phénomène de dispersion est la différence de vitesse de propagation des rayons lumineux de différentes longueurs d'onde dans une substance transparente - un milieu optique (alors que dans le vide, la vitesse de la lumière est toujours la même, quelle que soit la longueur d'onde et donc la couleur) . Généralement, plus la fréquence d'une onde lumineuse est élevée, plus l'indice de réfraction du milieu correspondant est élevé et plus la vitesse de l'onde dans le milieu est faible :
Les expériences de Newton Expérience sur la décomposition de la lumière blanche en un spectre : Newton a dirigé un rayon de soleil à travers un petit trou vers un prisme de verre. En frappant le prisme, le faisceau était réfracté et sur le mur opposé donnait une image allongée avec une alternance de couleurs arc-en-ciel - un spectre. Expérience sur le passage de la lumière monochromatique à travers un prisme: Newton a placé un verre rouge sur le trajet d'un rayon solaire, derrière lequel il a reçu une lumière monochromatique (rouge), puis un prisme et n'a observé sur l'écran qu'une tache rouge du rayon lumineux. Expérience dans la synthèse (production) de lumière blanche : Tout d’abord, Newton a dirigé un rayon de soleil sur un prisme. Ensuite, après avoir collecté les rayons colorés émergeant du prisme à l'aide d'une lentille collectrice, Newton a reçu une image blanche d'un trou sur un mur blanc au lieu d'une bande colorée. Les conclusions de Newton :- un prisme ne change pas la lumière, mais la décompose seulement en ses composants - les rayons lumineux de couleur différente diffèrent par le degré de réfraction ; Les rayons violets se réfractent le plus fortement, les rouges moins fortement - la lumière rouge, qui se réfracte moins, a la vitesse la plus élevée et la violette, la moins, c'est pourquoi le prisme décompose la lumière. La dépendance de l'indice de réfraction de la lumière sur sa couleur est appelée dispersion.
Conclusions :- un prisme décompose la lumière - la lumière blanche est complexe (composite) - les rayons violets sont plus fortement réfractés que les rouges. La couleur d'un faisceau lumineux est déterminée par sa fréquence de vibration. Lorsqu'on passe d'un support à un autre, la vitesse de la lumière et la longueur d'onde changent, mais la fréquence qui détermine la couleur reste constante. Les limites des plages de lumière blanche et de ses composantes sont généralement caractérisées par leurs longueurs d'onde dans le vide. La lumière blanche est un ensemble d’ondes d’une longueur comprise entre 380 et 760 nm.
Billet 77.
Absorption de la lumière. Loi de Bouguer
L'absorption de la lumière dans une substance est associée à la conversion de l'énergie du champ électromagnétique de l'onde en énergie thermique de la substance (ou en énergie du rayonnement photoluminescent secondaire). La loi d'absorption de la lumière (loi de Bouguer) a la forme :
je = je 0 exp(- x),(1)
Où je 0 , je-intensité lumineuse à l'entrée (x=0) et en laissant la couche d'épaisseur moyenne X, - coefficient d'absorption, cela dépend de .
Pour les diélectriques =10 -1 10 -5 m -1 , pour les métaux =10 5 10 7 m -1 , Les métaux sont donc opaques à la lumière.
Dépendance ( ) explique la couleur des corps absorbants. Par exemple, un verre qui absorbe mal la lumière rouge apparaîtra rouge lorsqu’il est éclairé par une lumière blanche.
Diffusion de la lumière. loi de Rayleigh
La diffraction de la lumière peut se produire dans un milieu optiquement inhomogène, par exemple dans un environnement trouble (fumée, brouillard, air poussiéreux, etc.). En diffractant sur les inhomogénéités du milieu, les ondes lumineuses créent un motif de diffraction caractérisé par une répartition assez uniforme de l'intensité dans toutes les directions.
Cette diffraction par petites inhomogénéités est appelée diffusion de la lumière.
Ce phénomène est observé lorsqu'un étroit faisceau de lumière solaire traverse de l'air poussiéreux, se disperse sur les particules de poussière et devient visible.
Si les tailles des inhomogénéités sont petites par rapport à la longueur d'onde (pas plus de 0,1 ), alors l'intensité de la lumière diffusée s'avère inversement proportionnelle à la puissance quatrième de la longueur d'onde, c'est-à-dire
je dissident ~ 1/ 4 , (2)
cette dépendance est appelée loi de Rayleigh.
La diffusion de la lumière est également observée dans les milieux propres qui ne contiennent pas de particules étrangères. Par exemple, cela peut se produire sur des fluctuations (écarts aléatoires) de densité, d’anisotropie ou de concentration. Ce type de diffusion est appelé diffusion moléculaire. Cela explique par exemple la couleur bleue du ciel. En effet, d’après (2), les rayons bleus et bleus sont diffusés plus fortement que les rayons rouges et jaunes, car ont une longueur d'onde plus courte, provoquant ainsi la couleur bleue du ciel.
Billet 78.
Polarisation de la lumière- un ensemble de phénomènes d'optique ondulatoire dans lesquels se manifeste le caractère transversal des ondes lumineuses électromagnétiques. Onde transversale- les particules du milieu oscillent dans des directions perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde ( Figure 1).
Figure 1 Onde transversale
Onde lumineuse électromagnétique plan polarisé(polarisation linéaire), si les directions d'oscillation des vecteurs E et B sont strictement fixes et se situent dans certains plans ( Figure 1). Une onde lumineuse polarisée dans un plan est appelée plan polarisé(polarisée linéairement). Non polarisé onde (naturelle) - une onde lumineuse électromagnétique dans laquelle les directions d'oscillation des vecteurs E et B dans cette onde peuvent se situer dans n'importe quel plan perpendiculaire au vecteur vitesse v. Lumière non polarisée- des ondes lumineuses dans lesquelles les directions d'oscillations des vecteurs E et B changent de manière chaotique de sorte que toutes les directions d'oscillations dans les plans perpendiculaires au rayon de propagation des ondes soient également probables ( Figure 2).
Figure 2 Lumière non polarisée
Ondes polarisées- dans lequel les directions des vecteurs E et B restent inchangées dans l'espace ou changent selon une certaine loi. Rayonnement dans lequel la direction du vecteur E change de manière chaotique - non polarisé. Un exemple d’un tel rayonnement est le rayonnement thermique (atomes et électrons distribués de manière chaotique). Plan de polarisation- il s'agit d'un plan perpendiculaire à la direction des oscillations du vecteur E. Le principal mécanisme d'apparition du rayonnement polarisé est la diffusion du rayonnement par les électrons, les atomes, les molécules et les particules de poussière.
1.2. Types de polarisation Il existe trois types de polarisation. Donnons-leur des définitions. 1. Linéaire Se produit si le vecteur électrique E maintient sa position dans l'espace. Il semble mettre en évidence le plan dans lequel oscille le vecteur E. 2. Circulaire Il s'agit d'une polarisation qui se produit lorsque le vecteur électrique E tourne autour de la direction de propagation de l'onde avec une vitesse angulaire égale à la fréquence angulaire de l'onde, tout en conservant sa valeur absolue. Cette polarisation caractérise le sens de rotation du vecteur E dans un plan perpendiculaire à la ligne de visée. Un exemple est le rayonnement cyclotron (un système d’électrons tournant dans un champ magnétique). 3. Elliptique Cela se produit lorsque la norme du vecteur électrique E change de sorte qu'il décrit une ellipse (rotation du vecteur E). La polarisation elliptique et circulaire peut être droite (le vecteur E tourne dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde vers l'onde qui se propage) et gauche (le vecteur E tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde vers l'onde qui se propage).
En réalité, cela se produit le plus souvent polarisation partielle (ondes électromagnétiques partiellement polarisées). Quantitativement, il est caractérisé par une certaine quantité appelée degré de polarisation R., qui est défini comme : P = (Imax - Imin) / (Imax + Imin) Où Imax,Immine- la densité la plus élevée et la plus faible du flux d'énergie électromagnétique traversant l'analyseur (Polaroid, prisme Nicolas...). En pratique, la polarisation du rayonnement est souvent décrite par les paramètres de Stokes (ils déterminent les flux de rayonnement avec une direction de polarisation donnée).
Billet 79.
Si la lumière naturelle tombe sur l'interface entre deux diélectriques (par exemple, l'air et le verre), alors une partie est réfléchie, et une partie est réfractée et se propage dans le deuxième milieu. En installant un analyseur (par exemple de la tourmaline) sur le trajet des rayons réfléchis et réfractés, on s'assure que les rayons réfléchis et réfractés sont partiellement polarisés : lorsque l'analyseur tourne autour des rayons, l'intensité lumineuse augmente et s'affaiblit périodiquement ( une trempe complète n'est pas observée !). D'autres études ont montré que dans le faisceau réfléchi, les vibrations perpendiculaires au plan d'incidence prédominent (elles sont indiquées par des points sur la figure 275), tandis que dans le faisceau réfracté, les vibrations parallèles au plan d'incidence (représentées par des flèches) prédominent.
