Kateri pojav imenujemo popolni notranji odboj. Uporaba pojava popolnega notranjega odboja

Najprej si malo predstavljajmo. Predstavljajte si vroč poletni dan pr. n. št., primitivni človek uporablja sulico za lov na ribe. Opazi njen položaj, nameri in iz nekega razloga udari na mesto, kjer riba sploh ni bila vidna. zamudil? Ne, ribič ima plen v rokah! Dejstvo je, da je naš prednik intuitivno razumel temo, ki jo bomo zdaj preučevali. IN vsakdanjem življenju vidimo, da je žlica, postavljena v kozarec vode, videti ukrivljena, ko pogledamo skozi steklen kozarec - predmeti so videti ukrivljeni. Vsa ta vprašanja bomo obravnavali v lekciji, katere tema je: »Lom svetlobe. Zakon loma svetlobe. Popolna notranja refleksija."

V prejšnjih lekcijah smo govorili o usodi žarka v dveh primerih: kaj se zgodi, če se svetlobni žarek širi v prozornem homogeno okolje? Pravilen odgovor je, da se bo širil v ravni črti. Kaj se zgodi, ko žarek svetlobe pade na vmesnik med dvema medijema? V prejšnji lekciji smo govorili o odbitem žarku, danes pa si bomo ogledali tisti del svetlobnega žarka, ki ga medij absorbira.

Kakšna bo usoda žarka, ki je prodrl iz prvega optično prozornega medija v drugi optično prozorni medij?

riž. 1. Lom svetlobe

Če žarek pade na vmesnik med dvema prozornima medijema, se del svetlobne energije vrne v prvi medij in ustvari odbit žarek, drugi del pa preide navznoter v drugi medij in praviloma spremeni svojo smer.

Sprememba smeri širjenja svetlobe, ko gre skozi mejo med dvema medijema, se imenuje lom svetlobe(slika 1).

riž. 2. Vpadni, lomni in odbojni koti

Na sliki 2 vidimo vpadni žarek, vpadni kot bo označen z α. Žarek, ki bo določal smer lomljenemu žarku svetlobe, bomo imenovali lomljeni žarek. Kot med navpičnico na mejno površino, rekonstruirano iz vpadne točke, in lomljenim žarkom imenujemo lomni kot, na sliki pa kot γ. Za popolnost slike bomo podali še sliko odbitega žarka in temu primerno odbojni kot β. Kakšno je razmerje med vpadnim in lomnim kotom. Ali je možno, če poznamo vpadni kot in v kateri medij je žarek prešel, kakšen bo lomni kot? Izkazalo se je, da je mogoče!

Dobimo zakon, ki kvantitativno opisuje razmerje med vpadnim in lomnim kotom. Uporabimo Huygensov princip, ki uravnava širjenje valov v mediju. Zakon je sestavljen iz dveh delov.

Vpadni žarek, lomljeni žarek in navpičnica, vzpostavljena na vpadno točko, ležijo v isti ravnini.

Razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je konstantna vrednost za dve dani mediji in je enako razmerju svetlobnih hitrosti v teh medijih.

Ta zakon se imenuje Snellov zakon v čast nizozemskega znanstvenika, ki ga je prvi oblikoval. Razlog za lom je razlika v hitrosti svetlobe v različna okolja. Veljavnost lomnega zakona lahko preverite tako, da eksperimentalno usmerite svetlobni žarek pod različne kote na meji med dvema medijema in merjenje vpadnih in lomnih kotov. Če spremenimo te kote, izmerimo sinuse in poiščemo razmerje sinusov teh kotov, se bomo prepričali, da lomni zakon res velja.

Dokaz lomnega zakona s Huygensovim principom - še ena potrditev valovna narava Sveta.

Relativni lomni količnik n 21 kaže, kolikokrat se hitrost svetlobe V 1 v prvem mediju razlikuje od hitrosti svetlobe V 2 v drugem mediju.

Relativni lomni količnik je jasen dokaz dejstva, da svetloba spremeni smer, ko prehaja iz enega medija v drugega. drugačna hitrost svetloba v dveh okoljih. Koncept »optične gostote medija« se pogosto uporablja za označevanje optičnih lastnosti medija (slika 3).

riž. 3. Optična gostota medija (α > γ)

Če gre žarek iz medija z večjo svetlobno hitrostjo v medij z nižjo svetlobno hitrostjo, potem bo, kot je razvidno iz slike 3 in zakona o lomu svetlobe, pritisnjen proti navpičnici, tj. , je lomni kot manjši od vpadnega kota. V tem primeru naj bi žarek prešel iz manj gostega optičnega medija v optično bolj gost medij. Primer: iz zraka v vodo; od vode do stekla.

