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 več kota padci (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. Izgube svetlobne energije na poti svetlobnega žarka so v snopih (vlaknih) običajno relativno majhne, saj je pri popolnem odboju odbojni koeficient relativno visok (~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.). S pomočjo svetlobnih vodnikov se lasersko sevanje prenaša na terapevtski učinki na tumorjih. In človeška mrežnica je visoko organiziran sistem optičnih vlaken, sestavljen iz ~ 130x10 8 vlaken.
Geometrijska optika– veja fizike, v kateri se zakoni širjenja svetlobe obravnavajo na podlagi ideje svetlobnih žarkov (črt, normalnih na valovne površine, po katerih se širi tok svetlobne energije).
Popolna refleksija svetlobe
Popolni odboj svetlobe je pojav, pri katerem se žarek, ki pade na mejo med dvema medijema, popolnoma odbije, ne da bi prodrl v drugi medij.
Do popolnega odboja svetlobe pride pri vpadnih kotih svetlobe na meji med mediji, ki presegajo mejni kot popolnega odboja, ko se svetloba širi iz optično gostejšega medija v optično manj gost medij.
Pojav popolnega odboja svetlobe v naših življenjih.
Ta pojav se uporablja v optičnih vlaknih. Svetloba, ki vstopi v optično prozorno cev pod določenim kotom in se večkrat odbije od njenih sten z notranje strani, pride ven skozi njen drugi konec (slika 5). Tako se prenašajo signali.
Pri prehodu svetlobe iz optično manj gostega medija v gostejšega, na primer iz zraka v steklo ali vodo, je 1 > 2 ; po lomnem zakonu (1.4) pa lomni količnik n>1, torej > (slika 10, a): lomljeni žarek se približuje pravokotni na mejno površino.
Če usmerite svetlobni žarek v nasprotni smeri - od optično gostejšega medija do optično manj gostega vzdolž prejšnjega lomljenega žarka (slika 10, b), bo zakon o lomu zapisan takole:
Lomljeni žarek bo ob izhodu iz optično gostejšega medija sledil liniji prejšnjega vpadnega žarka, torej < , т. е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла lomni kot se poveča in ostane vedno večji od kota . Končno se bo pri določenem vpadnem kotu vrednost lomnega kota približala 90 in lomljeni žarek bo šel skoraj vzdolž vmesnika (slika 11). Vžigalnemu kotu ustreza največji možni lomni kot =90 0 .
Poskusimo ugotoviti, kaj se bo zgodilo, kdaj > 0 . Ko svetloba pade na mejo dveh medijev, se svetlobni žarek, kot že rečeno, delno lomi in delno odbije od nje. pri > 0 lom svetlobe je nemogoč. To pomeni, da se mora žarek popolnoma odbiti. Ta pojav se imenuje popoln odboj svetlobe.
Za opazovanje popolnega odboja lahko uporabimo stekleni polcilinder z motno zadnjo površino. Polvalj je pritrjen na disk tako, da sredina ravna površina polcilinder sovpada s središčem diska (slika 12). Ozek snop svetlobe iz osvetljevalnika je usmerjen od spodaj na stransko površino polcilinder pravokoten na njegovo površino. Žarek se na tej površini ne lomi. Na ravni podlagi se žarek delno lomi in delno odbije. Odboj se zgodi v skladu z zakonom odboja, lom pa v skladu z zakonom loma
Če povečate vpadni kot, boste opazili, da se svetlost (in s tem energija) odbitega žarka poveča, medtem ko se svetlost (energija) lomljenega žarka zmanjša. Energija lomljenega žarka še posebej hitro upada, ko se lomni kot približa 90. Končno, ko postane vpadni kot tak, da gre lomljeni žarek vzdolž vmesnika (glej sliko 11), je delež odbite energije skoraj 100 %. Zavrtimo osvetljevalec, tako da naredimo vpadni kot velik 0 . Videli bomo, da je lomljeni žarek izginil in da se vsa svetloba odbije od vmesnika, torej pride do popolnega odboja svetlobe.
Slika 13 prikazuje snop žarkov iz vira, postavljenega v vodo blizu njene površine. Večja jakost svetlobe je označena z debelejšo črto, ki predstavlja ustrezen žarek.
Vpadni kot 0 , ki ustreza lomnemu kotu 90, se imenuje mejni kot popolne refleksije. pri greh=1 formula (1.8) dobi obliko
Iz te enakosti je mogoče najti vrednost mejnega kota popolnega odboja 0 . Za vodo (n=1,33) se izkaže, da je 4835", za steklo (n=1,5) ima vrednost 4151", za diamant (n=2,42) pa je ta kot 2440". v vseh primerih je drugi medij zrak.
Pojav popolnega odboja je enostavno opazovati preprosta izkušnja. V kozarec natočite vodo in ga dvignite nekoliko nad višino oči. Gladina vode, gledana od spodaj skozi steno, je zaradi popolnega odboja svetlobe videti sijoča, kot posrebrena.