Le degré de polarisation (le degré de séparation des ondes lumineuses avec une certaine orientation du vecteur électrique (et magnétique)) dépend de l'angle d'incidence des rayons et de l'indice de réfraction. Physicien écossais D. Brewster(1781-1868) installé loi, selon lequel sous l'angle d'incidence je B (angle de Brewster), déterminé par la relation
(n 21 - indice de réfraction du deuxième milieu par rapport au premier), le faisceau réfléchi est polarisé dans le plan(ne contient que des vibrations perpendiculaires au plan d'incidence) (Fig. 276). Le rayon réfracté à l'angle d'incidenceje B polarisé au maximum, mais pas complètement.
Si la lumière frappe une interface selon l'angle de Brewster, alors les rayons réfléchis et réfractés mutuellement perpendiculaire(tg je B = péché je B/cos je B, n 21 = péché je B / péché je 2 (je 2 - angle de réfraction), d'où cos je B = péché je 2). Ainsi, je B + je 2 = /2, mais je’ B= je B (loi de la réflexion), donc je’ B+ je 2 = /2.
Le degré de polarisation de la lumière réfléchie et réfractée sous différents angles d'incidence peut être calculé à partir des équations de Maxwell, si l'on prend en compte les conditions aux limites du champ électromagnétique à l'interface entre deux diélectriques isotropes (appelées formules de Fresnel).
Le degré de polarisation de la lumière réfractée peut être considérablement augmenté (par réfraction multiple, à condition que la lumière soit incidente à chaque fois sur l'interface selon l'angle de Brewster). Si, par exemple, pour le verre ( m= 1.53) le degré de polarisation du faisceau réfracté est de 15%, puis après réfraction en 8 à 10 plaques de verre superposées les unes aux autres, la lumière émergeant d'un tel système sera presque complètement polarisée. Une telle collection de plaques s'appelle pied. Le pied peut être utilisé pour analyser la lumière polarisée aussi bien lors de sa réflexion que lors de sa réfraction.
Billet 79 (pour Spur)
Comme le montre l'expérience, lors de la réfraction et de la réflexion de la lumière, la lumière réfractée et réfléchie s'avère polarisée, ainsi que la réflexion. la lumière peut être complètement polarisée sous un certain angle d’incidence, mais accessoirement. la lumière est toujours partiellement polarisée. Sur la base des formules de Frinell, on peut montrer cette réflexion. La lumière est polarisée dans un plan perpendiculaire au plan d’incidence et réfractée. la lumière est polarisée dans un plan parallèle au plan d'incidence.
L'angle d'incidence auquel la réflexion la lumière est complètement polarisée est appelé l'angle de Brewster. L'angle de Brewster est déterminé à partir de la loi de Brewster : - Dans ce cas, l'angle entre les réflexions. et la réfraction. les rayons seront égaux. Pour un système à verre à air, l'angle de Brewster est égal pour obtenir une bonne polarisation, c'est-à-dire. , lors de la réfraction de la lumière, de nombreuses surfaces comestibles sont utilisées, appelées Stop de Stoletov.
Billet 80.
L'expérience montre que lorsque la lumière interagit avec la matière, l'effet principal (physiologique, photochimique, photoélectrique, etc.) est provoqué par les oscillations du vecteur, parfois appelé à cet égard vecteur lumière. Par conséquent, pour décrire les modèles de polarisation de la lumière, le comportement du vecteur est surveillé.
Le plan formé par les vecteurs est appelé plan de polarisation.
Si des oscillations vectorielles se produisent dans un plan fixe, alors cette lumière (rayon) est appelée polarisée linéairement. Il est classiquement désigné comme suit. Si le faisceau est polarisé dans un plan perpendiculaire (dans le plan xoz, voir fig. 2 dans le deuxième cours), alors il est désigné.
La lumière naturelle (provenant de sources ordinaires, le soleil) est constituée d'ondes qui ont des plans de polarisation différents et répartis de manière chaotique (voir Fig. 3).
La lumière naturelle est parfois conventionnellement désignée comme telle. On l'appelle aussi non polarisé.
Si, au fur et à mesure que l'onde se propage, le vecteur tourne et que l'extrémité du vecteur décrit un cercle, alors cette lumière est appelée polarisée circulairement et la polarisation est appelée circulaire ou circulaire (droite ou gauche). Il existe également une polarisation elliptique.
Il existe des dispositifs optiques (films, plaques, etc.) - polariseurs, qui extraient la lumière polarisée linéairement ou la lumière partiellement polarisée de la lumière naturelle.
Les polariseurs utilisés pour analyser la polarisation de la lumière sont appelés analyseurs.
Le plan du polariseur (ou analyseur) est le plan de polarisation de la lumière transmise par le polariseur (ou analyseur).
Laissez la lumière polarisée linéairement avec une amplitude tomber sur un polariseur (ou un analyseur) E 0 . L'amplitude de la lumière transmise sera égale à E = E 0 parce que j, et l'intensité je = je 0 parce que 2 j.
Cette formule exprime La loi de Malus:
L'intensité de la lumière polarisée linéairement traversant l'analyseur est proportionnelle au carré du cosinus de l'angle j entre le plan d'oscillation de la lumière incidente et le plan de l'analyseur.
Billet 80 (pour l'éperon)
Les polariseurs sont des appareils qui permettent d'obtenir de la lumière polarisée. Les analyseurs sont des appareils qui peuvent être utilisés pour analyser si la lumière est polarisée ou non. Structurellement, un polariseur et un analyseur ne font qu'un. polariseur, si la lumière est naturelle - alors toutes les directions du vecteur E sont également probables. Chaque vecteur peut être décomposé en deux composantes mutuellement perpendiculaires : dont l'une est parallèle au plan de polarisation du polariseur et l'autre est perpendiculaire. à cela.
Évidemment, l'intensité de la lumière sortant du polariseur sera égale. Notons l'intensité de la lumière sortant du polariseur par (). un angle avec le plan principal du polariseur, alors l'intensité de la lumière sortant de l'analyseur est déterminée par la loi.
Billet 81.
En étudiant la lueur d'une solution de sels d'uranium sous l'influence des rayons de radium, le physicien soviétique P. A. Cherenkov a attiré l'attention sur le fait que l'eau elle-même brille également, dans laquelle il n'y a pas de sels d'uranium. Il s’est avéré que lorsque les rayons (voir Rayonnement gamma) traversent des liquides purs, ils commencent tous à briller. S. I. Vavilov, sous la direction duquel travaillait P. A. Cherenkov, a émis l'hypothèse que la lueur était associée au mouvement des électrons expulsés des atomes par les quanta de radium. En effet, la lueur dépendait fortement de la direction du champ magnétique dans le liquide (cela suggérait qu'elle était provoquée par le mouvement des électrons).
Mais pourquoi les électrons se déplaçant dans un liquide émettent-ils de la lumière ? La bonne réponse à cette question a été donnée en 1937 par les physiciens soviétiques I. E. Tamm et I. M. Frank.
Un électron, en mouvement dans une substance, interagit avec les atomes qui l'entourent. Sous l'influence de son champ électrique, les électrons et les noyaux atomiques se déplacent dans des directions opposées : le milieu est polarisé. Polarisés puis revenant à leur état d'origine, les atomes du milieu situés le long de la trajectoire des électrons émettent des ondes lumineuses électromagnétiques. Si la vitesse de l'électron v est inférieure à la vitesse de la lumière dans le milieu (l'indice de réfraction), alors le champ électromagnétique dépassera l'électron et la substance aura le temps de se polariser dans l'espace devant l'électron. La polarisation du milieu devant et derrière l'électron est de direction opposée, et le rayonnement des atomes de polarisation opposée, « ajoutés », « s'éteint » mutuellement. Lorsque les atomes qui n'ont pas encore été atteints par un électron n'ont pas le temps de se polariser et que le rayonnement apparaît dirigé le long d'une couche conique étroite avec un sommet coïncidant avec l'électron en mouvement et un angle au sommet c. L'apparence du « cône » lumineux et l'état de rayonnement peuvent être obtenus à partir des principes généraux de propagation des ondes.
Riz. 1. Mécanisme de formation du front d'onde
Laissez l'électron se déplacer le long de l'axe OE (voir Fig. 1) d'un canal vide très étroit dans une substance transparente homogène avec un indice de réfraction (le canal vide est nécessaire pour que les collisions de l'électron avec les atomes ne soient pas prises en compte dans le considération théorique). Tout point de la ligne OE occupé successivement par un électron sera le centre d’émission lumineuse. Les ondes émanant des points successifs O, D, E interfèrent entre elles et sont amplifiées si la différence de phase entre elles est nulle (voir Interférence). Cette condition est satisfaite pour une direction qui fait un angle de 0 avec la trajectoire de l’électron. L'angle 0 est déterminé par la relation :.
