Quel phénomène est appelé réflexion interne totale. Application du phénomène de réflexion interne totale

Tout d’abord, imaginons un peu. Imaginez une chaude journée d'été en Colombie-Britannique, primitif utilise une lance pour chasser le poisson. Il remarque sa position, vise et frappe pour une raison quelconque dans un endroit où le poisson n'était pas du tout visible. Manqué? Non, le pêcheur a une proie entre les mains ! Le fait est que notre ancêtre a compris intuitivement le sujet que nous allons étudier maintenant. DANS Vie courante nous voyons qu'une cuillère placée dans un verre d'eau apparaît tordue lorsque nous regardons à travers un bocal en verre - les objets semblent tordus. Nous examinerons toutes ces questions dans la leçon dont le thème est : « Réfraction de la lumière. La loi de la réfraction de la lumière. Réflexion intérieure complète."

Dans les leçons précédentes, nous avons parlé du sort d'un rayon dans deux cas : que se passera-t-il si un rayon de lumière se propage dans un espace transparent ? environnement homogène? La bonne réponse est qu’elle se propagera en ligne droite. Que se passe-t-il lorsqu’un faisceau de lumière tombe sur l’interface entre deux médias ? Dans la dernière leçon, nous avons parlé du faisceau réfléchi, aujourd'hui nous allons examiner la partie du faisceau lumineux qui est absorbée par le milieu.

Quel sera le sort du rayon qui a pénétré du premier milieu optiquement transparent dans le deuxième milieu optiquement transparent ?

Riz. 1. Réfraction de la lumière

Si un faisceau tombe sur l'interface entre deux milieux transparents, une partie de l'énergie lumineuse retourne au premier milieu, créant un faisceau réfléchi, et l'autre partie passe vers l'intérieur dans le deuxième milieu et, en règle générale, change de direction.

Le changement de direction de propagation de la lumière lorsqu’elle traverse l’interface entre deux milieux est appelé réfraction de la lumière(Fig. 1).

Riz. 2. Angles d'incidence, de réfraction et de réflexion

Sur la figure 2 on voit un faisceau incident, l'angle d'incidence sera noté α. Le rayon qui déterminera la direction du faisceau de lumière réfracté sera appelé rayon réfracté. L'angle entre la perpendiculaire à l'interface, reconstruite à partir du point d'incidence, et le rayon réfracté est appelé angle de réfraction sur la figure c'est l'angle γ ; Pour compléter le tableau, nous donnerons également une image du faisceau réfléchi et, par conséquent, l'angle de réflexion β. Quelle est la relation entre l'angle d'incidence et l'angle de réfraction ? Est-il possible de prédire, connaissant l'angle d'incidence et le milieu dans lequel le faisceau est passé, quel sera l'angle de réfraction ? Il s'avère que c'est possible !

Nous obtenons une loi qui décrit quantitativement la relation entre l'angle d'incidence et l'angle de réfraction. Utilisons le principe de Huygens qui régule la propagation des ondes dans un milieu. La loi se compose de deux parties.

Le rayon incident, le rayon réfracté et la perpendiculaire restituée au point d'incidence se trouvent dans le même plan.

Le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante pour deux milieux donnés et est égal au rapport des vitesses de la lumière dans ces milieux.

Cette loi est appelée loi de Snell, en l'honneur du scientifique néerlandais qui l'a formulée pour la première fois. La raison de la réfraction est la différence de vitesse de la lumière dans environnements différents. Vous pouvez vérifier la validité de la loi de la réfraction en dirigeant expérimentalement un faisceau de lumière sous différents anglesà l'interface entre deux milieux et mesurer les angles d'incidence et de réfraction. Si nous changeons ces angles, mesurons les sinus et trouvons le rapport des sinus de ces angles, nous serons convaincus que la loi de la réfraction est bien valable.

Preuve de la loi de la réfraction par le principe de Huygens - une autre confirmation nature des vagues Sveta.

L'indice de réfraction relatif n 21 montre combien de fois la vitesse de la lumière V 1 dans le premier milieu diffère de la vitesse de la lumière V 2 dans le deuxième milieu.

L'indice de réfraction relatif est une démonstration claire du fait que la raison pour laquelle la lumière change de direction lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre est vitesse différente lumière dans deux environnements. La notion de « densité optique du milieu » est souvent utilisée pour caractériser les propriétés optiques d'un milieu (Fig. 3).

Riz. 3. Densité optique du milieu (α > γ)

Si un rayon passe d'un milieu avec une vitesse de lumière plus élevée à un milieu avec une vitesse de lumière plus faible, alors, comme le montrent la figure 3 et la loi de réfraction de la lumière, il sera pressé contre la perpendiculaire, c'est-à-dire , l'angle de réfraction est inférieur à l'angle d'incidence. Dans ce cas, le faisceau est dit être passé d’un milieu optique moins dense à un milieu optiquement plus dense. Exemple : de l'air à l'eau ; de l'eau au verre.