Možna je tudi obratna situacija: hitrost svetlobe v prvem mediju je manjša od hitrosti svetlobe v drugem mediju (slika 4).

riž. 4. Optična gostota medija (α< γ)

Potem bo lomni kot več kota padec, vendar bodo o takem prehodu rekli, da je narejen iz optično bolj gostega v optično manj gost medij (iz stekla v vodo).

Optična gostota dveh medijev se lahko precej razlikuje, zato postane možna situacija, prikazana na fotografiji (slika 5):

riž. 5. Razlike v optični gostoti medijev

Opazite, kako je glava premaknjena glede na telo v tekočini, v okolju z večjo optično gostoto.

Vendar pa relativni lomni količnik ni vedno udobna karakteristika za delo, ker je odvisen od hitrosti svetlobe v prvem in drugem mediju, je pa lahko takšnih kombinacij in kombinacij dveh medijev (voda - zrak, steklo - diamant, glicerin - alkohol, steklo - voda in tako naprej). Tabele bi bile zelo okorne, neprijetno bi bilo delati, potem pa so uvedli eno absolutno okolje, s katerim se primerja hitrost svetlobe v drugih medijih. Vakuum smo izbrali kot absolutno in hitrost svetlobe primerjali s hitrostjo svetlobe v vakuumu.

Absolutni lomni količnik medija n je količina, ki označuje optična gostota srednja in je enaka razmerju hitrosti svetlobe Z v vakuumu do svetlobne hitrosti v danem okolju.

Absolutni lomni količnik je bolj primeren za delo, saj vedno poznamo hitrost svetlobe v vakuumu, ki je enaka 3·10 8 m/s in je univerzalna fizikalna konstanta.

Absolutni lomni količnik je odvisen od zunanjih parametrov: temperature, gostote in tudi od valovne dolžine svetlobe, zato tabele običajno kažejo povprečje lom za določeno območje valovnih dolžin. Če primerjamo lomne količnike zraka, vode in stekla (slika 6), vidimo, da ima zrak lomni količnik blizu enote, zato ga bomo pri reševanju nalog vzeli za enoto.

riž. 6. Tabela absolutnih lomnih količnikov za različne medije

Ni težko dobiti razmerja med absolutnim in relativnim lomnim količnikom medija.

Relativni lomni količnik, to je za žarek, ki prehaja iz medija ena v medij dva, enako razmerju absolutni lomni količnik v drugem mediju na absolutni lomni količnik v prvem mediju.

Na primer: = ≈ 1,16

Če sta absolutna lomna količnika dveh medijev skoraj enaka, to pomeni, da bo relativni lomni količnik pri prehodu iz enega medija v drugega enak enako ena, to pomeni, da svetlobni žarek dejansko ne bo lomljen. Na primer pri prehodu z janeževega olja na gem svetloba berila praktično ne bo odstopala, to pomeni, da se bo obnašala enako kot pri prehodu skozi janeževo olje, saj je njihov lomni količnik 1,56 oziroma 1,57, zato je dragi kamen lahko skrit v tekočini, preprosto ne bo tam vidno.

Če v prozoren kozarec natočimo vodo in pogledamo skozi steno kozarca v svetlobo, bomo na površini zaradi pojava popolnega sijaja opazili srebrn lesk. notranji odsev, o katerem bomo zdaj razpravljali. Ko svetlobni žarek prehaja iz gostejšega optičnega medija v manj gost optični medij, ga lahko opazujemo zanimiv učinek. Za gotovost bomo predpostavili, da svetloba prihaja iz vode v zrak. Predpostavimo, da je v globini rezervoarja točkovni vir svetlobe S, ki oddaja žarke v vse smeri. Na primer, potapljač sveti s svetilko.