En effet, considérons deux ondes émises dans une direction faisant un angle de 0 par rapport à la vitesse de l'électron à partir de deux points de la trajectoire - le point O et le point D, séparés par une distance . Au point B, situé sur la ligne BE, perpendiculaire à OB, la première onde à - après le temps Au point F, situé sur la ligne BE, une onde émise depuis le point arrivera un instant après que l'onde soit émise depuis le point O Ces deux ondes seront en phase, c'est à dire que la droite sera un front d'onde si ces temps sont égaux :. Cela donne la condition d’égalité des temps. Dans toutes les directions pour lesquelles la lumière s'éteindra en raison de l'interférence des ondes émises depuis des sections de la trajectoire séparées par une distance D. La valeur de D est déterminée par l'équation évidente, où T est la période des oscillations de la lumière. Cette équation a toujours une solution si.
Si , alors la direction dans laquelle les ondes émises, lorsqu'elles interfèrent, sont amplifiées, n'existe pas et ne peut être supérieure à 1.
Riz. 2. Distribution des ondes sonores et formation d'une onde de choc lors du mouvement du corps
Le rayonnement n'est observé que si .
Expérimentalement, les électrons volent selon un angle solide fini, avec une certaine répartition de la vitesse, et par conséquent, le rayonnement se propage dans une couche conique proche de la direction principale déterminée par l'angle.
Dans notre réflexion, nous avons négligé le ralentissement des électrons. Ceci est tout à fait acceptable, car les pertes dues au rayonnement de Vavilov-Cerenkov sont faibles et, en première approximation, on peut supposer que l'énergie perdue par l'électron n'affecte pas sa vitesse et qu'il se déplace uniformément. C'est la différence fondamentale et le caractère inhabituel du rayonnement Vavilov-Tcherenkov. Généralement, les charges émettent tout en subissant une accélération significative.
Un électron dépassant sa lumière est semblable à un avion volant à une vitesse supérieure à la vitesse du son. Dans ce cas, une onde sonore de choc conique se propage également devant l'avion (voir Fig. 2).
Dans votre cours de physique de 8e année, vous avez découvert le phénomène de réfraction de la lumière. Vous savez maintenant que la lumière est constituée d’ondes électromagnétiques d’une certaine gamme de fréquences. Grâce à vos connaissances sur la nature de la lumière, vous pouvez comprendre la cause physique de la réfraction et expliquer de nombreux autres phénomènes lumineux qui y sont associés.
Riz. 141. En passant d'un milieu à un autre, le rayon est réfracté, c'est-à-dire change la direction de propagation
Selon la loi de la réfraction de la lumière (Fig. 141) :
- les rayons incidents, réfractés et perpendiculaires attirés à l'interface entre deux milieux au point d'incidence du rayon se trouvent dans le même plan ; le rapport du sinus de l'angle d'incidence sur le sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante pour ces deux milieux
où n 21 est l'indice de réfraction relatif du deuxième milieu par rapport au premier.
Si le faisceau passe dans un milieu à partir du vide, alors
où n est l'indice de réfraction absolu (ou simplement l'indice de réfraction) du deuxième milieu. Dans ce cas, le premier « milieu » est le vide dont la valeur absolue est prise comme unité.
La loi de la réfraction de la lumière a été découverte expérimentalement par le scientifique néerlandais Willebord Snellius en 1621. La loi a été formulée dans un traité d’optique, trouvé dans les papiers du scientifique après sa mort.
Après la découverte de Snell, plusieurs scientifiques ont émis l'hypothèse que la réfraction de la lumière est due à un changement de sa vitesse lorsqu'elle traverse la frontière de deux milieux. La validité de cette hypothèse a été confirmée par des preuves théoriques réalisées indépendamment par le mathématicien français Pierre Fermat (en 1662) et le physicien néerlandais Christiaan Huygens (en 1690). Ils sont arrivés au même résultat de différentes manières, prouvant que
- le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante pour ces deux milieux, égale au rapport des vitesses de la lumière dans ces milieux :
De l'équation (3), il s'ensuit que si l'angle de réfraction β est inférieur à l'angle d'incidence a, alors la lumière d'une fréquence donnée dans le deuxième milieu se propage plus lentement que dans le premier, c'est-à-dire V 2 La relation entre les quantités incluses dans l'équation (3) a servi de raison impérieuse pour l'émergence d'une autre formulation pour la définition de l'indice de réfraction relatif : n 21 = v 1 / v 2 (4) Laissez un faisceau de lumière passer du vide dans un milieu. En remplaçant v1 dans l'équation (4) par la vitesse de la lumière dans le vide c, et v 2 par la vitesse de la lumière dans un milieu v, on obtient l'équation (5), qui est la définition de l'indice de réfraction absolu : D'après les équations (4) et (5), n 21 montre combien de fois la vitesse de la lumière change lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre, et n - lorsqu'elle passe du vide au milieu. C'est la signification physique des indices de réfraction. La valeur de l'indice de réfraction absolu n de toute substance est supérieure à un (ceci est confirmé par les données contenues dans les tableaux des ouvrages de référence physiques). Ensuite, selon l’équation (5), c/v > 1 et c > v, c’est-à-dire que la vitesse de la lumière dans n’importe quelle substance est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Sans donner de justifications strictes (elles sont complexes et lourdes), notons que la raison de la diminution de la vitesse de la lumière lors de sa transition du vide à la matière est l'interaction de l'onde lumineuse avec les atomes et les molécules de matière. Plus la densité optique d'une substance est grande, plus cette interaction est forte, plus la vitesse de la lumière est faible et plus l'indice de réfraction est élevé. Ainsi, la vitesse de la lumière dans un milieu et l'indice de réfraction absolu sont déterminés par les propriétés de ce milieu. Sur la base des valeurs numériques des indices de réfraction des substances, leurs densités optiques peuvent être comparées. Par exemple, l'indice de réfraction des différents types de verre varie de 1,470 à 2,040 et celui de l'eau est de 1,333. Cela signifie que le verre est un milieu optiquement plus dense que l’eau. Tournons-nous vers la figure 142, à l'aide de laquelle nous pouvons expliquer pourquoi à la frontière de deux milieux, avec un changement de vitesse, la direction de propagation de l'onde lumineuse change également. Riz. 142. Lorsque les ondes lumineuses passent de l'air à l'eau, la vitesse de la lumière diminue, le front de l'onde, et avec lui sa vitesse, change de direction La figure montre une onde lumineuse passant de l’air dans l’eau et incidente sur l’interface entre ces milieux sous un angle a. Dans l'air, la lumière se déplace à une vitesse v 1 et dans l'eau à une vitesse inférieure v 2. Le point A de la vague atteint la frontière en premier. Sur une période de temps Δt, le point B, se déplaçant dans l'air à la même vitesse v 1 , atteindra le point B." Pendant le même temps, le point A, se déplaçant dans l'eau à une vitesse inférieure v 2 , parcourra une distance plus courte , atteignant seulement le point A. " Dans ce cas, le soi-disant front de l'onde AB dans l'eau tournera d'un certain angle par rapport au front de l'onde AB dans l'air. Et le vecteur vitesse (qui est toujours perpendiculaire au front de l'onde et coïncide avec la direction de sa propagation) tourne en se rapprochant de la droite OO", perpendiculaire à l'interface entre les milieux. Dans ce cas, l'angle de réfraction β s'avère inférieur à l'angle d'incidence α. C'est ainsi que se produit la réfraction de la lumière. Il ressort également de la figure que lors du passage à un autre milieu et de la rotation du front d'onde, la longueur d'onde change également : lors du passage à un milieu optiquement plus dense, la vitesse diminue, la longueur d'onde diminue également (λ 2< λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны. Les processus associés à la lumière constituent une composante importante de la physique et nous entourent partout dans notre vie quotidienne. Les plus importantes dans cette situation sont les lois de réflexion et de réfraction de la lumière, sur lesquelles repose l'optique moderne. La réfraction de la lumière est une partie importante de la science moderne. Effet de distorsion Cet article vous expliquera ce qu'est le phénomène de réfraction de la lumière, ainsi qu'à quoi ressemble la loi de la réfraction et ce qui en découle. Lorsqu'un faisceau tombe sur une surface séparée par deux substances transparentes ayant des densités optiques différentes (par exemple, des verres différents ou dans l'eau), certains des rayons seront réfléchis et d'autres pénétreront dans la seconde structure (par exemple, ils se propageront dans l'eau ou le verre). Lorsqu'il