Popolni odboj se uporablja pri t.i optična vlakna za prenos svetlobe in slike skozi snope prozornih upogljivih vlaken – svetlobnih vodnikov. Svetlovod je cilindrično stekleno vlakno, prevlečeno z ovojom iz prozornega materiala z nižjim lomnim količnikom kot vlakno. Zaradi večkratnega popolnega odboja lahko svetlobo usmerimo po poljubni (ravni ali ukrivljeni) poti (slika 14).
Vlakna so zbrana v snope. V tem primeru vsako od vlaken prenaša določen element slike (slika 15). Snopi vlaken se uporabljajo na primer v medicini za raziskave notranji organi.
Z izboljševanjem tehnologije izdelave dolgih snopov vlaken - svetlobnih vodnikov se komunikacija (tudi televizijska) s pomočjo svetlobnih žarkov vse bolj uveljavlja.
Popolni odboj svetlobe kaže, kako bogate možnosti za razlago pojavov širjenja svetlobe vsebuje lomni zakon. Sprva je bil popolni odsev le nenavaden pojav. Zdaj postopoma vodi do revolucije v metodah prenosa informacije.
odsek optike, ki se ukvarja s prenosom svetlobe in slike po optičnih vlaknih in valovodih. zlasti za večjedrna optična vlakna in snope gibkih vlaken. V. o. nastala v 50. letih. 20. stoletje
V optičnih vlaknih V podrobnostih se svetlobni signali prenašajo z ene površine (konec svetlobnega vodnika) na drugo (izhod) kot niz
Prenos slike po elementih z optičnim delom: 1 - slika, dostavljena na vhodni konec; 2 - svetlobno prevodno jedro; 3 - izolacijska plast; 4 - mozaična slika, poslana na izhodni konec.
slikovni elementi, od katerih se vsak prenaša po svojem svetlobnem prevodniku (sl.). V vlaknenih delih se običajno uporabljajo steklena vlakna, jedro za vodenje svetlobe (jedro) je obdano s stekleno lupino iz drugega stekla z nižjim lomnim količnikom. Posledično gredo žarki, ki vpadajo pod ustreznimi koti, na vmesniku med jedrom in ovojom popolnoma navznoter. odboj in širjenje vzdolž jedra svetlobnega vodnika. Kljub številnim takim odbojem so izgube v vlaknih posledica Ch. prir. absorpcija svetlobe v masi steklenega jedra. Pri izdelavi svetlobnih vodnikov iz visoko čistih materialov je možno slabljenje svetlobnega signala zmanjšati na več. desetice in celo enote dB/km. Premer svetlobnih jeder v podrobnostih je različen. destinacij leži v območju od nekaj mikronov do nekaj mm. Širjenje svetlobe skozi svetlobne vodnike, katerih premer je velik v primerjavi z valovno dolžino, poteka po zakonih geometrijska optika; samo ločeni se širijo po tanjših vlaknih (po valovni dolžini). vrste valov ali njihove kombinacije, ki se obravnavajo v okviru valovna optika.
Za prenos slike v V. o. Uporabljajo se toga večjedrna optična vlakna in snopi z navadno postavitvijo vlaken. Kakovost prenosa slike je določena s premerom svetlobnih jeder, njihovih skupno število in proizvodna odličnost. Morebitne napake v svetlobnih vodnikih pokvarijo sliko. Običajno je ločljivost snopov vlaken 10-50 linij / mm, v togih večžilnih svetlobnih vodnikih in delih, sintranih iz njih, pa do 100 linij / mm.
Slika se projicira na vhodni konec snopa z uporabo leče. Izhodni konec je opazovan skozi okular. Za povečanje ali zmanjšanje veljavno. Za slike se uporabljajo fokoni - snopi vlaken s postopnim povečevanjem ali zmanjševanjem premera. Osredotočijo svetlobni tok, ki pada na širokem koncu, na ozkem izhodnem koncu. Hkrati se na izhodu povečata osvetlitev in naklon žarkov. Povečanje koncentracije svetlobne energije je možno, dokler numerična apertura stožca žarkov na izhodu ne doseže numerične aperture svetlobnega vodnika (njena običajna vrednost je 0,4-1). To omejuje razmerje vhodnih in izhodnih polmerov focona, ki praktično ne presega pet. Razširjene so postale tudi plošče, prečno rezane iz gosto sintranih vlaken. Služijo kot sprednje steklo slikovnih cevi in prenašajo sliko na njihovo zunanjo površino. površino, kar omogoča fotografiranje v stiku. Hkrati osnova doseže film. del svetlobe, ki jo oddaja fosfor, osvetlitev, ki nastane na njem, pa je desetkrat večja kot pri fotografiranju s kamero z objektivom.