Žarek SO 1 pade na površino vode pod najmanjšim kotom, ta žarek se delno lomi - žarek O 1 A 1 in se delno odbije nazaj v vodo - žarek O 1 B 1. Tako se del energije vpadnega žarka prenese na lomljeni žarek, preostala energija pa na odbiti žarek.

riž. 7. Popolni notranji odboj

Žarek SO 2, katerega vpadni kot je večji, je prav tako razdeljen na dva žarka: lomljenega in odbitega, vendar se energija prvotnega žarka med njima porazdeli drugače: lomljeni žarek O 2 A 2 bo temnejši od žarka O 1 A 1 žarek, torej bo prejel manjši delež energije, zato bo odbiti žarek O 2 B 2 svetlejši od žarka O 1 B 1, kar pomeni, da bo prejel večji delež energije. Z večanjem vpadnega kota lahko zasledimo enak vzorec - čedalje večji delež energije vpadnega žarka gre na odbiti žarek in vedno manjši na lomljeni žarek. Lomljeni žarek postaja vse temnejši in na neki točki popolnoma izgine, ko doseže vpadni kot, ki ustreza lomnemu kotu 90°. V tej situaciji bi moral lomljeni žarek OA iti vzporedno s površino vode, vendar ni bilo več ničesar - vsa energija vpadnega žarka SO je šla v celoti na odbiti žarek OB. Seveda bo z nadaljnjim povečanjem vpadnega kota lomljeni žarek odsoten. Opisani pojav je popolni notranji odboj, to pomeni, da gostejši optični medij pod obravnavanimi koti ne oddaja žarkov od sebe, vsi se odbijajo v njem. Kot, pod katerim se pojavi ta pojav, se imenuje mejni kot popolni notranji odboj.

Vrednost mejnega kota je mogoče zlahka najti iz lomnega zakona:

= => = arcsin, za vodo ≈ 49 0

Najbolj zanimiva in priljubljena uporaba pojava popolnega notranjega odboja so tako imenovani valovodi ali optična vlakna. Prav takšen način pošiljanja signalov uporabljajo sodobna telekomunikacijska podjetja na internetu.

Dobili smo zakon o lomu svetlobe, uvedli nov koncept - relativno in absolutni indikatorji lom in razumel tudi pojav popolnega notranjega odboja in njegove uporabe, kot je optična vlakna. Svoje znanje lahko utrdite z analizo ustreznih testov in simulatorjev v razdelku lekcije.

Pridobimo dokaz zakona o lomu svetlobe z uporabo Huygensovega principa. Pomembno je razumeti, da je vzrok loma razlika v hitrosti svetlobe v dvoje različna okolja. Hitrost svetlobe v prvem mediju označimo z V 1, v drugem mediju pa z V 2 (slika 8).

riž. 8. Dokaz zakona o lomu svetlobe

Naj ravna ravnina pade na ravno ploskev med dvema medijema, na primer iz zraka v vodo. svetlobni val. Valovna ploskev AC je pravokotna na žarke in , ploskev med mediji MN najprej doseže žarek, žarek pa doseže isto površino po časovnem intervalu ∆t, ki bo enaka poti SV deljeno s svetlobno hitrostjo v prvem mediju.

Torej v trenutku, ko se sekundarni val v točki B šele začne vzbujati, ima val iz točke A že obliko poloble s polmerom AD, kar enako hitrosti svetloba v drugem mediju na ∆t: AD = ·∆t, to je Huygensov princip v vizualnem delovanju. valovna površina lomljeno valovanje lahko dobimo tako, da narišemo ploskev tangento na vse sekundarne valove v drugem mediju, katerih središča ležijo na meji med mediji, v v tem primeru To je ravnina ВD, je ovojnica sekundarnih valov. Vpadni kot α žarka enak kotu CAB v trikotnik ABC, so stranice enega od teh kotov pravokotne na stranice drugega. Posledično bo SV za ∆t enaka svetlobni hitrosti v prvem mediju

CB = ∆t = AB sin α

Po drugi strani pa bo lomni kot enak kotu ABD v trikotniku ABD, torej:

АD = ∆t = АВ sin γ

Če izraze razdelimo po izrazih, dobimo:

n- konstantna, ki ni odvisen od vpadnega kota.

Dobili smo zakon loma svetlobe, sinus vpadnega kota na sinus lomnega kota je konstantna vrednost za dani dve mediji in je enak razmerju hitrosti svetlobe v obeh danih medijih.

Kubična posoda z neprozornimi stenami je nameščena tako, da opazovalčevo oko ne vidi njenega dna, ampak v celoti vidi steno posode CD. Koliko vode je treba naliti v posodo, da opazovalec vidi predmet F, ki se nahaja na razdalji b = 10 cm od kota D? Rob posode α = 40 cm (sl. 9).