La situation inverse est également possible : la vitesse de la lumière dans le premier milieu est inférieure à la vitesse de la lumière dans le deuxième milieu (Fig. 4).

Riz. 4. Densité optique du milieu (α< γ)

L’angle de réfraction sera alors plus d'angle chute, mais à propos d'une telle transition, ils diront qu'elle a été réalisée à partir d'un milieu optiquement plus dense vers un milieu optiquement moins dense (du verre à l'eau).

La densité optique des deux supports peut différer de manière assez significative, de sorte que la situation représentée sur la photographie devient possible (Fig. 5) :

Riz. 5. Différences de densité optique des supports

Remarquez comment la tête est déplacée par rapport au corps dans le liquide, dans un environnement à densité optique plus élevée.

Cependant, l'indice de réfraction relatif n'est pas toujours une caractéristique pratique avec laquelle travailler, car il dépend de la vitesse de la lumière dans le premier et le deuxième milieu, mais il peut y avoir de nombreuses combinaisons de ce type et des combinaisons de deux milieux (eau - air, verre - diamant, glycérine - alcool, verre - eau, etc.). Les tables seraient très encombrantes, ce serait gênant de travailler, puis ils en introduisirent une environnement absolu, à laquelle est comparée la vitesse de la lumière dans d’autres médias. Le vide a été choisi comme valeur absolue et la vitesse de la lumière a été comparée à la vitesse de la lumière dans le vide.

Indice de réfraction absolu du milieu n est une quantité qui caractérise densité optique moyen et est égal au rapport de la vitesse de la lumière AVEC dans le vide à la vitesse de la lumière dans un environnement donné.

L'indice de réfraction absolu est plus pratique pour le travail, car on connaît toujours la vitesse de la lumière dans le vide, il est égal à 3·10 8 m/s et est une constante physique universelle.

L'indice de réfraction absolu dépend de paramètres externes : température, densité, mais aussi de la longueur d'onde de la lumière, c'est pourquoi les tableaux indiquent généralement moyenne réfraction pour une gamme de longueurs d’onde donnée. Si nous comparons les indices de réfraction de l'air, de l'eau et du verre (Fig. 6), nous voyons que l'air a un indice de réfraction proche de l'unité, nous le considérerons donc comme unité lors de la résolution de problèmes.

Riz. 6. Tableau des indices de réfraction absolus pour différents milieux

Il n'est pas difficile d'obtenir une relation entre l'indice de réfraction absolu et relatif des milieux.

L'indice de réfraction relatif, c'est-à-dire pour un rayon passant du milieu un au milieu deux, égal au rapport l'indice de réfraction absolu dans le deuxième milieu à l'indice de réfraction absolu dans le premier milieu.

Par exemple: = ≈ 1,16

Si les indices de réfraction absolus de deux milieux sont presque les mêmes, cela signifie que l'indice de réfraction relatif lors du passage d'un milieu à un autre sera égal à un, c'est-à-dire que le faisceau lumineux ne sera pas réellement réfracté. Par exemple, lors du passage de l'huile d'anis à gemme la lumière du béryl ne déviera pratiquement pas, c'est-à-dire qu'elle se comportera de la même manière que lors du passage dans l'huile d'anis, puisque leur indice de réfraction est respectivement de 1,56 et 1,57, ainsi, la pierre précieuse peut être cachée dans le liquide, elle ne le sera tout simplement pas là, ça se voit.

Si nous versons de l'eau dans un verre transparent et regardons la lumière à travers la paroi du verre, nous verrons un éclat argenté sur la surface en raison du phénomène de fusion complète. réflexion interne, dont nous allons maintenant parler. Lorsqu'un faisceau lumineux passe d'un milieu optique plus dense à un milieu optique moins dense, on peut observer effet intéressant. Pour être précis, nous supposerons que la lumière arrive de l'eau à l'air. Supposons que dans les profondeurs du réservoir se trouve une source ponctuelle de lumière S, émettant des rayons dans toutes les directions. Par exemple, un plongeur allume une lampe de poche.

Le faisceau SO 1 tombe sur la surface de l'eau sous le plus petit angle, ce faisceau est partiellement réfracté - le faisceau O 1 A 1 et est partiellement réfléchi dans l'eau - le faisceau O 1 B 1. Ainsi, une partie de l’énergie du faisceau incident est transférée au faisceau réfracté, et l’énergie restante est transférée au faisceau réfléchi.