Svetlovodi in druga optična vlakna. deli se uporabljajo v tehnologiji, medicini in mnogih drugih industrijah znanstveno raziskovanje. Toga ravna ali predhodno upognjena enojedrna optična vlakna in snopi vlaken, prem. Uporablja se 15-50 mikronov medicinske pripomočke za notranjo osvetlitev votline nazofarinksa, želodca, bronhijev itd. V takih napravah svetloba iz električne energije. Svetilka se zbira s kondenzatorjem na vhodnem koncu svetlobnega vodnika ali snopa in se skozi njega dovaja v osvetljeno votlino. Uporaba podveze z redno namestitvijo steklenih vlaken (fleksibilni endoskop) vam omogoča, da vidite sliko notranjih sten. kavitete, diagnosticirajo bolezni in z uporabo fleksibilnih instrumentov izvajajo preproste kirurške posege. operacije brez odpiranja votline. Svetlobni vodniki z danim tkanjem se uporabljajo pri hitrem snemanju za snemanje sledi. h-ts, kot vrstični pretvorniki v fototelegrafiji in televizijskih meritvah. tehnologije, kot pretvorniki kod in kot naprave za šifriranje. Ustvarjena so aktivna (laserska) vlakna, ki delujejo kot kvant. ojačevalniki in kvant generatorji svetlobe, zasnovani za visokohitrostno računalništvo. stroje in izvajanje logičnih funkcij. elementi, spominske celice itd. Posebej prozorne tanke svetlobni vodniki iz vlaken z oslabljenjem več. dB/km se uporabljajo kot telefonski in televizijski komunikacijski kabli tako znotraj objekta (zgradba, ladja itd.) kot tudi na razdalji več deset kilometrov od njega. Za optično komunikacijo je značilna odpornost proti hrupu, majhna teža prenosnih vodov, prihranek dragega bakra in zagotavlja električno izolacijo. verige.
Fiber deli so izdelani iz zelo čistih materialov. Svetlobni vodnik in vlakna se črpajo iz talin ustreznih vrst stekla. Predlagano je bilo novo optično vlakno. material - kristalno vlakno, zraslo iz taline. Svetlobni vodi v kristalnih vlaknih. brki in v plasteh - dodatki, vneseni v talino.
Refraktometrija. Natančneje razloži potek poskusa določanja lomnega količnika prozorne tekočine z refraktometrom.
38.
Refraktometrija(iz latinskega refractus - lomljenega in grškega metreo - ukrep) - to je metoda preučevanja snovi, ki temelji na določanju indeksa (koeficienta) loma (loma) in nekaterih njegovih funkcij .
Za identifikacijo se uporablja refraktometrija (refraktometrična metoda). kemične spojine, kvantitativno in strukturna analiza, določanje fizikalnih in kemijskih parametrov snovi.
Lomni količnik n, je razmerje hitrosti svetlobe v okoliškem mediju. Za tekočine in trdne snovi n običajno določeno glede na zrak, za pline pa glede na vakuum. Vrednote n odvisne od valovne dolžine svetlobe l in temperature, ki sta označeni v spodnjem oziroma nadpisanem. Na primer, lomni količnik pri 20 °C za D-črto natrijevega spektra (l = 589 nm) je n D 20. Pogosto se uporabljajo tudi vodikove spektralne črte C (l = 656 nm) in F (l = 486 nm). Pri plinih je treba upoštevati tudi odvisnost n od tlaka (navedite ali reducirajte podatek na normalni tlak).
IN idealni sistemi(nastane brez spreminjanja prostornine in polarizabilnosti komponent), je odvisnost lomnega količnika od sestave blizu linearne, če je sestava izražena v volumskih deležih (v odstotkih)
n=n 1 V 1 +n 2 V 2 ,
kje n, n 1, n 2- lomne količnike zmesi in komponent,
V 1 in V 2 - prostorninske frakcije komponente ( V 1+V 2 = 1).
Za refraktometrijo raztopin v širokih koncentracijskih območjih se uporabljajo tabele ali empirične formule, od katerih so najpomembnejše (za raztopine saharoze, etanola itd.) Odobrene z mednarodnimi sporazumi in so osnova za izdelavo specializiranih refraktometrskih lestvic za analiza industrijskih in kmetijskih proizvodov.
Odvisnost lomnega količnika vodnih raztopin nekaterih snovi od koncentracije:
Vpliv temperature na lomni količnik določata dva dejavnika: sprememba števila delcev tekočine na prostorninsko enoto in odvisnost polarizabilnosti molekul od temperature. Drugi dejavnik postane pomemben šele, ko zelo velika sprememba temperatura.
Temperaturni koeficient lomnega količnika je sorazmeren s temperaturnim koeficientom gostote. Ker se vse tekočine pri segrevanju razširijo, se njihovi lomni količniki z zvišanjem temperature zmanjšujejo. Temperaturni koeficient je odvisen od temperature tekočine, v majhnih temperaturnih intervalih pa se lahko šteje za konstanten.