Kaj je zelo pomembno pri reševanju tega problema? Ugibajte, da saj oko ne vidi dna posode, ampak vidi skrajna točka stransko steno, posoda pa je kocka, potem bo vpadni kot žarka na površino vode, ko jo vlijemo, enak 45 0.

riž. 9. Naloga enotnega državnega izpita

Žarek pade v točko F, to pomeni, da jasno vidimo predmet, črna pikčasta črta pa prikazuje potek žarka, če ne bi bilo vode, torej v točko D. Iz trikotnika NFK je tangenta kota β, tangens lomnega kota, je razmerje nasprotna noga na sosednjo ali na podlagi slike h minus b deljeno s h.

tg β = = , h je višina tekočine, ki smo jo natočili;

Najintenzivnejši pojav popolnega notranjega odboja se uporablja v sistemih z optičnimi vlakni.

riž. 10. Optična vlakna

Če žarek svetlobe usmerimo v konec trdne steklene cevi, bo po večkratnem popolnem notranjem odboju žarek prišel ven z nasprotna stran cevi. Izkazalo se je, da je steklena cev prevodnik svetlobnega valovanja ali valovod. To se bo zgodilo ne glede na to, ali je cev ravna ali ukrivljena (slika 10). Prvi svetlobni vodi, to je drugo ime za valovode, so bili uporabljeni za osvetlitev težko dostopnih mest (pri izvajanju medicinske raziskave, ko se svetloba dovaja na en konec svetlobnega vodnika, drugi konec pa osvetljuje želeno mesto). Glavna uporaba je medicina, odkrivanje napak motorjev, vendar se takšni valovodi najpogosteje uporabljajo v sistemih za prenos informacij. Nosilna frekvenca pri prenosu signala s svetlobnim valom je milijonkrat večja od frekvence radijskega signala, kar pomeni, da je količina informacij, ki jih lahko prenesemo s svetlobnim valom, milijonkrat večja. večja količina informacije, ki se prenašajo z radijskimi valovi. To je odlična priložnost za posredovanje obilice informacij na preprost in poceni način. Običajno se informacije prenašajo po optičnem kablu z uporabo laserskega sevanja. Optična vlakna so nepogrešljiva za hiter in kakovosten prenos računalniškega signala, ki vsebuje veliko količino prenesenih informacij. In osnova vsega tega je tako preprost in običajen pojav, kot je lom svetlobe.

Reference

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. fizika ( osnovna raven) - M.: Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika - 9, Moskva, Izobraževanje, 1990.

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

domača naloga

Določite lom svetlobe.
Navedite razlog za lom svetlobe.
Poimenujte najbolj priljubljene aplikacije popolnega notranjega odboja.

Najprej si malo predstavljajmo. Predstavljajte si vroč poletni dan pred našim štetjem, primitiven človek s sulico lovi ribe. Opazi njen položaj, nameri in iz nekega razloga udari na mesto, kjer riba sploh ni bila vidna. zamudil? Ne, ribič ima plen v rokah! Dejstvo je, da je naš prednik intuitivno razumel temo, ki jo bomo zdaj preučevali. V vsakdanjem življenju vidimo, da je žlica, spuščena v kozarec vode, videti ukrivljena; ko pogledamo skozi steklen kozarec, so predmeti videti ukrivljeni. Vsa ta vprašanja bomo obravnavali v lekciji, katere tema je: »Lom svetlobe. Zakon loma svetlobe. Popolna notranja refleksija."

V prejšnjih lekcijah smo govorili o usodi žarka v dveh primerih: kaj se zgodi, če se žarek svetlobe širi v prosojno homogenem mediju? Pravilen odgovor je, da se bo širil v ravni črti. Kaj se zgodi, ko žarek svetlobe pade na vmesnik med dvema medijema? V prejšnji lekciji smo govorili o odbitem žarku, danes pa si bomo ogledali tisti del svetlobnega žarka, ki ga medij absorbira.

Kakšna bo usoda žarka, ki je prodrl iz prvega optično prozornega medija v drugi optično prozorni medij?

riž. 1. Lom svetlobe

Sprememba smeri širjenja svetlobe, ko gre skozi mejo med dvema medijema, se imenuje lom svetlobe(slika 1).

riž. 2. Vpadni, lomni in odbojni koti

Dobimo zakon, ki kvantitativno opisuje razmerje med vpadnim in lomnim kotom. Uporabimo Huygensov princip, ki uravnava širjenje valov v mediju. Zakon je sestavljen iz dveh delov.