Riz. 7. Réflexion interne totale

Le faisceau SO 2, dont l'angle d'incidence est plus grand, est également divisé en deux faisceaux : réfracté et réfléchi, mais l'énergie du faisceau d'origine est répartie différemment entre eux : le faisceau réfracté O 2 A 2 sera plus faible que le O 1 Un faisceau 1, c'est-à-dire qu'il recevra une plus petite part d'énergie, et le faisceau réfléchi O 2 B 2, par conséquent, sera plus brillant que le faisceau O 1 B 1, c'est-à-dire qu'il recevra une plus grande part d'énergie. À mesure que l'angle d'incidence augmente, le même schéma peut être tracé : une part de plus en plus grande de l'énergie du faisceau incident va au faisceau réfléchi et une part de plus en plus petite au faisceau réfracté. Le faisceau réfracté devient de plus en plus faible et à un moment donné disparaît complètement; cette disparition se produit lorsqu'il atteint l'angle d'incidence, qui correspond à l'angle de réfraction de 90 0. Dans cette situation, le faisceau réfracté OA aurait dû être parallèle à la surface de l'eau, mais il ne restait plus rien à faire - toute l'énergie du faisceau incident SO était entièrement dirigée vers le faisceau réfléchi OB. Naturellement, avec une nouvelle augmentation de l'angle d'incidence, le faisceau réfracté sera absent. Le phénomène décrit est la réflexion interne totale, c'est-à-dire qu'un milieu optique plus dense aux angles considérés n'émet pas de rayons de lui-même, ils sont tous réfléchis à l'intérieur. L'angle sous lequel ce phénomène se produit est appelé angle limite réflexion interne totale.

La valeur de l'angle limite peut être facilement trouvée à partir de la loi de la réfraction :

= => = arcsin, pour l'eau ≈ 49 0

L'application la plus intéressante et la plus populaire du phénomène de réflexion interne totale est ce qu'on appelle les guides d'ondes, ou fibres optiques. C’est exactement la méthode d’envoi de signaux utilisée par les entreprises de télécommunications modernes sur Internet.

Nous avons obtenu la loi de la réfraction de la lumière, introduit un nouveau concept - relatif et indicateurs absolus réfraction, et a également compris le phénomène de réflexion interne totale et ses applications comme la fibre optique. Vous pouvez consolider vos connaissances en analysant les tests et simulateurs pertinents dans la section cours.

Obtenons une preuve de la loi de réfraction de la lumière en utilisant le principe de Huygens. Il est important de comprendre que la cause de la réfraction est la différence de vitesse de la lumière en deux environnements différents. Notons la vitesse de la lumière dans le premier milieu par V 1, et dans le deuxième milieu par V 2 (Fig. 8).

Riz. 8. Preuve de la loi de réfraction de la lumière

Laissez un plan plat tomber sur une interface plate entre deux milieux, par exemple de l'air à l'eau. onde lumineuse. La surface d'onde AC est perpendiculaire aux rayons et , l'interface entre les milieux MN est atteinte en premier par le rayon , et le rayon atteint la même surface après un intervalle de temps ∆t, qui sera égal au chemin SV divisé par la vitesse de la lumière dans le premier milieu.

Par conséquent, au moment où l'onde secondaire au point B commence tout juste à être excitée, l'onde du point A a déjà la forme d'un hémisphère de rayon AD, qui égal à la vitesse lumière dans le deuxième milieu sur ∆t : AD = ·∆t, c’est-à-dire le principe de Huygens dans l’action visuelle. surface des vagues L'onde réfractée peut être obtenue en traçant une surface tangente à toutes les ondes secondaires du deuxième milieu, dont les centres se trouvent à l'interface entre les milieux, en dans ce cas C'est le plan ВD, c'est l'enveloppe des ondes secondaires. Angle d'incidence α du faisceau égal à l'angle CABINE dans triangle ABC, les côtés de l'un de ces angles sont perpendiculaires aux côtés de l'autre. Par conséquent, SV sera égal à la vitesse de la lumière dans le premier milieu par ∆t

CB = ∆t = AB sin α

À son tour, l'angle de réfraction sera égal à l'angle ABD dans le triangle ABD, donc :

АD = ∆t = АВ sin γ

En divisant les expressions terme par terme, on obtient :

n- constante, qui ne dépend pas de l'angle d'incidence.

Nous avons obtenu la loi de réfraction de la lumière, le sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante pour les deux milieux donnés et est égal au rapport des vitesses de la lumière dans les deux milieux donnés .

Un récipient cubique aux parois opaques est positionné de manière à ce que l'œil de l'observateur ne voie pas son fond, mais voit entièrement la paroi du récipient CD. Quelle quantité d'eau faut-il verser dans le récipient pour que l'observateur puisse voir un objet F situé à une distance b = 10 cm de l'angle D ? Bord du vaisseau α = 40 cm (Fig. 9).