Za veliko večino tekočin temperaturni koeficient leži v ozkem območju od –0,0004 do –0,0006 1/deg. Pomembna izjema je voda in razredčeno vodne raztopine(–0,0001), glicerol (–0,0002), glikol (–0,00026).
Linearna ekstrapolacija lomnega količnika je sprejemljiva za majhne temperaturne razlike (10 – 20°C). Natančna definicija lomni količnik v širokem temperaturnem območju določa empirične formule vrsta: n t =n 0 +at+bt 2 +…
Tlak na lomni količnik tekočine vpliva veliko manj kot temperatura. Ko se tlak spremeni za 1 atm. sprememba n je 1,48 × 10 -5 za vodo, 3,95 × 10 -5 za alkohol in 4,8 × 10 -5 za benzen. To pomeni, da sprememba temperature za 1 °C vpliva na lomni količnik tekočine na približno enak način kot sprememba tlaka za 10 atm.
Običajno n tekoča in trdna telesa se določijo z refraktometrijo z natančnostjo 0,0001 na refraktometri, v katerem se merijo mejni koti popolnega notranjega odboja. Najpogostejši so Abbejevi refraktometri s prizmatičnimi bloki in kompenzatorji disperzije, ki omogočajo določanje nD v "beli" svetlobi na lestvici ali digitalnem indikatorju. Največja natančnost absolutne meritve(10 -10) se doseže na goniometrih z uporabo metod odklona žarkov s prizmo iz proučevanega materiala. Za merjenje n plini so najprimernejše interferenčne metode. Interferometri se uporabljajo tudi za natančno (do 10 -7) določanje razlik n rešitve. Za isti namen se uporabljajo diferencialni refraktometri, ki temeljijo na odklonu žarkov s sistemom dveh ali treh votlih prizem.
Avtomatski refraktometri za neprekinjeno beleženje n v tekočih tokovih, ki se uporabljajo v proizvodnji za nadzor tehnološki procesi in njihovo avtomatsko kontrolo ter v laboratorijih za kontrolo rektifikacije in kot univerzalni detektorji tekočinskih kromatografov.
Na sliki Aprikazuje običajni žarek, ki gre skozi mejo zrak-pleksi steklo in zapusti ploščo pleksi stekla, ne da bi bil podvržen kakršni koli deformaciji, ko gre skozi dve meji med pleksi steklom in zrakom. Na sliki b prikazuje svetlobni žarek, ki normalno vstopa v polkrožno ploščo brez odklona, vendar tvori kot y z normalo v točki O znotraj plošče iz pleksi stekla. Ko žarek zapusti gostejši medij (pleksi steklo), se njegova hitrost širjenja v manj gostem mediju (zrak) poveča. Zato se lomi in tvori kot x glede na normalo v zraku, ki je večji od y.
Na podlagi dejstva, da je n = sin (kot, ki ga žarek tvori z normalo v zraku) / sin (kot, ki ga žarek tvori z normalo v mediju), je pleksi steklo n n = sin x/sin y. Če se izvede več meritev x in y, se lahko lomni količnik pleksi stekla izračuna s povprečenjem rezultatov za vsak par vrednosti. Kot y lahko povečate s premikanjem svetlobnega vira v loku kroga s središčem v točki O.
Posledica tega je povečanje kota x, dokler ni dosežen položaj, prikazan na sliki V, tj. dokler x ne postane enak 90 o. Jasno je, da kot x ne more biti večji. Kot, ki ga zdaj tvori žarek z normalo znotraj pleksi stekla, se imenuje kritični ali mejni kot z(to je vpadni kot na meji iz gostejšega medija v manj gosto, ko je lomni kot v manj gostem mediju 90°).
Običajno opazimo šibek odbit žarek, prav tako svetel žarek, ki se lomi vzdolž ravnega roba plošče. To je posledica delnega notranjega odboja. Upoštevajte tudi, da se pri uporabi bele svetlobe svetloba, ki se pojavi vzdolž ravnega roba, razdeli na barve spektra. Če svetlobni vir premaknemo dlje po loku, kot na sliki G, tako da I znotraj pleksi stekla postane večji kritični kot s in na meji obeh medijev ne pride do loma. Namesto tega žarek doživi popolno notranji odsev pod kotom r glede na normalo, kjer je r = i.
Da bi se to zgodilo popolni notranji odboj, mora biti vpadni kot i izmerjen znotraj gostejšega medija (pleksi stekla) in mora biti večji od kritičnega kota c. Upoštevajte, da odbojni zakon velja tudi za vse vpadne kote, ki so večji od kritičnega.
Diamantni kritični kot je le 24°38". Njegov "flare" je torej odvisen od lahkosti, s katero pride do večkratnega popolnega notranjega odboja, ko je osvetljen s svetlobo, kar je v veliki meri odvisno od spretnega rezanja in poliranja, ki poveča ta učinek. Prej je bilo določeno da je n = 1 /sin c, zato bo natančna meritev kritičnega kota c določila n.