Vpadni žarek, lomljeni žarek in navpičnica, vzpostavljena na vpadno točko, ležijo v isti ravnini.

Razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je konstantna vrednost za dve dani mediji in je enako razmerju svetlobnih hitrosti v teh medijih.

Ta zakon se imenuje Snellov zakon v čast nizozemskega znanstvenika, ki ga je prvi oblikoval. Razlog za lom je razlika v hitrosti svetlobe v različnih medijih. Veljavnost lomnega zakona lahko preverite tako, da eksperimentalno usmerite žarek svetlobe pod različnimi koti na vmesnik med dvema medijema in izmerite vpadni in lomni kot. Če spremenimo te kote, izmerimo sinuse in poiščemo razmerje sinusov teh kotov, se bomo prepričali, da lomni zakon res velja.

Dokaz lomnega zakona z uporabo Huygensovega principa je še ena potrditev valovne narave svetlobe.

Relativni lomni količnik n 21 kaže, kolikokrat se hitrost svetlobe V 1 v prvem mediju razlikuje od hitrosti svetlobe V 2 v drugem mediju.

Relativni lomni količnik je jasen dokaz dejstva, da je razlog za spremembo smeri svetlobe pri prehodu iz enega medija v drugega različna hitrost svetlobe v obeh medijih. Koncept "optične gostote medija" se pogosto uporablja za označevanje optičnih lastnosti medija (slika 3).

riž. 3. Optična gostota medija (α > γ)

Možna je tudi obratna situacija: hitrost svetlobe v prvem mediju je manjša od hitrosti svetlobe v drugem mediju (slika 4).

riž. 4. Optična gostota medija (α< γ)

Takrat bo lomni kot večji od vpadnega kota in za takšen prehod bomo rekli, da je narejen iz optično bolj gostega v optično manj gost medij (iz stekla v vodo).

Optična gostota dveh medijev se lahko precej razlikuje, zato postane možna situacija, prikazana na fotografiji (slika 5):

riž. 5. Razlike v optični gostoti medijev

Opazite, kako je glava premaknjena glede na telo v tekočini, v okolju z večjo optično gostoto.

Vendar pa relativni lomni količnik ni vedno udobna karakteristika za delo, ker je odvisen od hitrosti svetlobe v prvem in drugem mediju, je pa lahko takšnih kombinacij in kombinacij dveh medijev (voda - zrak, steklo - diamant, glicerin - alkohol, steklo - voda in tako naprej). Tabele bi bile zelo okorne, neprijetno bi bilo delati, potem pa so uvedli en absolutni medij, v primerjavi s katerim se primerja hitrost svetlobe v drugih okoljih. Vakuum smo izbrali kot absolutno in hitrost svetlobe primerjali s hitrostjo svetlobe v vakuumu.

Absolutni lomni količnik medija n- to je količina, ki označuje optično gostoto medija in je enaka razmerju hitrosti svetlobe Z v vakuumu do svetlobne hitrosti v danem okolju.

Absolutni lomni količnik je bolj primeren za delo, saj vedno poznamo hitrost svetlobe v vakuumu, ki je enaka 3·10 8 m/s in je univerzalna fizikalna konstanta.

Absolutni lomni količnik je odvisen od zunanjih parametrov: temperature, gostote in tudi od valovne dolžine svetlobe, zato tabele običajno navajajo povprečni lomni količnik za določeno območje valovnih dolžin. Če primerjamo lomne količnike zraka, vode in stekla (slika 6), vidimo, da ima zrak lomni količnik blizu enote, zato ga bomo pri reševanju nalog vzeli za enoto.

riž. 6. Tabela absolutnih lomnih količnikov za različne medije

Ni težko dobiti razmerja med absolutnim in relativnim lomnim količnikom medija.

Relativni lomni količnik, to je pri prehodu žarka iz medija ena v medij dva, je enak razmerju med absolutnim lomnim količnikom v drugem mediju in absolutnim lomnim količnikom v prvem mediju.

Na primer: = ≈ 1,16

Če sta absolutna lomna količnika dveh medijev skoraj enaka, to pomeni, da bo relativni lomni količnik pri prehodu iz enega medija v drugega enak enotnosti, to pomeni, da svetlobni žarek dejansko ne bo lomljen. Na primer, pri prehodu iz janeževega olja v dragi kamen beril se svetloba praktično ne bo upognila, to pomeni, da se bo obnašala enako kot pri prehodu skozi janeževo olje, saj je njihov lomni količnik 1,56 oziroma 1,57, tako da je dragi kamen lahko kot da je skrit v tekočini, enostavno ne bo viden.