Qu'est-ce qui est très important pour résoudre ce problème ? Je suppose que puisque l'œil ne voit pas le fond du récipient, mais voit point extrême paroi latérale, et le récipient est un cube, alors l'angle d'incidence du faisceau sur la surface de l'eau lorsque nous le versons sera égal à 45 0.

Riz. 9. Tâche d'examen d'État unifié

Le faisceau tombe au point F, cela signifie que l'on voit clairement l'objet, et la ligne pointillée noire montre le trajet du faisceau s'il n'y avait pas d'eau, c'est-à-dire jusqu'au point D. Du triangle NFK, la tangente de l'angle β, la tangente de l'angle de réfraction, est le rapport jambe opposée au adjacent ou, selon la figure, h moins b divisé par h.

tg β = = , h est la hauteur du liquide que l'on a versé ;

Le phénomène le plus intense de réflexion interne totale est utilisé dans les systèmes à fibres optiques.

Riz. dix. La fibre optique

Si un faisceau de lumière est dirigé vers l'extrémité d'un tube de verre solide, alors après plusieurs réflexions internes totales, le faisceau sortira avec le côté opposé tubes. Il s'avère que le tube de verre est un conducteur d'onde lumineuse ou un guide d'ondes. Cela se produira que le tube soit droit ou courbé (Figure 10). Les premiers guides de lumière, c'est le deuxième nom des guides d'ondes, étaient utilisés pour éclairer des endroits difficiles d'accès (lors de la réalisation recherche médicale, lorsque la lumière est fournie à une extrémité du guide de lumière et que l'autre extrémité éclaire l'emplacement souhaité). L'application principale est la médecine, la détection des défauts des moteurs, mais ces guides d'ondes sont les plus largement utilisés dans les systèmes de transmission d'informations. La fréquence porteuse lors de la transmission d'un signal par une onde lumineuse est un million de fois supérieure à la fréquence d'un signal radio, ce qui signifie que la quantité d'informations que nous pouvons transmettre à l'aide d'une onde lumineuse est des millions de fois plus de quantité informations transmises par ondes radio. C’est une excellente occasion de transmettre une multitude d’informations de manière simple et peu coûteuse. En règle générale, les informations sont transmises via un câble à fibre optique à l'aide d'un rayonnement laser. La fibre optique est indispensable pour une transmission rapide et de haute qualité d'un signal informatique contenant une grande quantité d'informations transmises. Et la base de tout cela est un phénomène aussi simple et ordinaire que la réfraction de la lumière.

Bibliographie

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. La physique ( un niveau de base de) - M. : Mnémosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Physique 10e année. - M. : Mnémosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Physique - 9, Moscou, Éducation, 1990.

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

Devoirs

Définir la réfraction de la lumière.
Nommez la raison de la réfraction de la lumière.
Nommez les applications les plus populaires de la réflexion interne totale.

Tout d’abord, imaginons un peu. Imaginez une chaude journée d'été avant JC, un homme primitif utilise une lance pour chasser le poisson. Il remarque sa position, vise et frappe pour une raison quelconque dans un endroit où le poisson n'était pas du tout visible. Manqué? Non, le pêcheur a une proie entre les mains ! Le fait est que notre ancêtre a compris intuitivement le sujet que nous allons étudier maintenant. Dans la vie de tous les jours, on voit qu'une cuillère plongée dans un verre d'eau apparaît tordue ; quand on regarde à travers un bocal en verre, les objets apparaissent tordus. Nous examinerons toutes ces questions dans la leçon dont le thème est : « Réfraction de la lumière. La loi de la réfraction de la lumière. Réflexion intérieure complète."

Dans les leçons précédentes, nous avons évoqué le devenir d'un faisceau dans deux cas : que se passe-t-il si un faisceau lumineux se propage dans un milieu transparent et homogène ? La bonne réponse est qu’elle se propagera en ligne droite. Que se passe-t-il lorsqu’un faisceau de lumière tombe sur l’interface entre deux médias ? Dans la dernière leçon, nous avons parlé du faisceau réfléchi, aujourd'hui nous allons examiner la partie du faisceau lumineux qui est absorbée par le milieu.

Quel sera le sort du rayon qui a pénétré du premier milieu optiquement transparent dans le deuxième milieu optiquement transparent ?

Riz. 1. Réfraction de la lumière

Le changement de direction de propagation de la lumière lorsqu’elle traverse l’interface entre deux milieux est appelé réfraction de la lumière(Fig. 1).