Študija 1. Določite n za pleksi steklo z iskanjem kritičnega kota
Položite polkrožni kos pleksi stekla na sredino velikega kosa belega papirja in previdno narišite njegov obris. Poiščite sredino O ravnega roba plošče. S kotomerjem sestavite normalno NO, pravokotno na to ravnino v točki O. Ponovno postavite ploščo v njen obris. Svetlobni vir premikajte po loku levo od NO, ves čas pa usmerjajte vpadni žarek v točko O. Ko gre lomljeni žarek vzdolž ravnine, kot je prikazano na sliki, označite pot vpadnega žarka s tremi točkami. P 1, P 2 in P 3.
Ploščo začasno odstranimo in te tri točke povežemo s premico, ki naj poteka skozi O. S kotomerom izmerimo kritični kot c med narisanim vpadnim žarkom in normalo. Previdno ponovno postavite ploščo v njen obris in ponovite, kar ste storili prej, vendar tokrat premaknite svetlobni vir okoli loka desno od NO, neprekinjeno usmerjajte žarek v točko O. Zapišite dve izmerjeni vrednosti c v tabelo rezultatov in določi povprečno vrednost kritičnega kota c. Nato določite lomni količnik n n za pleksi steklo z uporabo formule n n = 1 /sin s.
Napravo za študijo 1 lahko uporabimo tudi za prikaz, da je za svetlobne žarke, ki se širijo v gostejšem mediju (pleksi steklo) in vpadajo na vmesnik pleksi steklo-zrak pod koti, večjimi od kritičnega kota c, vpadni kot i enak kotu refleksije r.
Študija 2. Preverite zakon odboja svetlobe za vpadne kote, večje od kritičnega
Polkrožno ploščo iz pleksi stekla položite na velik kos belega papirja in previdno povlecite njen obris. Tako kot v prvem primeru poiščite razpolovišče O in zgradite normalo NO. Za pleksi steklo je kritični kot c = 42°, zato so vpadni koti i > 42° večji od kritičnega kota. S kotomerjem sestavimo žarke pod koti 45°, 50°, 60°, 70° in 80° na normalo NO.
Previdno postavite ploščo iz pleksi stekla nazaj v njen obris in usmerite svetlobni žarek iz svetlobnega vira vzdolž črte 45°. Žarek bo šel do točke O, se odbil in se pojavil na ločni strani plošče na drugi strani normale. Na odbitem žarku označimo tri točke P 1, P 2 in P 3. Ploščo začasno odstranimo in tri točke povežemo z ravno črto, ki naj poteka skozi točko O.
S kotomerom izmerite odbojni kot r med in odbitim žarkom ter rezultate zapišite v tabelo. Ploščo previdno postavite v njen obris in ponovite za kote 50°, 60°, 70° in 80° glede na normalo. Vrednost r zapišite v ustrezno mesto v tabeli rezultatov. Narišite graf odvisnosti odbojnega kota r od vpadnega kota i. Ravni črtni graf narisan v razponu vpadnih kotov od 45° do 80° bo zadostoval za prikaz, da je kot i enak kotu r.
PREDAVANJE 23 GEOMETRIJSKA OPTIKA
PREDAVANJE 23 GEOMETRIJSKA OPTIKA
1. Zakoni odboja in loma svetlobe.
2. Popolni notranji odboj. Optična vlakna.
3. Leče. Optična moč leče.
4. Aberacije leč.
5. Osnovni pojmi in formule.
6. Naloge.
Pri reševanju številnih problemov, povezanih s širjenjem svetlobe, lahko uporabite zakone geometrijske optike, ki temeljijo na ideji svetlobnega žarka kot črte, po kateri se širi energija svetlobnega vala. IN homogeno okolje svetlobni žarki naravnost. Geometrična optika je mejni primer valovne optike, saj valovna dolžina teži k nič (λ →0).
23.1. Zakoni odboja in loma svetlobe. Popolni notranji odboj, svetlobni vodi
Zakoni refleksije
Odboj svetlobe- pojav, ki se pojavi na meji med dvema medijema, zaradi česar svetlobni žarek spremeni smer svojega širjenja in ostane v prvem mediju. Narava odboja je odvisna od razmerja med dimenzijami (h) nepravilnosti zrcalne površine in valovno dolžino (λ) vpadno sevanje.
Difuzni odboj
Ko so nepravilnosti naključno locirane in so njihove velikosti enake valovni dolžini ali jo presegajo, difuzni odboj- sipanje svetlobe v vse možne smeri. Zaradi razpršenega odboja postanejo nesamosvetleča telesa vidna, ko se svetloba odbija od njihovih površin.
Zrcalna slika
Če je velikost nepravilnosti majhna v primerjavi z valovno dolžino (h<< λ), то возникает направленное, или ogledalo, odboj svetlobe (slika 23.1). V tem primeru se upoštevajo naslednji zakoni.