Če v prozoren kozarec nalijemo vodo in pogledamo skozi steno kozarca v svetlobo, bomo zaradi pojava popolnega notranjega odboja, o katerem bomo govorili sedaj, na površini videli srebrn lesk. Ko svetlobni žarek prehaja iz gostejšega optičnega medija v manj gost optični medij, lahko opazimo zanimiv učinek. Za gotovost bomo predpostavili, da svetloba prihaja iz vode v zrak. Predpostavimo, da je v globini rezervoarja točkovni vir svetlobe S, ki oddaja žarke v vse smeri. Na primer, potapljač sveti s svetilko.

riž. 7. Popolni notranji odboj

Vrednost mejnega kota je mogoče zlahka najti iz lomnega zakona:

= => = arcsin, za vodo ≈ 49 0

Dobili smo lomni zakon svetlobe, uvedli nov koncept - relativni in absolutni lomni količnik, razumeli pa smo tudi pojav popolnega notranjega odboja in njegove uporabe, kot je optična vlakna. Svoje znanje lahko utrdite z analizo ustreznih testov in simulatorjev v razdelku lekcije.

Pridobimo dokaz zakona o lomu svetlobe z uporabo Huygensovega principa. Pomembno je razumeti, da je vzrok loma razlika v hitrosti svetlobe v dveh različnih medijih. Hitrost svetlobe v prvem mediju označimo z V 1, v drugem mediju pa z V 2 (slika 8).

riž. 8. Dokaz zakona o lomu svetlobe

Naj ravninski svetlobni val pade na ravno mejo med dvema medijema, na primer od zraka do vode. Valovna ploskev AS je pravokotna na žarke in , mejo medija MN najprej doseže žarek, isto ploskev pa žarek doseže po časovnem intervalu ∆t, ki bo enak poti SV deljeni s hitrostjo svetlobe v prvem mediju.

Torej v trenutku, ko se sekundarni val v točki B šele začne vzbujati, ima val iz točke A že obliko poloble s polmerom AD, ki je enak hitrosti svetlobe v drugem mediju pri ∆ t: AD = ·∆t, to je Huygensov princip v vizualnem delovanju. Valovno površino lomljenega vala lahko dobimo tako, da narišemo ploskev tangento na vse sekundarne valove v drugem mediju, katerih središča ležijo na meji med mediji, v tem primeru je to ravnina BD, to je ovojnica sekundarni valovi. Vpadni kot α žarka je enak kotu CAB v trikotniku ABC, stranice enega od teh kotov so pravokotne na stranice drugega. Posledično bo SV za ∆t enaka svetlobni hitrosti v prvem mediju

CB = ∆t = AB sin α

Po drugi strani pa bo lomni kot enak kotu ABD v trikotniku ABD, torej:

АD = ∆t = АВ sin γ

Če izraze razdelimo po izrazih, dobimo:

n je konstantna vrednost, ki ni odvisna od vpadnega kota.

Dobili smo zakon loma svetlobe, sinus vpadnega kota na sinus lomnega kota je konstantna vrednost za dani dve mediji in je enak razmerju hitrosti svetlobe v obeh danih medijih.

Kaj je zelo pomembno pri reševanju tega problema? Ugibajte, da ker oko ne vidi dna posode, ampak vidi skrajno točko stranske stene, posoda pa je kocka, bo vpadni kot žarka na površino vode, ko jo natočimo enako 45 0.

riž. 9. Naloga enotnega državnega izpita

Žarek pade v točko F, to pomeni, da predmet jasno vidimo, črna pikčasta črta pa prikazuje potek žarka, če ne bi bilo vode, torej v točko D. Iz trikotnika NFK je tangenta kota β, tangens lomnega kota, je razmerje med nasprotno stranjo in sosednjo stranjo ali, glede na sliko, h minus b, deljeno s h.

tg β = = , h je višina tekočine, ki smo jo natočili;

Najintenzivnejši pojav popolnega notranjega odboja se uporablja v sistemih z optičnimi vlakni.

