Полное отражение — Гипермаркет знаний

>> Полное отражение

§ 62 ПОЛНОЕ ОТРАЖЕНИЕ

При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например из воздуха в стекло или воду, 1 > 2 и, следовательно, согласно закону преломления (см. формулу (8.4)) показатель преломлениия n.1. Поэтому > (рис. 8.10): в результате преломления луч приближается к нормали к границе раздела сред.

Если же направить луч света в обратном направлении - из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль ранее преломленного луча (рис. 8.11), то закон преломления можно записать так:

Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды будет направлен по линии ранее падавшего луча, поэтому < , т. е. преломленный луч отклоняется на сей раз от нормали. По мере увеличения угла а угол преломления также увеличивается, оставаясь все время больше угла . Наконец, при некотором угле падения значение угла преломления приблизится к 90°, и преломленный луч будет направлен почти по границе раздела двух сред (рис. 8.12). Наибольшему возможному углу преломления = 90° соответствует угол падения 0 .

При > o преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света.

Для наблюдения полного отражения света можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис. 8.13). Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, а преломление - в соответствии с законом преломления (см. формулу (8.4)).

Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка усиливается, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90°. Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела двух сред (см. рис. 8.12), доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, увеличив угол падения до 0 . Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела двух сред, т. е. происходит полное отражение света.

Угол падения 0 ., соответствующий углу преломления 90°, называют предельным углом полного отражения. При sin =1 формула (8.8) принимает вид

Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения 0 . Для воды (n = 1,33) оно равно 48°35", для стекла (n = 1,5) принимает значение 41°51", а для алмаза (n = 2,42) составляет 24°40". Во всех случаях второй средой является воздух.

Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан воду и поднимем его несколько выше уровня глаз. Поверхность воды, если рассматривать ее снизу сквозь стенку, кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражения света.

Явление полного отрансения света используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон - свето водов. Световод представляет собой стеклянное воло1смо цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления.

За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути (рис. 8.14). Волокна собираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения (рис. 8.15). Жгуты из волокон используются, например, в медицине для исследования внутренних органов.

Согласно формуле (7.6) энергия, переносимая волной, а следовательно, и передаваемый объем информации пропорциональны четвертой степени частоты. Частота же световых волн в 10 5 -10 6 раз больше частоты радиоволн. Таким образом, с помощью световых волн можно передавать большой объем информации.

В последнее время волоконная оптика широко используется для быстрой передачи компьютерных сигналов. По волоконному кабелю передается модулированное лазерное излучение.

Полное отражение света показывает, какие богатые возможности для объяснения явлений распространения света заключены в законе преломления. Вначале полное отражение представляло собой лишь любопытное явление. Сейчас оно постепенно приводит к революции в способах передачи информации.

1. Чему равен предельный угол полного отражения на границе раздела сред алмаз - воздух !
2. Как называется телевизионная связь, которая основана на явлении полного отражения!

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1. Плоское зеркало повернули на угол = 17° вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала. На какой угол повернется отраженный от зеркала луч, если направление падающего луча осталось неизменным?

Решение. Пусть - первоначальный угол падения луча (рис. 8.16). По закону отражения угол отражения также равен , и, следовательно, угол между падающим лучом и отраженным лучом равен 2. При повороте зеркала на угол а перпендикуляр / к зеркалу, восставленный в точке падения, также повернется на угол и займет положение //. Значит, новый угол падения будет равен + . Таким же будет и новый угол отражения.

Поэтому угол, на который повернется отраженный луч

= ( + ) + - = 2 = 34° (см. рис. 8.16).

2. Определите, на какой угол отклоняется световой луч от своего первоначального направления при переходе из воздуха в воду, если угол падения = 75°.

Решение. Из рисунка 8.17 видно, что = - . Согласно закону преломления

3. Начертите ход лучей сквозь треугольную стеклянную призму, основанием которой является равнобедренный прямоугольный треугольник . Лучи падают на широкую грань перпендикулярно этой грани. Показатель преломления стекла равен 1,5.

Решение. Проходя через широкую грань, лучи не изменяют своего направления, так как угол падения равен нулю (рис. 8.18). На узкой грани АВ лучи полностью отражаются, так как угол падения равен 45° и, следовательно, больше предельного угла полного отражения для стекла, равного 42°. После полного отражения от левой грани лучи падают на правую грань, снова полностью отражаются и выходят из призмы по направлению, перпендикулярному широкой грани. Таким образом, направление пучка света изменяется на 180°. Такой ход лучей используется, например, в призматических биноклях.

4. Определите, во сколько раз истинная глубина водоема больше кажущейся, если смотреть по вертикали вниз.