Vpadni žarek, odbiti žarek in normala na mejo med obema sredstvoma, narisana skozi vpadno točko žarka, ležijo v isti ravnini.
Odbojni kot je enak vpadnemu kotu:β = a.
riž. 23.1. Pot žarka pri zrcalnem odboju
Zakoni loma
Ko svetlobni žarek pade na mejo med dvema prozornima medijema, se razdeli na dva žarka: odbitega in lomljena(slika 23.2). Lomljeni žarek se širi v drugem mediju in spremeni svojo smer. Optična značilnost medija je absolutno
riž. 23.2. Pot žarkov med lomom
lomni količnik, ki enako razmerju hitrost svetlobe v vakuumu na hitrost svetlobe v tem mediju:
Smer lomljenega žarka je odvisna od razmerja lomnih količnikov obeh medijev. Izpolnjeni so naslednji lomni zakoni.
Vpadni žarek, lomljeni žarek in normala na mejo med obema sredstvoma, narisana skozi vpadno točko žarka, ležijo v isti ravnini.
Razmerje med sinusom vpadnega kota in sinusom lomnega kota je konstantna vrednost, ki je enaka razmerju absolutnih lomnih količnikov drugega in prvega medija:
23.2. Popolni notranji odboj. Optična vlakna
Oglejmo si prehod svetlobe iz medija z višjim lomnim količnikom n 1 (optično bolj gosto) v medij z nižjim lomnim količnikom n 2 (optično manj gosto). Slika 23.3 prikazuje žarke, ki vpadajo na mejo steklo-zrak. Za steklo je lomni količnik n 1 = 1,52; za zrak n 2 = 1,00.
riž. 23.3. Pojav popolnega notranjega odboja (n 1 > n 2)
Povečanje vpadnega kota vodi do povečanja lomnega kota, dokler lomni kot ne postane 90°. Z nadaljnjim povečanjem vpadnega kota se vpadni žarek ne lomi, ampak v celoti ki se odraža od vmesnika. Ta pojav se imenuje popolni notranji odboj. Opazimo ga pri padanju svetlobe iz gostejšega medija na mejo z manj gostim medijem in je sestavljen iz naslednjega.
Če vpadni kot presega mejni kot za te medije, potem do loma na vmesniku ne pride in se vpadna svetloba popolnoma odbije.
Mejni vpadni kot je določen z razmerjem
Vsota jakosti odbitega in lomljenega žarka je enaka jakosti vpadnega žarka. Z večanjem vpadnega kota se intenzivnost odbitega žarka povečuje, intenziteta lomljenega žarka pa se zmanjšuje in pri največjem vpadnem kotu postane enaka nič.
Optična vlakna
Pojav popolnega notranjega odboja se uporablja v upogljivih svetlobnih vodilih.
Če je svetloba usmerjena na konec tankega steklenega vlakna, obdanega z oblogo z nižjim kotom lomnega količnika, se bo svetloba širila vzdolž vlakna in doživela popoln odboj na vmesniku steklene obloge. To vlakno se imenuje svetlobni vodnik Zavoji svetlobnega vodnika ne ovirajo prehoda svetlobe
V sodobnih optičnih vlaknih je izguba svetlobe zaradi absorpcije zelo majhna (približno 10% na km), kar omogoča njihovo uporabo v optičnih komunikacijskih sistemih. V medicini se snopi tankih svetlobnih vodikov uporabljajo za izdelavo endoskopov, ki se uporabljajo za vizualni pregled votlih notranjih organov (slika 23.5). Število vlaken v endoskopu doseže milijon.
Prenos se izvaja z uporabo ločenega svetlobnega kanala, ki je nameščen v skupnem snopu lasersko sevanje z namenom terapevtskih učinkov na notranje organe.
riž. 23.4.Širjenje svetlobnih žarkov po svetlobnem vodniku
riž. 23.5. Endoskop
Obstajajo tudi naravni svetlobni vodniki. Na primer, pri zelnatih rastlinah ima steblo vlogo svetlobnega vodnika, ki dovaja svetlobo v podzemni del rastline. Matične celice tvorijo vzporedne stebre, ki spominjajo na zasnovo industrijskih svetlobnih vodnikov. če
Če tak stolpec osvetlite tako, da ga pregledate skozi mikroskop, boste videli, da njegove stene ostanejo temne, notranjost vsake celice pa je močno osvetljena. Globina dovoda svetlobe na ta način ne presega 4-5 cm, vendar je že tako kratek svetlobni vodnik dovolj, da osvetli podzemni del zelnate rastline.
23.3. Leče. Moč objektiva
Objektiv - prozorno telo, običajno omejeno z dvema sferičnima površinama, od katerih je vsaka lahko konveksna ali konkavna. Premica, ki poteka skozi središča teh krogel, se imenuje glavna optična os leče(beseda domov običajno izpuščeno).