riž. 10. Optična vlakna

Če svetlobni žarek usmerimo na konec trdne steklene cevi, bo po večkratnem popolnem notranjem odboju žarek prišel iz nasprotne strani cevi. Izkazalo se je, da je steklena cev prevodnik svetlobnega valovanja ali valovod. To se bo zgodilo ne glede na to, ali je cev ravna ali ukrivljena (slika 10). Prvi svetlobni vodi, to je drugo ime za valovode, so bili uporabljeni za osvetljevanje težko dostopnih mest (med medicinskimi raziskavami, ko se svetloba dovaja na en konec svetlobnega voda, drugi konec pa osvetljuje želeno mesto). Glavna uporaba je medicina, odkrivanje napak motorjev, vendar se takšni valovodi najpogosteje uporabljajo v sistemih za prenos informacij. Nosilna frekvenca pri prenosu signala s svetlobnim valom je milijonkrat višja od frekvence radijskega signala, kar pomeni, da je količina informacij, ki jih lahko prenesemo s svetlobnim valom, milijonkrat večja od količine prenesenih informacij. z radijskimi valovi. To je odlična priložnost za posredovanje obilice informacij na preprost in poceni način. Običajno se informacije prenašajo po optičnem kablu z uporabo laserskega sevanja. Optična vlakna so nepogrešljiva za hiter in kakovosten prenos računalniškega signala, ki vsebuje veliko količino prenesenih informacij. In osnova vsega tega je tako preprost in običajen pojav, kot je lom svetlobe.

Reference

Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna raven) - M.: Mnemosyne, 2012.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Mnemosyne, 2014.
Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika - 9, Moskva, Izobraževanje, 1990.

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

domača naloga

Določite lom svetlobe.
Navedite razlog za lom svetlobe.
Poimenujte najbolj priljubljene aplikacije popolnega notranjega odboja.

Če je n 1 >n 2 potem >α, tj. če svetloba prehaja iz medija, ki je optično gostejši, v medij, ki je optično manj gost, potem je lomni kot večji od vpadnega kota (slika 3)

Mejni vpadni kot. Če je α=α p,=90˚ in bo žarek drsel po meji zrak-voda.

Če je α’>α p, potem svetloba ne bo prešla v drugi prozorni medij, ker se bo popolnoma odrazilo. Ta pojav se imenuje popoln odboj svetlobe. Vpadni kot α n, pod katerim lomljeni žarek drsi vzdolž vmesnika med mediji, se imenuje mejni kot popoln odsev.

Popolni odboj lahko opazimo v enakokrakem pravokotniku steklena prizma(slika 4), ki se pogosto uporablja v periskopih, daljnogledih, refraktometrih itd.

a) Svetloba pada pravokotno na prvo ploskev in se zato tu ne lomi (α=0 in =0). Vpadni kot na drugo stran je α=45˚, tj.>α p, (za steklo α p =42˚). Zato se svetloba na tem obrazu popolnoma odbija. To je rotacijska prizma, ki vrti žarek za 90˚.

b) V tem primeru svetloba znotraj prizme doživi dvojni popolni odboj. To je tudi rotacijska prizma, ki vrti žarek za 180˚.

c) V tem primeru je prizma že obrnjena. Ko gredo žarki iz prizme, so vzporedni z vpadnimi, vendar zgornji vpadni žarek postane spodnji, spodnji pa zgornji.

Široko tehnično uporabo Pojav popolnega odboja so odkrili v svetlobnih vodilih.

Svetlovod je veliko število tanke steklene niti, katerih premer je približno 20 mikronov, dolžina vsake pa približno 1 m. Te niti so med seboj vzporedne in blizu (slika 5)

Vsaka nit je obdana s tanko stekleno lupino, katere lomni količnik je manjši od same niti. Svetlovod ima dva konca, relativni položaj konci niti na obeh koncih svetlobnega vodnika so popolnoma enaki.

Če postavite predmet na en konec svetlobnega vodnika in ga osvetlite, se bo slika tega predmeta pojavila na drugem koncu svetlobnega vodnika.

Slika je pridobljena zaradi dejstva, da konec vsake niti prejme svetlobo od nekaterih majhno območje predmet. Ob številnih popolnih odbojih svetloba izhaja iz nasprotnega konca niti in prenaša odsev na določeno majhno površino predmeta.

Ker razporeditev niti glede na drugo je popolnoma enaka, potem se ustrezna slika predmeta pojavi na drugem koncu. Jasnost slike je odvisna od premera niti. Manjši kot je premer posamezne niti, jasnejša bo slika predmeta. Izguba svetlobne energije na poti svetlobni žarek običajno razmeroma majhna v snopih (vlaknah), saj je pri popolnem odboju odbojnost relativno visoka (~0,9999). Izguba energije so v glavnem posledica absorpcije svetlobe s snovjo znotraj vlakna.