Riz. 2. Angles d'incidence, de réfraction et de réflexion

Le rayon incident, le rayon réfracté et la perpendiculaire restituée au point d'incidence se trouvent dans le même plan.

Le rapport du sinus de l'angle d'incidence au sinus de l'angle de réfraction est une valeur constante pour deux milieux donnés et est égal au rapport des vitesses de la lumière dans ces milieux.

Cette loi est appelée loi de Snell, en l'honneur du scientifique néerlandais qui l'a formulée pour la première fois. La raison de la réfraction est la différence de vitesse de la lumière dans différents milieux. Vous pouvez vérifier la validité de la loi de la réfraction en dirigeant expérimentalement un faisceau de lumière sous différents angles par rapport à l'interface entre deux milieux et en mesurant les angles d'incidence et de réfraction. Si nous changeons ces angles, mesurons les sinus et trouvons le rapport des sinus de ces angles, nous serons convaincus que la loi de la réfraction est bien valable.

La preuve de la loi de la réfraction utilisant le principe de Huygens est une autre confirmation de la nature ondulatoire de la lumière.

L'indice de réfraction relatif n 21 montre combien de fois la vitesse de la lumière V 1 dans le premier milieu diffère de la vitesse de la lumière V 2 dans le deuxième milieu.

L'indice de réfraction relatif est une démonstration claire du fait que la raison pour laquelle la lumière change de direction lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre est la vitesse différente de la lumière dans les deux milieux. La notion de « densité optique du milieu » est souvent utilisée pour caractériser les propriétés optiques d'un milieu (Fig. 3).

Riz. 3. Densité optique du milieu (α > γ)

La situation inverse est également possible : la vitesse de la lumière dans le premier milieu est inférieure à la vitesse de la lumière dans le deuxième milieu (Fig. 4).

Riz. 4. Densité optique du milieu (α< γ)

L'angle de réfraction sera alors supérieur à l'angle d'incidence, et une telle transition sera dite se faire d'un milieu optiquement plus dense à un milieu optiquement moins dense (du verre à l'eau).

La densité optique des deux supports peut différer de manière assez significative, de sorte que la situation représentée sur la photographie devient possible (Fig. 5) :

Riz. 5. Différences de densité optique des supports

Remarquez comment la tête est déplacée par rapport au corps dans le liquide, dans un environnement à densité optique plus élevée.

Cependant, l'indice de réfraction relatif n'est pas toujours une caractéristique pratique avec laquelle travailler, car il dépend de la vitesse de la lumière dans le premier et le deuxième milieu, mais il peut y avoir de nombreuses combinaisons de ce type et des combinaisons de deux milieux (eau - air, verre - diamant, glycérine - alcool, verre - eau, etc.). Les tableaux seraient très encombrants, il serait peu pratique de travailler, puis ils ont introduit un milieu absolu, par rapport auquel la vitesse de la lumière dans d'autres milieux est comparée. Le vide a été choisi comme valeur absolue et la vitesse de la lumière a été comparée à la vitesse de la lumière dans le vide.

Indice de réfraction absolu du milieu n- c'est une grandeur qui caractérise la densité optique du milieu et est égale au rapport de la vitesse de la lumière AVEC dans le vide à la vitesse de la lumière dans un environnement donné.

L'indice de réfraction absolu dépend de paramètres externes : température, densité, mais aussi de la longueur d'onde de la lumière, c'est pourquoi les tableaux indiquent généralement l'indice de réfraction moyen pour une plage de longueurs d'onde donnée. Si nous comparons les indices de réfraction de l'air, de l'eau et du verre (Fig. 6), nous voyons que l'air a un indice de réfraction proche de l'unité, nous le considérerons donc comme unité lors de la résolution de problèmes.

Riz. 6. Tableau des indices de réfraction absolus pour différents milieux

Il n'est pas difficile d'obtenir une relation entre l'indice de réfraction absolu et relatif des milieux.

L'indice de réfraction relatif, c'est-à-dire pour un rayon passant du milieu un au milieu deux, est égal au rapport de l'indice de réfraction absolu dans le deuxième milieu à l'indice de réfraction absolu dans le premier milieu.

Par exemple: = ≈ 1,16

Si les indices de réfraction absolus de deux milieux sont presque les mêmes, cela signifie que l'indice de réfraction relatif lors du passage d'un milieu à un autre sera égal à l'unité, c'est-à-dire que le rayon lumineux ne sera en réalité pas réfracté. Par exemple, en passant de l'huile d'anis à une pierre précieuse de béryl, la lumière ne se pliera pratiquement pas, c'est-à-dire qu'elle se comportera de la même manière qu'en passant par l'huile d'anis, puisque leur indice de réfraction est respectivement de 1,56 et 1,57, la pierre précieuse peut donc être comme caché dans un liquide, il ne sera tout simplement pas visible.