Leča, katere največja debelina je znatno manj radijev oboje sferične površine, poklical tanek.
Ko gre skozi lečo, svetlobni žarek spremeni smer - se odkloni. Če pride do odstopanja v stran optična os, potem se imenuje leča zbiranje, drugače se imenuje leča razpršenost.
Vsak žarek, ki vpada na zbirno lečo vzporedno z optično osjo, gre po lomu skozi točko na optični osi (F), imenovano glavni poudarek(Sl. 23.6, a). Pri divergentni leči gre skozi žarišče nadaljevanje lomljeni žarek (slika 23.6, b).
Vsaka leča ima dve goriščni točki na obeh straneh. Imenuje se razdalja od žarišča do središča leče glavni goriščna razdalja (f).
riž. 23.6. Gorišče zbiralne (a) in divergentne (b) leče
V formulah za izračun se f vzame z znakom "+". zbiranje leče in z znakom »-« za disperzivno leče.
Recipročna vrednost goriščne razdalje se imenuje optična moč leče: D = 1/f. Enota za optično moč - dioptrija(dopter). 1 dioptrija je optična moč leče z goriščno razdaljo 1 m.
Optična moč tanka leča in njena goriščna razdalja odvisen od polmerov krogel in lomnega količnika materiala leče glede na okolju:
kjer so R 1, R 2 polmeri ukrivljenosti površin leč; n je lomni količnik materiala leče glede na okolje; znak "+" je vzet za konveksen površine, znak “-” pa za konkavno. Ena od površin je lahko ravna. V tem primeru vzemimo R = ∞ , 1/R = 0.
Leče se uporabljajo za ustvarjanje slik. Oglejmo si objekt, ki leži pravokotno na optično os zbiralne leče, in sestavimo sliko njegove vrhnje točke A. Tudi slika celotnega predmeta bo pravokotna na os leče. Glede na položaj predmeta glede na lečo sta možna dva primera loma žarkov, prikazana na sl. 23.7.
1. Če razdalja od predmeta do leče presega goriščno razdaljo f, potem žarki, ki jih oddaja točka A po prehodu skozi lečo sekajo v točki A", ki se imenuje dejanska slika. Dejanska slika je pridobljena z glavo navzdol.
2. Če je razdalja od predmeta do leče manjša od goriščne razdalje f, potem žarki, ki jih oddaja točka A po prehodu skozi lečo dis-
riž. 23.7. Realne (a) in namišljene (b) slike, ki jih daje zbiralna leča
hodijo in v točki A" se njuna nadaljevanja sekata. Ta točka se imenuje namišljena slika. Virtualna slika je pridobljena neposredno.
Razpršilna leča daje navidezno sliko predmeta v vseh njegovih položajih (slika 23.8).
riž. 23.8. Virtualna slika, ki jo daje divergentna leča
Za izračun slike se uporablja formula za leče, ki vzpostavlja povezavo med določbami točke in njo slike
kjer je f goriščna razdalja (za divergentno lečo je negativno), a 1 - razdalja od predmeta do leče; a 2 - razdalja od slike do leče (znak "+" je vzet za prava slika, znak "-" pa za virtualno sliko).
riž. 23.9. Parametri formule leče
Imenuje se razmerje med velikostjo slike in velikostjo predmeta linearno povečanje:
Linearno povečanje se izračuna po formuli k = a 2 / a 1. Objektiv (celo tanek) bo dal "pravilno" podobo, uboganje formula za leče, samo, če so izpolnjeni naslednji pogoji:
Lomni količnik leče ni odvisen od valovne dolžine svetlobe oz. enobarvni.
Pri pridobivanju slik z uporabo leč resnično predmeti, te omejitve praviloma niso izpolnjene: pride do disperzije; nekatere točke predmeta ležijo stran od optične osi; vpadni svetlobni žarki niso paraksialni, leča ni tanka. Vse to vodi do popačenje slike. Za zmanjšanje popačenja leč optični instrumenti sestavljen iz več leč, ki se nahajajo blizu druga druge. Optična moč takšne leče je enaka vsoti optičnih moči leč:
23.4. Aberacije leč
Aberacije- splošno ime za slikovne napake, ki nastanejo zaradi uporabe leč. Aberacije (iz latinskega "aberratio"- odklon), ki se pojavijo le v nemonokromatski svetlobi, imenujemo kromatsko. Vse druge vrste aberacij so enobarvno, saj njihova manifestacija ni povezana s kompleksnimi spektralna sestava prava svetloba.
1. Sferična aberacija- enobarvni aberacija, ki nastane zaradi dejstva, da zunanji (obrobni) deli leče močneje odbijajo žarke, ki prihajajo iz točkovnega vira, kot njen osrednji del. Posledično se oblikujejo periferni in osrednji del leče različne slike
(S 2 oziroma S" 2) točkovnega vira S 1 (slika 23.10). Zato se na katerem koli položaju zaslona slika na njem pojavi v obliki svetle točke.