Решение. Построим ход лучей, вышедших из точки S на дне водоема и попавших в глаз наблюдателя (рис. 8.19). Так как наблюдение ведется по вертикали, один из лучей SA направим перпендикулярно поверхности воды, другой SB - под малым углом к перпендикуляру, восставленному в точке В (при больших углах лучи не попадут в глаз). Точка S 1 пересечения луча SA и продолжения преломленного луча SB - мнимое изображение точки S.

Геометрическая оптика – раздел физики, в котором законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах (нормальных к волновым поверхностям линий, вдоль которых распространяется поток световой энергии).

Полное отражение света

Полное отражение света - явление, при котором луч, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается, не проникая во вторую среду.

Полное отражение света происходит при углах падения света на границу раздела сред, превышающих предельный угол полного отражения при распространении света из оптически более плотной среды в среду менее оптически плотную.

Явление полного отражения света в нашей жизни.

Это явление используется в оптоволоконной оптике. Свет, под определенным углом попадая в оптически прозрачную трубку, и многократно отражаясь от ее стенок изнутри выходит через другой ее конец (рис.5). Так передаются сигналы.

При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например из воздуха в стекло или воду,  1 > 2 ; и согласно закону преломления (1.4) показатель преломления n>1 , поэтому > (рис. 10, a): преломленный луч приближается к перпендикуляру к границе раздела сред.

Если направить луч света в обратном направлении – из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль бывшего преломленного луча (рис. 10, б), то закон преломления запишется так:

(1.8)

Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды пойдет по линии бывшего падающего луча, поэтому  < , т. е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла  угол преломления  растет, оставаясь всё время больше угла  . Наконец, при некотором угле падения значение угла преломления приблизится к 90 и преломленный луч пойдет почти по границе раздела сред (рис. 11). Наибольшему возможному углу преломления =90 соответствует угол паления  0 .

Попробуем сообразить, что произойдет при  > 0 . При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При  > 0 преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света .

Для наблюдения полного отражения можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис. 12). Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, a преломление – в соответствии с законом преломления (1.4).

Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка растет, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90. Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела (см.рис. 11), доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, сделав угол падения большим  0 . Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела, т. е. происходит полное отражение света.

На рисунке 13 изображен пучок лучей от источника, помещенного в воде недалеко от ее поверхности. Большая интенсивность света показана большей толщиной линии, изображающей соответствующий луч.

Угол падения 0 , соответствующий углу преломления 90, называют предельным углом полного отражения . При sin=1 формула (1.8) принимает вид

Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения  0 . Для воды (n=1,33) он оказывается равным 4835", для стекла (n=1,5) он принимает значение 4151", а для алмаза (n=2,42) этот угол составляет 2440". Во всех случаях второй средой является воздух.

Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. Нальем в стакан водуи поднимем его несколько выше уровня глаз. Поверхность воды при рассматривании ее снизу сквозь стенку кажется блестящей, словно посеребренной вследствие полного отражения света.

Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути (рис. 14).

По мере улучшения технологии изготовления длинных пучков волокон – световодов все шире начинает применяться связь (в том числе и телевизионная) с помощью световых лучей.

Волоконная оптика

раздел оптики, в к-ром рассматривается передача света и изображения по световодам и волноводам оптич. диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла в 50-х гг. 20 в.

В волоконно-оптич. деталях световые сигналы передаются с одной поверхности (торца световода) на другую (выходную) как совокупность

Поэлементная передача изображения волоконной деталью: 1 - изображение, поданное на входной торец; 2 - светопроводящая жила; 3 - изолирующая прослойка; 4 - мозаичное изображение, переданное на выходной торец.

элементов изображения, каждый из к-рых передаётся по своей световедущей жиле (рис.). В волоконных деталях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила к-рого (сердцевина) окружена стеклом-оболочкой из др. стекла с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи, падающие под соответствующими углами, претерпевают полное внутр. отражение и распространяются по световедущей жиле. Несмотря на множество таких отражений, потери в световодах обусловлены гл. обр. поглощением света в массе стекла жилы. При изготовлении световодов из особо чистых материалов удаётся снизить ослабление светового сигнала до неск. десятков и даже единиц дБ/км. Диаметр световедущих жил в деталях разл. назначений лежит в области от нескольких мкм до нескольких мм. Распространение света по световодам, диаметр к-рых велик по сравнению с длиной волны, происходит по законам геометрической оптики; по более тонким волокнам (порядка длины волны) распространяются лишь отд. типы волн или их совокупности, что рассматривается в рамках волновой оптики.

Для передачи изображения в В. о. применяются жёсткие многожильные световоды и жгуты с регулярной укладкой волокон. Кач-во передачи изображения определяется диаметром световедущих жил, их общим числом и совершенством изготовления. Любые дефекты световодов портят изображение. Обычно разрешающая способность волоконных жгутов составляет 10-50 лин./мм, а в жёстких многожильных световодах и спечённых из них деталей - до 100 лин./мм.