Si nous versons de l'eau dans un verre transparent et regardons la lumière à travers la paroi du verre, nous verrons un éclat argenté sur la surface en raison du phénomène de réflexion interne totale, dont nous parlerons maintenant. Lorsqu’un faisceau lumineux passe d’un milieu optique plus dense à un milieu optique moins dense, un effet intéressant peut être observé. Pour être précis, nous supposerons que la lumière vient de l’eau vers l’air. Supposons que dans les profondeurs du réservoir se trouve une source ponctuelle de lumière S, émettant des rayons dans toutes les directions. Par exemple, un plongeur allume une lampe de poche.

Riz. 7. Réflexion interne totale

La valeur de l'angle limite peut être facilement trouvée à partir de la loi de la réfraction :

= => = arcsin, pour l'eau ≈ 49 0

Nous avons obtenu la loi de réfraction de la lumière, introduit un nouveau concept - les indices de réfraction relatifs et absolus, et avons également compris le phénomène de réflexion interne totale et ses applications, comme la fibre optique. Vous pouvez consolider vos connaissances en analysant les tests et simulateurs pertinents dans la section cours.

Obtenons une preuve de la loi de la réfraction de la lumière en utilisant le principe de Huygens. Il est important de comprendre que la cause de la réfraction est la différence de vitesse de la lumière dans deux milieux différents. Notons la vitesse de la lumière dans le premier milieu par V 1, et dans le deuxième milieu par V 2 (Fig. 8).

Riz. 8. Preuve de la loi de réfraction de la lumière

Laissez une onde lumineuse plane tomber sur une interface plate entre deux milieux, par exemple de l'air à l'eau. La surface d'onde AS est perpendiculaire aux rayons et , l'interface entre les milieux MN est atteinte en premier par le rayon, et le rayon atteint la même surface après un intervalle de temps ∆t, qui sera égal au trajet SV divisé par la vitesse de lumière dans le premier milieu.

Par conséquent, au moment où l'onde secondaire au point B commence tout juste à être excitée, l'onde du point A a déjà la forme d'un hémisphère de rayon AD, qui est égal à la vitesse de la lumière dans le deuxième milieu à ∆ t : AD = ·∆t, c'est-à-dire le principe de Huygens dans l'action visuelle . La surface d'onde d'une onde réfractée peut être obtenue en traçant une surface tangente à toutes les ondes secondaires dans le deuxième milieu dont les centres se situent à l'interface entre les milieux, dans ce cas c'est le plan BD, c'est l'enveloppe de les ondes secondaires. L'angle d'incidence α du faisceau est égal à l'angle CAB dans le triangle ABC, les côtés de l'un de ces angles sont perpendiculaires aux côtés de l'autre. Par conséquent, SV sera égal à la vitesse de la lumière dans le premier milieu par ∆t

CB = ∆t = AB sin α

À son tour, l'angle de réfraction sera égal à l'angle ABD dans le triangle ABD, donc :

АD = ∆t = АВ sin γ

En divisant les expressions terme par terme, on obtient :

n est une valeur constante qui ne dépend pas de l'angle d'incidence.

Qu'est-ce qui est très important pour résoudre ce problème ? Je suppose que puisque l'œil ne voit pas le fond du récipient, mais voit le point extrême de la paroi latérale et que le récipient est un cube, l'angle d'incidence du faisceau sur la surface de l'eau lorsque nous le versons sera égal à 45 0.

Riz. 9. Tâche d'examen d'État unifié

Le faisceau tombe au point F, cela signifie que l'on voit clairement l'objet, et la ligne pointillée noire montre le trajet du faisceau s'il n'y avait pas d'eau, c'est-à-dire jusqu'au point D. Du triangle NFK, la tangente de l'angle β, la tangente de l'angle de réfraction, est le rapport du côté opposé au côté adjacent ou, d'après la figure, h moins b divisé par h.

tg β = = , h est la hauteur du liquide que l'on a versé ;

Le phénomène le plus intense de réflexion interne totale est utilisé dans les systèmes à fibres optiques.