Ta vrsta aberacije se odpravi z uporabo sistemov, sestavljenih iz konkavnih in konveksnih leč. riž. 23.10.
Sferična aberacija- enobarvni 2. Astigmatizem
aberacija, ki sestoji iz dejstva, da ima slika točke obliko eliptične lise, ki se na določenih položajih slikovne ravnine degenerira v segment. Astigmatizem poševnih žarkov
se pojavi, ko žarki, ki izhajajo iz točke, tvorijo pomembne kote z optično osjo. Na sliki 23.11 in točkovni vir se nahaja na sekundarni optični osi. V tem primeru se pojavita dve sliki v obliki segmentov ravnih črt, ki se nahajajo pravokotno drug na drugega v ravninah I in II. Sliko vira lahko dobimo samo v obliki zamegljene lise med ravninama I in II. optični sistem. Ta vrsta astigmatizma se pojavi, ko je simetrija optičnega sistema glede na svetlobni žarek porušena zaradi same zasnove sistema. S to aberacijo leče ustvarijo sliko, v kateri imajo konture in črte, usmerjene v različne smeri, različno ostrino. To opazimo pri cilindričnih lečah (slika 23.11, b).
Oblikuje se cilindrična leča linearna slika točkovni predmet.
riž. 23.11. Astigmatizem: poševni žarki (a); zaradi cilindričnosti leče (b)
V očesu se astigmatizem pojavi, ko pride do asimetrije v ukrivljenosti sistema leče in roženice. Za korekcijo astigmatizma se uporabljajo očala, ki imajo različne ukrivljenosti v različnih smereh.
3. Izkrivljanje(popačenje). Ko žarki, ki jih oddaja predmet, tvorijo velik kot z optično osjo, se zazna druga vrsta enobarvni aberacije - popačenje V tem primeru je kršen geometrijska podobnost med objektom in sliko. Razlog je v tem, da je v resnici linearna povečava, ki jo daje leča, odvisna od vpadnega kota žarkov. Kot rezultat, slika kvadratne mreže zavzame bodisi blazina-, oz v obliki soda pogled (slika 23.12).
Za boj proti popačenju je izbran sistem leč z nasprotnim popačenjem.
riž. 23.12. Izkrivljanje: a - v obliki blazine, b - v obliki soda
4. Kromatska aberacija se kaže v tem, da žarek bela svetloba, ki izhaja iz točke, daje svojo podobo v obliki mavričnega kroga, vijolični žarki se sekajo bližje leči kot rdeči (slika 23.13).
Vzrok za kromatsko aberacijo je odvisnost lomnega količnika snovi od valovne dolžine vpadne svetlobe (disperzija). Za odpravo te aberacije v optiki se uporabljajo leče iz stekel z različnimi disperzijami (akromati, apokromati).
riž. 23.13. Kromatska aberacija
23.5. Osnovni pojmi in formule
Nadaljevanje tabele
Konec mize
23.6. Naloge
1. Zakaj se zračni mehurčki svetijo v vodi?
odgovor: zaradi odboja svetlobe na meji voda-zrak.
2. Zakaj se žlica v tankostenskem kozarcu vode zdi povečana?
odgovor: Voda v kozarcu deluje kot valjasta zbiralna leča. Vidimo namišljeno povečano sliko.
3. Optična moč leče je 3 dioptrije. Kakšna je goriščna razdalja leče? Odgovor izrazi v cm.
rešitev
D = 1/f, f = 1/D = 1/3 = 0,33 m. odgovor: f = 33 cm.
4. Goriščni razdalji obeh leč sta enaki: f = +40 cm, f 2 = -40 cm.
6.
Kako lahko določite goriščno razdaljo zbiralne leče v jasnem vremenu?
rešitev
Razdalja od Sonca do Zemlje je tako velika, da so vsi žarki, ki vpadajo na lečo, vzporedni drug z drugim. Če na zaslonu dobite sliko sonca, bo razdalja od leče do zaslona enaka goriščni razdalji.
7. Za lečo z goriščno razdaljo 20 cm poiščite razdaljo do predmeta, pri kateri bo linearna velikost dejanske slike: a) dvakratna velikost predmeta; b) enako velikosti objekt; c) polovico velikosti predmeta.
8.
Optična moč leče za osebo z normalen vid enako 25 dioptrije. Lomni količnik 1,4. Izračunajte polmere ukrivljenosti leče, če je znano, da je en polmer ukrivljenosti 2-krat večji od drugega.
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 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
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)
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 relativni indikator lom ni vedno primerna lastnost za delo, ker je odvisna od hitrosti svetlobe v prvem in drugem mediju, je pa lahko takšnih kombinacij in kombinacij dveh medijev veliko (voda - zrak, steklo - diamant, glicerin). - alkohol, kozarec - voda itd.). 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 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 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 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, 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 popolnega notranjega odboja.
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 je enak kotu CAB pri 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.