passe d'un milieu à un autre, un rayon change généralement de direction. C'est le phénomène de réfraction de la lumière. Effet de distorsion dans l'eau En regardant les objets dans l’eau, ils semblent déformés. Ceci est particulièrement visible à la frontière entre l’air et l’eau. Visuellement, les objets sous-marins semblent légèrement déviés. Le phénomène physique décrit est précisément la raison pour laquelle tous les objets semblent déformés dans l’eau. Lorsque les rayons frappent le verre, cet effet est moins perceptible. Passage du faisceau Le même indicateur est typique pour d'autres environnements. Il a été établi que cet indicateur dépend de la densité de la substance. Si le faisceau passe d’une structure moins dense à une structure plus dense, l’angle de distorsion créé sera alors plus grand. Et si c’est l’inverse, alors c’est moins. Pour déterminer ce phénomène physique, la loi de la réfraction a été créée. La loi de réfraction des flux lumineux permet de déterminer les caractéristiques des substances transparentes. La loi elle-même se compose de deux dispositions : Description de la loi Dans ce cas, au moment où le faisceau quitte la deuxième structure pour entrer dans la première (par exemple, lorsque le flux lumineux passe de l'air, à travers le verre et retourne dans l'air), un effet de distorsion se produira également. L'indicateur principal dans cette situation est le rapport du sinus de l'angle d'incidence à un paramètre similaire, mais pour la distorsion. Comme il ressort de la loi décrite ci-dessus, cet indicateur est une valeur constante. Indicateurs pour différents objets Grâce à ce paramètre, vous pouvez distinguer assez efficacement les types de verre, ainsi que les différentes pierres précieuses. C’est également important pour déterminer la vitesse de la lumière dans divers environnements. Faites attention! La vitesse la plus élevée du flux lumineux se produit dans le vide. En passant d'une substance à une autre, sa vitesse diminuera. Par exemple, le diamant, qui possède l’indice de réfraction le plus élevé, aura une vitesse de propagation des photons 2,42 fois supérieure à celle de l’air. Dans l’eau, ils se propageront 1,33 fois plus lentement. Pour différents types de verre, ce paramètre varie de 1,4 à 2,2. Faites attention! Certains verres ont un indice de réfraction de 2,2, très proche du diamant (2,4). Il n’est donc pas toujours possible de distinguer un morceau de verre d’un véritable diamant. La lumière peut pénétrer à travers différentes substances caractérisées par différentes densités optiques. Comme nous l'avons dit précédemment, en utilisant cette loi, vous pouvez déterminer la caractéristique de densité du milieu (structure). Plus il est dense, plus la vitesse à laquelle la lumière s’y propage est lente. Par exemple, le verre ou l’eau seront optiquement plus denses que l’air. Cet indicateur indique comment la vitesse de propagation des photons change lors du passage d'une substance à une autre. Lorsqu'un flux lumineux traverse des objets transparents, sa polarisation est possible. Elle s'observe lors du passage d'un flux lumineux issu de milieux diélectriques isotropes. La polarisation se produit lorsque les photons traversent le verre. Effet de polarisation Une polarisation partielle est observée lorsque l'angle d'incidence du flux lumineux à la frontière de deux diélectriques diffère de zéro. Réflexion interne complète Pour conclure notre courte excursion, il est encore nécessaire de considérer un effet tel qu'une réflexion interne complète. Le phénomène de l'affichage complet Pour que cet effet apparaisse, il faut augmenter l'angle d'incidence du flux lumineux au moment de son passage d'un milieu plus dense à un milieu moins dense à l'interface entre substances. Dans une situation où ce paramètre dépasse une certaine valeur limite, alors les photons incidents à la limite de cette section seront complètement réfléchis. En fait, ce sera le phénomène souhaité. L'application pratique du comportement du flux lumineux a beaucoup apporté, créant une variété de dispositifs techniques pour améliorer nos vies. Dans le même temps, la lumière n’a pas encore révélé toutes ses possibilités à l’humanité et son potentiel pratique n’a pas encore été pleinement réalisé.
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Comment vérifier les performances d'une bande LED Loi de la réfraction de la lumière a été établie expérimentalement au 17ème siècle. Lorsque la lumière passe d’un milieu transparent à un autre, la direction de la lumière peut changer. Le changement de direction de la lumière à la limite de différents milieux est appelé réfraction de la lumière. À la suite de la réfraction, un changement apparent dans la forme de l'objet se produit. (exemple : cuillère dans un verre d'eau). Loi de la réfraction de la lumière : A la limite de deux milieux, le rayon réfracté se situe dans le plan d'incidence et forme, la normale à l'interface restituée au point d'incidence, un angle de réfraction tel que : =n 1-incidence, 2-réflexion, indice de réfraction n (f. Snelius) - indicateur relatif L'indice de réfraction d'un rayon incident sur un milieu provenant d'un espace sans air est appelé son indice de réfraction absolu. L'angle d'incidence auquel le faisceau réfracté commence à glisser le long de l'interface entre deux milieux sans se déplacer dans un milieu optiquement plus dense – angle limite de réflexion interne totale. Réflexion interne totale- réflexion interne, à condition que l'angle d'incidence dépasse un certain angle critique. Dans ce cas, l'onde incidente est complètement réfléchie et la valeur du coefficient de réflexion dépasse ses valeurs les plus élevées pour les surfaces polies. Le facteur de réflexion de la réflexion interne totale est indépendant de la longueur d'onde. En optique, ce phénomène s’observe pour une large gamme de rayonnements électromagnétiques, dont la gamme des rayons X. En optique géométrique, le phénomène s'explique dans le cadre de la loi de Snell. Considérant que l'angle de réfraction ne peut excéder 90°, on constate qu'à un angle d'incidence dont le sinus est supérieur au rapport du plus petit indice de réfraction au plus grand indice, l'onde électromagnétique doit être complètement réfléchie dans le premier milieu. Exemple : L'éclat de nombreux cristaux naturels, et notamment des pierres précieuses et semi-précieuses taillées, s'explique par une réflexion interne totale, à la suite de laquelle chaque rayon entrant dans le cristal forme un grand nombre de rayons assez brillants qui en émergent, colorés comme le résultat de la dispersion. Passons à une considération plus détaillée de l'indice de réfraction, que nous avons introduit au §81 lors de la formulation de la loi de réfraction. L'indice de réfraction dépend des propriétés optiques à la fois du milieu d'où le faisceau tombe et du milieu dans lequel il pénètre. L'indice de réfraction obtenu lorsque la lumière provenant du vide tombe sur un milieu est appelé indice de réfraction absolu de ce milieu. Riz. 184. Indice de réfraction relatif de deux milieux : Soient l'indice de réfraction absolu du premier milieu et celui du deuxième milieu - . En considérant la réfraction à la limite du premier et du deuxième milieu, on s'assure que l'indice de réfraction lors du passage du premier milieu au second, dit indice de réfraction relatif, est égal au rapport des indices de réfraction absolus du deuxième et premier média : (Fig. 184). Au contraire, en passant du deuxième milieu au premier, on a un indice de réfraction relatif Le lien établi entre l'indice de réfraction relatif de deux milieux et leurs indices de réfraction absolus pourrait être dérivé théoriquement, sans nouvelles expériences, tout comme cela peut être fait pour la loi de réversibilité (§82), Un milieu avec un indice de réfraction plus élevé est dit optiquement plus dense. L'indice de réfraction de divers milieux par rapport à l'air est généralement mesuré. L'indice de réfraction absolu de l'air est . Ainsi, l'indice de réfraction absolu de tout milieu est lié à son indice de réfraction par rapport à l'air par la formule Tableau 6. Indice de réfraction de diverses substances par rapport à l'air L'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde de la lumière, c'est-à-dire de sa couleur. Différentes couleurs correspondent à différents indices de réfraction. Ce phénomène, appelé dispersion, joue un rôle important en optique. Nous reviendrons sur ce phénomène à plusieurs reprises dans les chapitres suivants. Les données données dans le tableau. 