Na primer, v vidnem delu spektra v 1 m dolgem vlaknu se izgubi 30-70% energije (vendar v snopu).

Zato se za prenos velikih svetlobnih tokov in ohranjanje prožnosti svetlobnoprevodnega sistema posamezna vlakna zberejo v snope (snopke) - svetlobni vodili

V medicini se široko uporabljajo svetlobni vodi za osvetlitev notranjih votlin s hladno svetlobo in prenos slike. Endoskop– posebna naprava za pregled notranjih votlin (želodec, danka itd.). Prenaša se s svetlobnimi vodniki lasersko sevanje Za terapevtski učinki na tumorjih. In človeška mrežnica je visoko organiziran sistem optičnih vlaken, sestavljen iz ~ 130x10 8 vlaken.

Širjenje elektromagnetni valovi v različnih okoljih se podreja zakonom odboja in loma. Iz teh zakonov pod določenimi pogoji sledi en zanimiv učinek, ki ga v fiziki imenujemo popolni notranji odboj svetlobe. Oglejmo si podrobneje, kakšen je ta učinek.

Odboj in lom

Preden nadaljujemo neposredno z obravnavo notranjega popolnega odboja svetlobe, je treba razložiti procese odboja in loma.

Odboj se nanaša na spremembo smeri gibanja svetlobnega žarka v istem mediju, ko ta naleti na katerokoli mejo. Na primer, če pošljete iz laserski kazalec na ogledalu lahko opazujete opisani učinek.

Lom je tako kot odboj sprememba smeri gibanja svetlobe, vendar ne v prvem, temveč v drugem mediju. Rezultat tega pojava bo izkrivljanje obrisov predmetov in njihove prostorske razporeditve. Vsakdanji primer lom je zlom svinčnika ali pisala, če ga damo v kozarec z vodo.

Lom in odboj sta med seboj povezana. Skoraj vedno sta prisotna skupaj: del energije žarka se odbije, drugi del pa lomi.

Oba pojava sta rezultat uporabe Fermatovega principa. Pravi, da se svetloba premika po poti med dvema točkama, ki ji bo vzela najmanj časa.

Ker je odboj učinek, ki nastane v enem mediju, lom pa v dveh medijih, je za slednja pomembno, da sta oba medija propustna za elektromagnetno valovanje.

Pojem lomnega količnika

Lomni količnik je pomembna količina za matematični opis obravnavane pojave. Lomni količnik določenega medija se določi na naslednji način:

Kjer sta c in v hitrosti svetlobe v vakuumu oziroma v snovi. Vrednost v je vedno manjša od c, zato bo eksponent n večji od ena. Brezdimenzijski koeficient n kaže, koliko bo svetloba v snovi (mediju) zaostajala za svetlobo v vakuumu. Razlika med temi hitrostmi vodi do pojava pojava refrakcije.

Hitrost svetlobe v snovi je v korelaciji z gostoto slednje. Čim gostejši je medij, tem težje se svetloba premika skozenj. Na primer za zrak n = 1,00029, torej skoraj tako kot za vakuum, za vodo n = 1,333.

Odboji, lom in njihove zakonitosti

Osupljiv primer Rezultat popolne refleksije je sijoča površina diamanta. Lomni količnik diamanta je 2,43, zato veliko svetlobnih žarkov, ki vstopajo v dragulj, doživi več popolnih odbojev, preden ga zapusti.

Problem določanja kritičnega kota θc za diamant

Razmislimo preprosta naloga, kjer bomo pokazali, kako uporabljati podane formule. Izračunati je treba, koliko se bo spremenil kritični kot popolnega odboja, če diamant položimo iz zraka v vodo.

Ko pogledamo vrednosti za lomne indekse navedenih medijev v tabeli, jih zapišemo:

za zrak: n 1 = 1,00029;
za vodo: n 2 = 1,333;
za diamant: n 3 = 2,43.

Kritični kot za par diamant-zrak je:

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

Kot lahko vidite, je kritični kot za ta par medijev precej majhen, to pomeni, da lahko iz diamanta v zrak izstopijo samo tisti žarki, ki so bližje normali kot 24,31 o.

Za primer diamanta v vodi dobimo:

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

Povečanje kritičnega kota je bilo:

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

To rahlo povečanje kritičnega kota za popoln odboj svetlobe v diamantu povzroči, da v vodi sije skoraj enako kot v zraku.