Изображение на входной торец жгута проецируется с помощью объектива. Выходной торец рассматривается через окуляр. Для увеличения или уменьшения действит. изображения применяются фоконы - пучки волокон с плавно увеличивающимся или уменьшающимся диаметром. Они концентрируют на выходном узком торце световой поток, падающий на широкий торец. При этом на выходе возрастают освещённость и наклон лучей. Повышение концентрации световой энергии возможно до тех пор, пока числовая апертура конуса лучей на выходе не достигнет числовой апертуры световода (её обычная величина 0,4-1). Это ограничивает соотношение входного и выходного радиусов фокона, к-рое практически не превосходит пяти. Широкое распространение получили также пластины, вырезанные поперёк из плотно спечённых волокон. Они служат фронтальными стёклами кинескопов и переносят изображение на их внеш. поверхность, что позволяет контактно его фотографировать. При этом до плёнки доходит осн. часть света, излучаемого люминофором, и освещённость на ней создаётся в десятки раз большая, чем при съёмке фотоаппаратом с объективом.

Световоды и др. волоконно-оптич. детали применяют в технике, медицине и во многих др. отраслях научных исследований. Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диам. 15-50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутр. полостей носоглотки, желудка, бронхов и т. д. В таких приборах свет от электрич. лампы собирается конденсором на входном торце световода или жгута и по нему подаётся в освещаемую полость. Использование жгута с регулярной укладкой стеклянных волокон (гибкий эндоскоп) позволяет видеть изображение стенок внутр. полостей, диагностировать заболевания и с помощью гибких инструментов выполнять простейшие хирургич. операции без вскрытия полости. Световоды с заданным переплетением применяют в скоростной киносъёмке, для регистрации треков яд. ч-ц, как преобразователи сканирования в фототелеграфировании и телевизионной измерит. технике, как преобразователи кода и как шифровальные устройства. Созданы активные (лазерные) в о л о к н а, работающие как квант. усилители и квант. генераторы света, предназначенные для быстродействующих вычислит. машин и выполнения ф-ций логич. элементов, ячеек памяти и др. Особо прозрачные тонкие волоконные световоды с затуханием в неск. дБ/км применяются как кабели телефонной и телевизионной связи как в пределах объекта (здание, корабль и т. п.), так и на расстоянии от него в десятки км. Волоконная связь отличается помехозащищённостью, малым весом линий передачи, позволяет сэкономить дорогостоящую медь и обеспечивает развязку электрич. цепей.

Волоконные детали изготовляются из особо чистых материалов. Из расплавов подходящих марок стёкол вытягиваются световод и волокно. Предложен новый оптич. материал - кристалловолокно, выращиваемое из расплава. Световодами в кристалло-волокне явл. нитевидные кристаллы, а прослойками - добавки, вводимые в расплав.

Рефрактометрия. Подробно объяснить ход опыта по определения показателя преломления прозрачной жидкости рефрактометром.
Рефрактометрия

Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
Показатель преломления n , представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (l = 589 нм) - n D 20 . Часто используют также линии спектра водорода С (l = 656 нм) и F (l = 486 нм). В случае газов необходимо также учитывать зависимость n от давления (указывать его или приводить данные к нормальному давлению).

В идеальных системах (образующихся без изменения объема и поляризуемости компонентов) зависимость показателя преломления от состава близка к линейной, если состав выражен в объемных долях (процентах)

n=n 1 V 1 +n 2 V 2 ,

где n, n 1 ,n 2 - показатели преломления смеси и компонентов,
V 1 иV 2 - объемные доли компонентов (V 1 +V 2 = 1).

Для рефрактометрии растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для растворов сахарозы, этанола и др.) утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции.

Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:

Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением количества частиц жидкости в единице объема и зависимостью поляризуемости молекул от температуры. Второй фактор становится существенным лишь при очень большом изменении температуры.
Температурный коэффициент показателя преломления пропорционален температурному коэффициенту плотности. Поскольку все жидкости при нагревании расширяются, то их показатели преломления уменьшаются при повышении температуры. Температурный коэффициент зависит от величины температуры жидкости, но в небольших температурных интервалах может считаться постоянным.
Для подавляющего большинства жидкостей температурный коэффициент лежит в узких пределах от –0,0004 до –0,0006 1/град. Важным исключением является вода и разбавленные водные растворы (–0,0001), глицерин (–0,0002), гликоль (–0,00026).
Линейная экстраполяция показателя преломления допустима на небольшие разности температур (10 – 20°С). Точное определение показателя преломления в широких температурных интервалах производится по эмпирическим формулам вида: n t =n 0 +at+bt 2 +…
Давление влияет на показатель преломления жидкостей значительно меньше, чем температура. При изменении давления на 1 атм. изменение n составляет для воды 1,48 ?10 -5 , для спирта 3,95 ?10 -5 , для бензола 4,8 ?10 -5 . То есть изменение температуры на 1°С влияет на показатель преломления жидкости примерно также, как изменение давления на 10 атм.