6, reportez-vous à la lumière jaune. Il est intéressant de noter que la loi de la réflexion peut s’écrire formellement sous la même forme que la loi de la réfraction. Rappelons que nous avons convenu de toujours mesurer les angles depuis la perpendiculaire au rayon correspondant. Il faut donc considérer que l’angle d’incidence et l’angle de réflexion ont des signes opposés, c’est-à-dire : la loi de la réflexion peut s'écrire En comparant (83.4) avec la loi de la réfraction, on voit que la loi de la réflexion peut être considérée comme un cas particulier de la loi de la réfraction à . Cette similitude formelle des lois de la réflexion et de la réfraction est très utile pour résoudre des problèmes pratiques. Dans l'exposé précédent, l'indice de réfraction avait le sens d'une constante du milieu, indépendante de l'intensité de la lumière qui le traverse. Cette interprétation de l'indice de réfraction est tout à fait naturelle, mais dans le cas d'intensités de rayonnement élevées pouvant être obtenues à l'aide de lasers modernes, elle n'est pas justifiée. Les propriétés du milieu traversé par un fort rayonnement lumineux dépendent dans ce cas de son intensité. Comme on dit, l'environnement devient non linéaire. La non-linéarité du milieu se manifeste notamment par le fait qu'une onde lumineuse de forte intensité modifie l'indice de réfraction. La dépendance de l'indice de réfraction sur l'intensité du rayonnement a la forme Voici l'indice de réfraction habituel, l'indice de réfraction non linéaire et le facteur de proportionnalité. Le terme supplémentaire dans cette formule peut être positif ou négatif. Les changements relatifs de l'indice de réfraction sont relativement faibles. À indice de réfraction non linéaire. Cependant, même de si petits changements dans l'indice de réfraction sont perceptibles : ils se manifestent par un phénomène particulier d'autofocalisation de la lumière. Considérons un milieu avec un indice de réfraction non linéaire positif. Dans ce cas, les zones d'intensité lumineuse accrue sont simultanément des zones d'indice de réfraction accru. Typiquement, dans un rayonnement laser réel, la distribution de l'intensité sur la section transversale d'un faisceau de rayons n'est pas uniforme : l'intensité est maximale le long de l'axe et diminue progressivement vers les bords du faisceau, comme le montre la Fig. 185 courbes solides. Une distribution similaire décrit également la modification de l'indice de réfraction sur la section transversale d'une cellule avec un milieu non linéaire le long de l'axe duquel le faisceau laser se propage. L'indice de réfraction, qui est le plus élevé le long de l'axe de la cuvette, diminue progressivement vers ses parois (courbes pointillées sur la Fig. 185). Un faisceau de rayons sortant du laser parallèlement à l'axe, entrant dans un milieu à indice de réfraction variable, est dévié dans la direction où il est le plus large. Par conséquent, l’intensité accrue à proximité de la cuvette conduit à une concentration de rayons lumineux dans cette zone, illustrée schématiquement en coupes transversales et sur la Fig. 185, ce qui conduit à une nouvelle augmentation. En fin de compte, la section efficace d’un faisceau lumineux traversant un milieu non linéaire est considérablement réduite. La lumière traverse un canal étroit avec un indice de réfraction élevé. Ainsi, le faisceau de rayons laser est rétréci et le milieu non linéaire, sous l'influence d'un rayonnement intense, agit comme une lentille collectrice. Ce phénomène est appelé autofocalisation. On l'observe par exemple dans le nitrobenzène liquide. Riz. 185. Répartition de l'intensité du rayonnement et de l'indice de réfraction sur la section transversale d'un faisceau laser de rayons à l'entrée de la cuvette (a), près de l'extrémité d'entrée (), au milieu (), près de l'extrémité de sortie de la cuvette ( ) Détermination de l'indice de réfraction des solides transparents Et des liquides Appareils et accessoires: microscope avec filtre de lumière, plaque plan-parallèle avec marque AB en forme de croix ; marque de réfractomètre « RL » ; ensemble de liquides. Objectif du travail : déterminer les indices de réfraction du verre et des liquides. Détermination de l'indice de réfraction du verre à l'aide d'un microscope Pour déterminer l'indice de réfraction d'un solide transparent, une plaque plane parallèle constituée de ce matériau avec une marque est utilisée. La marque est constituée de deux rayures mutuellement perpendiculaires, dont l'une (A) est appliquée sur le bas et la seconde (B) est appliquée sur la surface supérieure de la plaque. La plaque est éclairée par une lumière monochromatique et observée au microscope. Sur Les rayons AD et AE, après réfraction à l'interface verre-air, se déplacent dans les directions DD1 et EE1 et pénètrent dans la lentille du microscope. Un observateur qui regarde la plaque d'en haut voit le point A à l'intersection de la suite des rayons DD1 et EE1, c'est-à-dire au point C. Ainsi, le point A apparaît à l'observateur comme étant situé au point C. Trouvons la relation entre l'indice de réfraction n du matériau de la plaque, l'épaisseur d et l'épaisseur apparente d1 de la plaque. 4.7 il est clair que VD = VСtgi, BD = АВtgr, d'où tgi/tgr = AB/BC, où AB = d – épaisseur de la plaque ; BC = d1 épaisseur apparente de la plaque. Si les angles i et r sont petits, alors Sini/Sinr = tgi/tgr, (4.5) ceux. Sini/Sinr = d/d1. Compte tenu de la loi de la réfraction de la lumière, on obtient La mesure d/d1 est réalisée à l'aide d'un microscope. La conception optique du microscope se compose de deux systèmes : un système d'observation, qui comprend une lentille et un oculaire montés dans un tube, et un système d'éclairage, composé d'un miroir et d'un filtre amovible. L'image est mise au point en tournant les poignées situées de part et d'autre du tube. Un disque avec une échelle à cadran est monté sur l'axe de la poignée droite. La lecture b le long du cadran par rapport à l'aiguille fixe détermine la distance h de l'objectif à la platine du microscope : Le coefficient k indique à quelle hauteur le tube du microscope se déplace lorsque la poignée est tournée de 1°. Le diamètre de la lentille dans cette configuration est petit par rapport à la distance h, de sorte que le rayon extrême qui pénètre dans la lentille forme un petit angle i avec l'axe optique du microscope. L'angle de réfraction r de la lumière dans la plaque est inférieur à l'angle i, c'est-à-dire est également petit, ce qui correspond à la condition (4.5). Bon de travail 1. Placez la plaque sur la platine du microscope de manière à ce que le point d'intersection des lignes A et B (voir Fig. 4.7) était en vue. 2. Faites pivoter la poignée du mécanisme de levage pour soulever le tube en position supérieure. 3. En regardant à travers l'oculaire, tournez la poignée pour abaisser doucement le tube du microscope jusqu'à ce qu'une image claire de la rayure B appliquée sur la surface supérieure de la plaque soit visible dans le champ de vision. Enregistrez la lecture b1 du membre, qui est proportionnelle à la distance h1 de la lentille du microscope au bord supérieur de la plaque : h1 = kb1 (Fig. 4. Continuez à abaisser le tube doucement jusqu'à obtenir une image nette de la rayure A, qui semble à l'observateur se situer au point C. Enregistrez une nouvelle lecture b2 du cadran. La distance h1 de la lentille à la surface supérieure de la plaque est proportionnelle à b2 : Les distances des points B et C à la lentille sont égales, puisque l'observateur les voit également clairement. Le déplacement du tube h1-h2 est égal à l'épaisseur apparente de la plaque (Fig. d1 = h1-h2 = (b1-b2)k. (4.8) 5. Mesurez l'épaisseur de la plaque d à l'intersection des traits. Pour ce faire, placez une plaque de verre auxiliaire 2 sous la plaque 1 étudiée (Fig. 4.9) et abaissez le tube du microscope jusqu'à ce que la lentille touche (légèrement) la plaque étudiée. Notez l'indication du cadran a1. Retirez la plaque étudiée et abaissez le tube du microscope jusqu'à ce que la lentille touche la plaque 2. Notez la lecture de a2. L'objectif du microscope s'abaissera alors jusqu'à une hauteur égale à l'épaisseur de la plaque étudiée, c'est-à-dire d = (a1-a2)k. (4.9) 6. Calculez l'indice de réfraction du matériau de la plaque à l'aide de la formule n = d/d1 = (a1-a2)/(b1-b2). (4.10) 7. Répétez toutes les mesures ci-dessus 3 à 5 fois, calculez la valeur moyenne n, les erreurs absolues et relatives rn et rn/n. Détermination de l'indice de réfraction des liquides à l'aide d'un réfractomètre Les instruments utilisés pour déterminer les indices de réfraction sont appelés réfractomètres. La vue générale et la conception optique du réfractomètre RL sont présentées sur la Fig. 4.10 et 4.11. La mesure de l'indice de réfraction des liquides à l'aide d'un réfractomètre RL repose sur le phénomène de réfraction de la lumière passant à l'interface entre deux milieux d'indices de réfraction différents. Faisceau lumineux (fig. 4.11) de la source 1 (lampe à incandescence ou lumière diffuse de la lumière du jour) à l'aide du miroir 2 est dirigée à travers une fenêtre dans le corps de l'appareil vers un double prisme composé des prismes 3 et 4, qui sont en verre avec un indice de réfraction de 1,540 . Surface AA du prisme éclairant supérieur 3 (Fig. 4.12, a) mat et sert à éclairer le liquide avec une lumière diffusée, déposée en couche mince dans l'espace entre les prismes 3 et 4. La lumière diffusée par la surface mate 3 traverse la couche plan-parallèle du liquide étudié et tombe sur la face diagonale BB du prisme inférieur 4 sous différents Pour éviter le phénomène de réflexion interne totale de la lumière à la surface de l'explosif, l'indice de réfraction du liquide étudié doit être inférieur à l'indice de réfraction du verre du prisme 4, soit moins de 1.540. Un rayon lumineux dont l’angle d’incidence est de 90° est appelé rasant. Un faisceau coulissant, réfracté à l'interface liquide-verre, se déplacera dans le prisme 4 à l'angle de réfraction maximum r pr< 90о. La réfraction d'un rayon glissant au point D (voir Fig. 4.12, a) obéit à la loi nst/nl = sinipr/sinrpr (4.11) ou nf = nst sinrpr, (4.12) puisque sinipr = 1. Sur la surface BC du prisme 4, se produit la réfraction des rayons lumineux puis Sini¢pr/sinr¢pr = 1/nst, (4.13) r¢pr+i¢pr = i¢pr =a , (4.14) où a est le rayon réfringent du prisme 4. En résolvant conjointement le système d'équations (4.12), (4.13), (4.14), nous pouvons obtenir une formule qui relie l'indice de réfraction nj du liquide étudié avec l'angle de réfraction limite r'pr du faisceau sortant du prisme. 