Riz. 10. Fibre optique

Si un faisceau de lumière est dirigé vers l’extrémité d’un tube de verre solide, après plusieurs réflexions internes totales, le faisceau sortira du côté opposé du tube. Il s'avère que le tube de verre est un conducteur d'onde lumineuse ou un guide d'ondes. Cela se produira que le tube soit droit ou courbé (Figure 10). Les premiers guides de lumière, c'est le deuxième nom des guides d'ondes, étaient utilisés pour éclairer des endroits difficiles d'accès (lors de la recherche médicale, lorsque la lumière est fournie à une extrémité du guide de lumière et que l'autre extrémité éclaire l'endroit souhaité). L'application principale est la médecine, la détection des défauts des moteurs, mais ces guides d'ondes sont les plus largement utilisés dans les systèmes de transmission d'informations. La fréquence porteuse lors de la transmission d'un signal par une onde lumineuse est un million de fois supérieure à la fréquence d'un signal radio, ce qui signifie que la quantité d'informations que nous pouvons transmettre à l'aide d'une onde lumineuse est des millions de fois supérieure à la quantité d'informations transmises. par ondes radio. C’est une excellente occasion de transmettre une multitude d’informations de manière simple et peu coûteuse. En règle générale, les informations sont transmises via un câble à fibre optique à l'aide d'un rayonnement laser. La fibre optique est indispensable pour une transmission rapide et de haute qualité d'un signal informatique contenant une grande quantité d'informations transmises. Et la base de tout cela est un phénomène aussi simple et ordinaire que la réfraction de la lumière.

Bibliographie

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Physique (niveau de base) - M. : Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Physique 10e année. - M. : Mnémosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Physique - 9, Moscou, Éducation, 1990.

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

Devoirs

Définir la réfraction de la lumière.
Nommez la raison de la réfraction de la lumière.
Nommez les applications les plus populaires de la réflexion interne totale.

Si n 1 >n 2 alors >α, c'est-à-dire si la lumière passe d'un milieu optiquement plus dense à un milieu optiquement moins dense, alors l'angle de réfraction est supérieur à l'angle d'incidence (Fig. 3)

Limiter l’angle d’incidence. Si α=α p,=90˚ et le faisceau glissera le long de l'interface air-eau.

Si α’>α p, alors la lumière ne passera pas dans le deuxième milieu transparent, car sera complètement reflété. Ce phénomène est appelé réflexion complète de la lumière. L'angle d'incidence α n auquel le rayon réfracté glisse le long de l'interface entre les milieux est appelé angle limite. réflexion totale.

La réflexion totale peut être observée dans un rectangle isocèle prisme de verre(Fig. 4), largement utilisé dans les périscopes, les jumelles, les réfractomètres, etc.

a) La lumière tombe perpendiculairement à la première face et ne subit donc pas de réfraction ici (α=0 et =0). L'angle d'incidence sur la deuxième face est α=45˚, soit >α p, (pour le verre α p =42˚). La lumière est donc entièrement réfléchie sur ce visage. Il s'agit d'un prisme rotatif qui fait pivoter le faisceau de 90°.

b) Dans ce cas, la lumière à l’intérieur du prisme subit déjà une double réflexion totale. Il s'agit également d'un prisme rotatif qui fait pivoter le faisceau à 180°.

c) Dans ce cas, le prisme est déjà inversé. Lorsque les rayons sortent du prisme, ils sont parallèles aux rayons incidents, mais le rayon incident supérieur devient le rayon inférieur et le rayon inférieur devient le rayon supérieur.

Large application technique Le phénomène de réflexion totale a été retrouvé dans les guides de lumière.

Le guide de lumière est grand nombre de fins fils de verre dont le diamètre est d'environ 20 microns et la longueur de chacun est d'environ 1 m. Ces fils sont parallèles les uns aux autres et situés à proximité (Fig. 5)

Chaque fil est entouré d'une fine coque de verre dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du fil lui-même. Le guide de lumière a deux extrémités, arrangement mutuel les extrémités des fils aux deux extrémités du guide de lumière sont exactement les mêmes.

Si vous placez un objet à une extrémité du guide de lumière et l'éclairez, alors une image de cet objet apparaîtra à l'autre extrémité du guide de lumière.

L'image est obtenue grâce au fait que l'extrémité de chacun des fils reçoit la lumière de certains petite zone sujet. Expérimentant de nombreuses réflexions totales, la lumière émerge de l'extrémité opposée du fil, transmettant la réflexion à une petite zone donnée de l'objet.

Parce que la disposition des fils les uns par rapport aux autres est strictement la même, puis l'image correspondante de l'objet apparaît à l'autre extrémité. La clarté de l'image dépend du diamètre des fils. Plus le diamètre de chaque fil est petit, plus l'image de l'objet sera claire. Perte d'énergie lumineuse le long du parcours faisceau de lumière généralement relativement petits en faisceaux (fibres), car en réflexion totale, la réflectance est relativement élevée (~ 0,9999). Perte d'énergie sont principalement causés par l’absorption de la lumière par la substance à l’intérieur de la fibre.

Par exemple, dans la partie visible du spectre dans une fibre de 1 m de long, 30 à 70 % de l'énergie est perdue (mais dans un faisceau).