4 : Si un télescope est placé sur le trajet des rayons émergeant du prisme 4, alors la partie inférieure de son champ de vision sera éclairée et la partie supérieure sera sombre. L'interface entre les champs clair et sombre est formée par des rayons ayant un angle de réfraction maximal r¢pr. Il n’y a pas de rayons avec un angle de réfraction inférieur à r¢pr dans ce système (Fig. La valeur de r¢pr et la position de la limite du clair-obscur dépendent donc uniquement de l'indice de réfraction nf du liquide étudié, puisque nst et a sont des valeurs constantes dans cet appareil. Connaissant nst, a et r¢pr, vous pouvez calculer nl en utilisant la formule (4.15). En pratique, la formule (4.15) est utilisée pour calibrer l'échelle du réfractomètre. À l’échelle 9 (voir. riz. 4.11) à gauche se trouvent les valeurs de l'indice de réfraction pour ld = 5893 Å. Devant l'oculaire 10 - 11 se trouve une plaque 8 avec un repère (—-). En déplaçant l'oculaire avec la plaque 8 le long de l'échelle, il est possible d'aligner le repère avec l'interface entre les champs de vision sombre et clair. La division de l'échelle graduée 9, coïncidant avec le repère, donne la valeur de l'indice de réfraction nl du liquide étudié. La lentille 6 et l'oculaire 10 - 11 forment un télescope. Le prisme rotatif 7 modifie la trajectoire du faisceau en le dirigeant vers l'oculaire. En raison de la dispersion du verre et du liquide étudié, au lieu d'une frontière claire entre les champs sombre et clair, lorsqu'on l'observe en lumière blanche, on obtient une bande arc-en-ciel. Pour éliminer cet effet, un compensateur de dispersion 5 est utilisé, installé devant la lentille du télescope. La partie principale du compensateur est un prisme, qui est collé à partir de trois prismes et peut tourner par rapport à l'axe du télescope. Les angles de réfraction du prisme et de leur matériau sont sélectionnés de manière à ce que la lumière jaune d'une longueur d'onde lд = 5893 Å les traverse sans réfraction. Si un prisme compensateur est installé sur le trajet des rayons colorés de manière à ce que sa dispersion soit égale en grandeur, mais de signe opposé à la dispersion du prisme de mesure et du liquide, alors la dispersion totale sera nulle. Dans ce cas, le faisceau de rayons lumineux sera collecté en un faisceau blanc dont la direction coïncide avec la direction du faisceau jaune limite. Ainsi, lorsque le prisme compensateur tourne, la dominante de couleur est éliminée. Avec le prisme 5, le cadran de dispersion 12 tourne par rapport au pointeur fixe (voir Fig. 4.10). L'angle de rotation Z du membre permet de juger de la valeur de la dispersion moyenne du liquide étudié. L'échelle à cadran doit être graduée. Un planning est inclus avec l'installation. Bon de travail 1. Soulevez le prisme 3, déposez 2 à 3 gouttes du liquide de test sur la surface du prisme 4 et abaissez le prisme 3 (voir Fig. 4.10). 3. En utilisant la visée oculaire, obtenez une image nette de l'échelle et de l'interface entre les champs de vision. 4. En tournant la poignée 12 du compensateur 5, détruisez la couleur de l'interface entre les champs visuels. En déplaçant l'oculaire le long de l'échelle, alignez la marque (—-) avec la bordure des champs sombres et clairs et notez la valeur de l'indicateur de liquide. 6. Examinez l'ensemble de liquides proposé et évaluez l'erreur de mesure. 7. Après chaque mesure, essuyez la surface des prismes avec du papier filtre imbibé d'eau distillée. Questions de sécurité Option 1 Définir les indices de réfraction absolus et relatifs d'un milieu. 2. Tracez le chemin des rayons à travers l'interface entre deux milieux (n2> n1 et n2< n1). 3. Obtenez une relation qui relie l'indice de réfraction n avec l'épaisseur d et l'épaisseur apparente d¢ de la plaque. 4. Tâche. L'angle limite de réflexion interne totale pour une certaine substance est de 30°. Trouvez l'indice de réfraction de cette substance. Réponse : n =2. Option 2 1. Quel est le phénomène de réflexion interne totale ? 2. Décrire la conception et le principe de fonctionnement du réfractomètre RL-2. 3. Expliquer le rôle du compensateur dans un réfractomètre. 4. Tâche. Une ampoule est descendue du centre d'un radeau rond jusqu'à une profondeur de 10 m. Trouvez le rayon minimum du radeau, alors qu'aucun rayon de l'ampoule ne doit atteindre la surface. Réponse : R = 11,3 m. INDICE DE RÉFRACTION, ou INDICE DE RÉFRACTION, est un nombre abstrait caractérisant le pouvoir réfringent d'un milieu transparent. L'indice de réfraction est désigné par la lettre latine π et est défini comme le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction d'un rayon entrant dans un milieu transparent donné depuis un vide : n = sin α/sin β = const ou comme le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de la lumière dans un milieu transparent donné : n = c/νλ du vide dans un milieu transparent donné. L'indice de réfraction est considéré comme une mesure de la densité optique d'un milieu L'indice de réfraction ainsi déterminé est appelé indice de réfraction absolu, contrairement à ce qu'on appelle l'indice de réfraction relatif. e. montre combien de fois la vitesse de propagation de la lumière ralentit lorsque son indice de réfraction change, qui est déterminé par le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction lorsque le faisceau passe d'un milieu de une densité à un milieu d’une autre densité. L'indice de réfraction relatif est égal au rapport des indices de réfraction absolus : n = n2/n1, où n1 et n2 sont les indices de réfraction absolus du premier et du deuxième milieux. L'indice de réfraction absolu de tous les corps - solides, liquides et gazeux - est supérieur à l'unité et varie de 1 à 2, ne dépassant 2 que dans de rares cas. L'indice de réfraction dépend à la fois des propriétés du milieu et de la longueur d'onde de la lumière et augmente avec la diminution de la longueur d'onde. Par conséquent, un indice est attribué à la lettre p, indiquant à quelle longueur d'onde appartient l'indicateur. Par exemple, pour le verre TF-1, l’indice de réfraction dans la partie rouge du spectre est nC = 1,64210 et dans la partie violette nG’ = 1,67298. Indices de réfraction de certains corps transparents Aérien - 1.000292 Eau - 1 334 Éther - 1 358 Alcool éthylique - 1.363 Glycérine - 1 473 Verre organique (plexiglas) - 1, 49 Benzène - 1.503 (Verre couronne - 1.5163 Sapin (canadien), baumier 1,54 Couronne lourde en verre - 1, 61 26 Verre silex - 1.6164 Disulfure de carbone - 1.629 Verre à silex lourd - 1, 64 75 Monobromonaphtalène - 1,66 Le verre est le silex le plus lourd - 1,92 Diamant - 2,42 La différence d'indice de réfraction pour différentes parties du spectre est la cause du chromatisme, c'est-à-dire décomposition de la lumière blanche lorsqu'elle traverse des éléments réfractifs - lentilles, prismes, etc. Travail de laboratoire n°41 Détermination de l'indice de réfraction des liquides à l'aide d'un réfractomètre Objet du travail : détermination de l'indice de réfraction des liquides par la méthode de réflexion interne totale à l'aide d'un réfractomètre IRF-454B; étude de la dépendance de l'indice de réfraction d'une solution sur sa concentration. Description de l'installation Lorsque la lumière non monochromatique est réfractée, elle est décomposée en ses couleurs composantes dans un spectre. Ce phénomène est dû à la dépendance de l'indice de réfraction d'une substance sur la fréquence (longueur d'onde) de la lumière et est appelé dispersion de la lumière. Il est d'usage de caractériser le pouvoir réfractif d'un milieu par l'indice de réfraction à la longueur d'onde λ
= 589,3 nm (la valeur moyenne des longueurs d'onde de deux raies jaunes proches dans le spectre de la vapeur de sodium). Cet indice de réfraction est désigné nD. La mesure de la dispersion est la dispersion moyenne, définie comme la différence ( nF-nC), Où nF- indice de réfraction d'une substance à une longueur d'onde λ
= 486,1 nm (ligne bleue dans le spectre de l'hydrogène), nC– indice de réfraction de la substance λ
- 656,3 nm (ligne rouge dans le spectre de l'hydrogène). La réfraction d'une substance est caractérisée par la valeur de la dispersion relative : les ouvrages de référence donnent généralement la valeur inverse de la dispersion relative, c'est-à-dire c'est-à-dire où est le coefficient de dispersion, ou nombre d'Abbe. L'installation de détermination de l'indice de réfraction des liquides est constituée d'un réfractomètre IRF-454B avec les limites de mesure de l'indicateur ; réfraction nD dans la plage de 1,2 à 1,7 ; liquide de test, serviettes pour essuyer les surfaces des prismes. Réfractomètre IRF-454B est un instrument conçu pour mesurer directement l'indice de réfraction des liquides, ainsi que pour déterminer la dispersion moyenne des liquides dans des conditions de laboratoire. Principe de fonctionnement de l'appareil IRF-454B basé sur le phénomène de réflexion interne totale de la lumière. Le schéma de principe de l'appareil est présenté sur la Fig. 1. Le liquide à tester est placé entre les deux faces du prisme 1 et 2. Prisme 2 à bord bien poli AB mesure, et le prisme 1 avec un bord mat UN1
DANS1
- l'éclairage. Les rayons d'une source lumineuse tombent sur le bord UN1
AVEC1
, réfracter, tomber sur une surface mate UN1
DANS1
et sont dispersés par cette surface. Ensuite, ils traversent la couche du liquide étudié et atteignent la surface. AB prismes 2. Selon la loi de la réfraction, où et sont respectivement les angles de réfraction des rayons dans le liquide et le prisme. À mesure que l'angle d'incidence augmente, l'angle de réfraction augmente également et atteint sa valeur maximale lorsque, c'est-à-dire e. lorsqu'un faisceau dans un liquide glisse sur une surface AB. Ainsi, . Ainsi, les rayons émergeant du prisme 2 sont limités à un certain angle. Les rayons provenant du liquide dans le prisme 2 sous de grands angles subissent une réflexion interne totale à l'interface AB et ne traverse pas le prisme. L'appareil en question examine les liquides dont l'indice de réfraction est inférieur à l'indice de réfraction du prisme 2, par conséquent, les rayons de toutes les directions réfractés à la limite du liquide et du verre entreront dans le prisme. Bien évidemment, la partie du prisme correspondant aux rayons qui ne sont pas passés au travers sera obscurcie. Grâce au télescope 4, situé sur le trajet des rayons sortant du prisme, on peut observer la division du champ de vision en parties claires et sombres. En faisant tourner le système de prismes 1-2, l'interface entre les champs clair et sombre est alignée avec la croix des fils de l'oculaire du télescope. Le système de prismes 1-2 est connecté à une échelle calibrée en valeurs d'indice de réfraction. L'échelle est située dans la partie inférieure du champ de vision du tuyau et, en combinant une section du champ de vision avec une croix de fils, donne la valeur correspondante de l'indice de réfraction du liquide. En raison de la dispersion, l’interface du champ de vision en lumière blanche sera colorée. Pour éliminer la coloration, ainsi que pour déterminer la dispersion moyenne de la substance à tester, on utilise le compensateur 3, constitué de deux systèmes de prismes de vision directe collés (prismes Amichi). Les prismes peuvent être tournés simultanément dans différentes directions à l'aide d'un dispositif mécanique rotatif précis, modifiant ainsi la dispersion propre du compensateur et éliminant la coloration de la bordure du champ de vision observé à travers le système optique 4. Un tambour avec une échelle est associé au compensateur, par lequel le paramètre de dispersion est déterminé, permettant de calculer la dispersion moyenne des substances. Bon de travail Ajustez l'appareil de manière à ce que la lumière de la source (lampe à incandescence) pénètre dans le prisme d'éclairage et éclaire uniformément le champ de vision. 2. Ouvrez le prisme de mesure. A l'aide d'une tige de verre, appliquez quelques gouttes d'eau sur sa surface et fermez soigneusement le prisme. L'espace entre les prismes doit être uniformément rempli d'une fine couche d'eau (y prêter une attention particulière). A l'aide de la vis de l'appareil muni d'une balance, éliminez la coloration du champ de vision et obtenez une limite nette entre la lumière et l'ombre. Alignez-le, à l'aide d'une autre vis, avec la croix de référence de l'oculaire de l'instrument. Déterminez l'indice de réfraction de l'eau à l'aide de l'échelle oculaire avec une précision au millième près. Comparez les résultats obtenus avec les données de référence pour l'eau. Si la différence entre l'indice de réfraction mesuré et celui du tableau ne dépasse pas ± 0,001, alors la mesure a été effectuée correctement. Tâche 1 1. Préparez une solution de sel de table ( NaCl) avec une concentration proche de la limite de solubilité (par exemple C = 200 g/litre). Mesurez l'indice de réfraction de la solution résultante. 3. En diluant la solution un nombre entier de fois, obtenez la dépendance de l'indicateur ; réfraction sur la concentration de la solution et remplissez le tableau. 1. Tableau 1 Exercice. Comment obtenir une concentration de solution égale aux 3/4 du maximum (initial) uniquement par dilution ? Construire un graphique de dépendances n=n(C). Le traitement ultérieur des données expérimentales est effectué selon les instructions de l'enseignant. Traitement des données expérimentales a) Méthode graphique Déterminer la pente à partir du graphique DANS, qui, dans des conditions expérimentales, caractérisera le soluté et le solvant. 2. Déterminez la concentration de la solution à l'aide du graphique NaCl donnée par le laborantin. b) Méthode analytique Calculer en utilisant la méthode des moindres carrés UN, DANS Et SB. Basé sur les valeurs trouvées UN Et DANS déterminer la concentration moyenne de la solution NaCl donné par le laborantin Questions de sécurité Dispersion de la lumière. Quelle est la différence entre la dispersion normale et la dispersion anormale ? 2. Quel est le phénomène de réflexion interne totale ? 3. Pourquoi cette configuration ne peut-elle pas mesurer l'indice de réfraction d'un liquide supérieur à l'indice de réfraction du prisme ? 4. Pourquoi un visage prismatique UN1
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est-ce qu'ils le rendent mat ? Encyclopédie psychologique Une manière d’évaluer le degré de dégradation mentale ! fonctions mesurées par le test de Wechsler-Bellevue. L'indice repose sur l'observation selon laquelle certaines capacités mesurées par le test diminuent avec l'âge, mais d'autres non. Encyclopédie psychologique - index, registre des noms, titres, etc. En psychologie - un indicateur numérique pour l'évaluation quantitative, la caractérisation des phénomènes. Encyclopédie psychologique 1. Sens le plus général : tout ce qui est utilisé pour marquer, identifier ou diriger ; indications, inscriptions, signes ou symboles. 2. Une formule ou un nombre, souvent exprimé sous forme de coefficient, montrant une relation entre des valeurs ou des mesures ou entre... Encyclopédie psychologique Une caractéristique qui exprime la sociabilité d'une personne. Un sociogramme, par exemple, fournit, entre autres mesures, une évaluation de la sociabilité des différents membres d'un groupe. Encyclopédie psychologique Formule permettant d'estimer le pouvoir d'un test ou d'un élément de test particulier pour distinguer les individus les uns des autres. Encyclopédie psychologique Statistique qui fournit une estimation de la corrélation entre les valeurs réelles obtenues à partir d'un test et les valeurs théoriquement correctes. Cet indice est donné par la valeur de r, où r est le coefficient de fiabilité calculé. Encyclopédie psychologique Mesure de la mesure dans laquelle les connaissances sur une variable peuvent être utilisées pour faire des prédictions sur une autre variable, étant donné que la corrélation entre les variables est connue. Habituellement, sous forme symbolique, cela est exprimé par E, l'indice est représenté par 1 -((... Encyclopédie psychologique Terme général désignant toute fréquence systématique d’apparition de mots dans une langue écrite et/ou parlée. Ces indices se limitent souvent à des domaines linguistiques spécifiques, par exemple les manuels scolaires de première année ou les interactions parents-enfants. Cependant, des estimations sont connues... Encyclopédie psychologique La mesure du corps proposée par Eysenck est basée sur le rapport entre la taille et le tour de poitrine. Ceux dont les scores se situaient dans la plage « normale » étaient appelés mésomorphes, ceux qui se trouvaient dans un écart type ou au-dessus de la moyenne étaient appelés leptomorphes, et ceux qui se trouvaient dans un écart type ou... POUR LA CONFÉRENCE N°24 "MÉTHODES INSTRUMENTALES D'ANALYSE" RÉFRACTOMÉTRIE. Littérature: 1.