Par conséquent, pour transmettre des flux lumineux importants et maintenir la flexibilité du système conducteur de lumière, les fibres individuelles sont rassemblées en faisceaux (faisceaux) - guides de lumière

Les guides de lumière sont largement utilisés en médecine pour éclairer les cavités internes avec une lumière froide et transmettre des images. Endoscope– un appareil spécial pour examiner les cavités internes (estomac, rectum, etc.). Elle est transmise à l'aide de guides de lumière rayonnement laser Pour effets thérapeutiques sur les tumeurs. Et la rétine humaine est un système de fibres optiques hautement organisé composé d'environ 130 x 10 8 fibres.

Diffusion ondes électromagnétiques dans divers environnements, il obéit aux lois de la réflexion et de la réfraction. De ces lois, dans certaines conditions, découle un effet intéressant, appelé en physique réflexion interne totale de la lumière. Examinons de plus près quel est cet effet.

Réflexion et réfraction

Avant de passer directement à l’examen de la réflexion totale interne de la lumière, il est nécessaire d’expliquer les processus de réflexion et de réfraction.

La réflexion fait référence au changement de direction de déplacement d'un rayon lumineux dans le même milieu lorsqu'il rencontre une interface. Par exemple, si vous envoyez depuis pointeur laser sur le miroir, vous pouvez observer l'effet décrit.

La réfraction est, tout comme la réflexion, un changement dans la direction du mouvement de la lumière, mais pas dans le premier, mais dans le second milieu. Le résultat de ce phénomène sera une distorsion des contours des objets et de leur disposition spatiale. Exemple quotidien la réfraction est la cassure d'un crayon ou d'un stylo s'il est placé dans un verre d'eau.

La réfraction et la réflexion sont liées l'une à l'autre. Ils sont presque toujours présents ensemble : une partie de l’énergie du faisceau est réfléchie et l’autre partie est réfractée.

Les deux phénomènes résultent de l’application du principe de Fermat. Il déclare que la lumière se déplace le long du chemin entre deux points qui lui prendra le moins de temps.

Puisque la réflexion est un effet qui se produit dans un milieu et que la réfraction se produit dans deux milieux, il est important pour cette dernière que les deux milieux soient transparents aux ondes électromagnétiques.

Le concept d'indice de réfraction

L'indice de réfraction est une grandeur importante pour description mathématique les phénomènes considérés. L'indice de réfraction d'un milieu particulier est déterminé comme suit :

Où c et v sont respectivement les vitesses de la lumière dans le vide et dans la matière. La valeur de v est toujours inférieure à c, donc la valeur de n sera supérieure à un. Le coefficient sans dimension n montre combien de lumière dans une substance (milieu) sera en retard par rapport à la lumière dans le vide. La différence entre ces vitesses conduit à l'apparition du phénomène de réfraction.

La vitesse de la lumière dans la matière est en corrélation avec la densité de cette dernière. Plus le milieu est dense, plus la lumière a du mal à le traverser. Par exemple, pour l'air n = 1,00029, c'est-à-dire presque comme pour le vide, pour l'eau n = 1,333.

Réflexions, réfraction et leurs lois

Un exemple frappant Le résultat de la réflexion totale est la surface brillante du diamant. L'indice de réfraction d'un diamant est de 2,43, de sorte que de nombreux rayons de lumière entrant dans une pierre précieuse subissent de multiples réflexions totales avant de la quitter.

Problème de détermination de l'angle critique θc pour le diamant

Considérons tâche simple, où nous montrerons comment utiliser les formules données. Il est nécessaire de calculer dans quelle mesure l'angle critique de réflexion totale changera si un diamant est placé de l'air dans l'eau.

Après avoir regardé les valeurs des indices de réfraction des milieux indiqués dans le tableau, nous les notons :

pour l'air : n 1 = 1,00029 ;
pour l'eau : n 2 = 1,333 ;
pour le diamant : n 3 = 2,43.

L’angle critique pour la paire diamant-air est :

θ c1 = arcsin(n 1 /n 3) = arcsin(1,00029/2,43) ≈ 24,31 o.

Comme vous pouvez le constater, l'angle critique pour cette paire de milieux est assez petit, c'est-à-dire que seuls les rayons qui sont plus proches de la normale que 24,31 o peuvent sortir du diamant dans l'air.

Pour le cas du diamant dans l’eau on obtient :

θ c2 = arcsin(n 2 /n 3) = arcsin(1,333/2,43) ≈ 33,27 o.

L’augmentation de l’angle critique était :

Δθ c = θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o = 8,96 o.

Cette légère augmentation de l’angle critique pour une réflexion complète de la lumière dans un diamant le fait briller dans l’eau presque de la même manière que dans l’air.