V.D. Ponomarev « Chimie analytique » 1983 246-251 2.
Les AA Ishchenko « Chimie analytique » 2004 pp. 181-184 RÉFRACTOMÉTRIE. La réfractométrie est l'une des méthodes physiques d'analyse les plus simples utilisant une quantité minimale d'analyte et s'effectue dans un délai très court. Réfractométrie- une méthode basée sur le phénomène de réfraction ou de réfraction c'est-à-dire changer la direction de propagation de la lumière lors du passage d'un milieu à un autre. La réfraction, ainsi que l'absorption de la lumière, sont une conséquence de son interaction avec le milieu. Le mot réfractométrie signifie mesures
réfraction de la lumière, qui est estimée par la valeur de l'indice de réfraction. Valeur de l'indice de réfraction nça dépend 1) sur la composition des substances et des systèmes, 2) du fait dans quelle concentration
et quelles molécules le faisceau lumineux rencontre sur son chemin, car Sous l’influence de la lumière, les molécules de différentes substances sont polarisées différemment. C'est sur cette dépendance que repose la méthode réfractométrique. Cette méthode présente un certain nombre d'avantages, grâce auxquels elle a trouvé de larges applications à la fois dans la recherche chimique et dans le contrôle des processus technologiques. 1) La mesure des indices de réfraction est un processus très simple qui est effectué avec précision et avec un minimum de temps et de quantité de substance. 2) Généralement, les réfractomètres offrent une précision allant jusqu'à 10 % dans la détermination de l'indice de réfraction de la lumière et du contenu de l'analyte. La méthode de réfractométrie est utilisée pour contrôler l'authenticité et la pureté, pour identifier des substances individuelles et pour déterminer la structure des composés organiques et inorganiques lors de l'étude de solutions. La réfractométrie est utilisée pour déterminer la composition de solutions à deux composants et pour les systèmes ternaires. Base physique de la méthode INDICE DE RÉFRACTION. Plus la différence de vitesse de propagation de la lumière entre les deux est grande, plus la déviation d'un rayon lumineux par rapport à sa direction d'origine lorsqu'il passe d'un milieu à un autre est grande. ces environnements. Considérons la réfraction d'un faisceau lumineux à la limite de deux milieux transparents I et II quelconques (Voir. Riz.). Admettons que le milieu II a un plus grand pouvoir réfringent et, par conséquent, n1 Et n2— montre la réfraction du milieu correspondant. Si le milieu I n'est pas le vide ou l'air, alors le rapport de l'angle d'incidence sin du faisceau lumineux sur l'angle de réfraction sin donnera la valeur de l'indice de réfraction relatif n rel. Valeur n rel. peut également être défini comme le rapport des indices de réfraction du milieu considéré. notrerel. = —— = — La valeur de l'indice de réfraction dépend de 1) nature des substances
La nature de la substance dans ce cas est déterminée par le degré de déformabilité de ses molécules sous l'influence de la lumière - le degré de polarisabilité. Plus la polarisabilité est intense, plus la réfraction de la lumière est forte. 2)longueur d'onde de la lumière incidente
La mesure de l'indice de réfraction est réalisée à une longueur d'onde lumineuse de 589,3 nm (raie D du spectre du sodium). La dépendance de l'indice de réfraction sur la longueur d'onde de la lumière est appelée dispersion. Plus la longueur d'onde est courte, plus la réfraction est grande. Par conséquent, les rayons de différentes longueurs d’onde sont réfractés différemment. 3)température
, à laquelle la mesure est effectuée. Une condition préalable à la détermination de l'indice de réfraction est le respect du régime de température. Habituellement, la détermination est effectuée à 20 ± 0,30 C. À mesure que la température augmente, l'indice de réfraction diminue ; à mesure que la température diminue, il augmente.. La correction des effets de température est calculée à l'aide de la formule suivante : nt=n20+ (20-t) 0,0002, où tn – Au revoir indice de réfraction à une température donnée, indice de réfraction n20 à 200 C L'influence de la température sur les valeurs des indices de réfraction des gaz et des liquides est associée aux valeurs de leurs coefficients de dilatation volumétrique. Le volume de tous les gaz et liquides augmente lorsqu'il est chauffé, la densité diminue et, par conséquent, l'indicateur diminue L'indice de réfraction mesuré à 200C et une longueur d'onde lumineuse de 589,3 nm est désigné par l'indice nD20 La dépendance de l'indice de réfraction d'un système homogène à deux composants sur son état est établie expérimentalement en déterminant l'indice de réfraction pour un certain nombre de systèmes standards (par exemple des solutions), dont la teneur en composants est connue. 4) concentration de la substance en solution.
Pour de nombreuses solutions aqueuses de substances, les indices de réfraction à différentes concentrations et températures sont mesurés de manière fiable, et dans ces cas, des ouvrages de référence peuvent être utilisés tables réfractométriques. La pratique montre que lorsque la teneur en substances dissoutes ne dépasse pas 10-20%, en association avec la méthode graphique, il est dans de nombreux cas possible d'utiliser équation linéaire comme : n=non+FC, n- indice de réfraction de la solution, Non est l'indice de réfraction d'un solvant pur, C— concentration de la substance dissoute,% F-coefficient empirique dont on trouve la valeur en déterminant les indices de réfraction de solutions de concentration connue. RÉFRACTOMÈTRES. Les réfractomètres sont des instruments utilisés pour mesurer l'indice de réfraction. Il existe 2 types de ces appareils : le réfractomètre de type Abbe et le réfractomètre de type Pulfrich. Dans les deux cas, les mesures sont basées sur la détermination de l'angle de réfraction maximal. En pratique, des réfractomètres de différents systèmes sont utilisés : laboratoire-RL, universel RL, etc. L'indice de réfraction de l'eau distillée est n0 = 1,33299, mais pratiquement cet indicateur est pris comme référence comme n0 =1,333.
Le principe de fonctionnement des réfractomètres est basé sur la détermination de l'indice de réfraction par la méthode de l'angle limite (l'angle de réflexion totale de la lumière). Réfractomètre portatif Réfractomètre AbbeQuestions
Exercice
Bases d'un phénomène physique
La réflexion et la réfraction de la lumière sont particulièrement visibles dans l'eau.
La réfraction de la lumière est un phénomène physique caractérisé par un changement de direction de déplacement d'un rayon solaire au moment où il passe d'un milieu (structure) à un autre.
Pour améliorer notre compréhension de ce processus, prenons l’exemple d’un faisceau frappant l’eau depuis l’air (de la même manière pour le verre). En traçant une ligne perpendiculaire le long de l’interface, l’angle de réfraction et le retour du faisceau lumineux peuvent être mesurés. Cet indice (angle de réfraction) changera à mesure que le flux pénètre dans l'eau (à l'intérieur du verre).
Faites attention! Ce paramètre s'entend comme l'angle formé par une perpendiculaire tracée à la séparation de deux substances lorsqu'un faisceau pénètre de la première structure vers la seconde.
Dans le même temps, un changement dans la pente de la baisse affectera également cet indicateur. Mais la relation entre eux ne reste pas constante. Dans le même temps, le rapport de leurs sinus restera une valeur constante, ce qui se traduit par la formule suivante : sinα / sinγ = n, où :Loi physique
Un paramètre important pour différents objets
De plus, lorsque la valeur de la pente de déclin change, la même situation sera typique pour un indicateur similaire. Ce paramètre est d'une grande importance car il fait partie intégrante des substances transparentes.Densité optique des substances
En plus du fait que ce paramètre est une valeur constante, il reflète également le rapport de la vitesse de la lumière dans deux substances. La signification physique peut être affichée sous la forme de la formule suivante :Un autre indicateur important
Le degré de polarisation dépend des angles d'incidence (loi de Brewster).
Sans cela, il était impossible de fabriquer de la fibre optique.
La loi de la réfraction de la lumière. Indices de réfraction absolus et relatifs (coefficients). Réflexion interne totale
riz. La figure 4.7 montre une coupe transversale de la plaque étudiée avec un plan vertical.Indice de réfraction
h2 = kb2 (Fig. 4.8, b).
angles i allant de zéro à 90°.
INDICE DE RÉFRACTION
60. Quelles méthodes pour déterminer la concentration de substances dans une solution sont utilisées dans l'analyse par absorption atomique ?
Dégradation, Indice
Indice
De quoi dépend l’indice de réfraction d’une substance ?
Indice
Sociabilité, Indice
Sélection, Index
Fiabilité, Indice
Prévisions de performances, indice
Mots, Index
Structures du corps, index
Quel est l'indice de réfraction du verre ? Et quand faut-il le savoir ?