Обычно n жидких и твердых тел рефрактометрией определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах , в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять n D в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 -10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения n газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 -7) определения разностей n растворов. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.
Автоматические рефрактометры для непрерывной регистрации n в потоках жидкостей используют на производствах при контроле технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных хроматографов.

Отражение эл.-магн. излучения (в частности, света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. П. в. о. осуществляется, когда угол падения i превосходит нек-рый предельный (критический) угол iкр. При i>iкр преломление во вторую среду прекращается. Впервые П. в. о. описано нем. учёным И. Кеплером. После открытия Снелля закона преломления стало ясно, что в рамках геометрической оптики П. в. о.- прямое следствие этого закона: угол преломления j не может превышать 90° (рис.). Величина iкp определяется из условия sin iкр=1/n, где n - относит. сред. Значения n и, следовательно, iкр несколько отличаются для разных длин волн излучения (дисперсия света).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

Отражение эл.-магн. излучения (в частности, света) при его падении на границу двух прозрачных сред с показателями преломления и из среды с большим показателем преломления () под углом для к-рого Наим. угол падения при к-ром происходит П. в. о., наз. предельным (критическим) или углом полного отражения. Впервые П. в. о. описано И. Кеплером (J. Kepler) в 1600. Поток излучения, падающий при углах испытывает полное отражение от границ раздела, целиком возвращается в среду с т. о. коэф. отражения R = 1. В оптически менее плотной среде в области вблизи границы существует конечное значение эл.-магн. поля, однако поток энергии через границу отсутствует, т. к. перпендикулярная поверхности компонента Пойнтинга вектора, усреднённая по времени, равна нулю. Это означает, что энергия проходит через границу дважды (входит и выходит обратно) и распространяется лишь вдоль поверхности среды в плоскости падения. Глубина проникновения излучения в среду определяется как расстояние, на к-ром амплитуда эл.-магн. поля в оптически менее плотной среде убывает в раз. длины волны p угла Вблизи глубина проникновения наибольшая, с ростом угла вплоть до плавно спадает до пост. значения.

Поле эл.-магн. излучения в среде существенно отличается от поля проходящей поперечной волны, т. к. в среде компонента амплитуды электрич. вектора в направлении распространения волны не равна нулю. Все три х, у, z амплитуды волны имеют конечные значения при всех углах и в области могут значительно превышать по величине нач. значение амплитуды падающей волны (см. Нарушенное полное внутреннее отражение).

Схема распространения латеральной волны при полном внутреннем отражении вблизи критического угла пучка света с конечным поперечным сечением: 7 - падающий пучок; 2 - геометрически отражённый пучок; 3 - латеральная волна; Д - .

Процесс распространения эл.-магн. излучения при П. в. о. в случае ограниченных пучков сопровождается продольным и поперечным смещением падающего пучка. Величина продольного смещения зависит от поляризации пучка, угла падения величины и вблизи равна

Для излучения, поляризованного в плоскости падения (р-полярнзация),для излучения, поляризованного перпендикулярно

плоскости падения (s-пoляризация), = 1. Величина смещения пучка при П. в. о. коррелирует с глубиной проникновения эл.-магн. излучения в оптически менее плотную среду Величина смещения сравнима с глубиной проникновения и по порядку величины близка

При П. в. о. p- и s -компоненты поляризованного излучения испытывают различный по величине фаз, поэтому линейно поляризованное после отражения становится эллиптически поляризованным. Разность фаз р- и s -компонент определяется из выражения

Величина имеет минимум в области углов Подбирая подходящий угол падения и значение можно получить сдвиг фаз, равный для двух отражений величина сдвига удваивается. Такой приём используется в поляризац. устройствах (призма - ромб Френеля, см. Поляризационные приборы )для преобразования линейно поляризованного излучения в круговое.

Вследствие дифракции, обусловленной конечными размерами падающего пучка, при П. в. о. наряду с рассмотренным продольным смещением пучка наблюдается латеральная ("побочная") волна, распространяющаяся вдоль поверхности, к-рая играет роль своеобразного волновода (рис.). Латеральная волна возникает при угле, превышающем f кr всего на и распространяется на расстояние, на неск. порядков превышающее величину продольного смещения регулярной волны, имеющей интенсивность, близкую к единице. Интенсивности и пучков отражённой латеральной волны для р- и s-поляризованного излучения уменьшаются вдоль поверхности пропорционально кубу расстояния, на к-рое произошло смещение волны, и относятся между собой как В опыте с гелиево-кад-миевым лазером для границы вода - латеральная волна регистрировалась на расстоянии до 7 см. Для расстояния 3 см и = 441,6 нм интенсивность волны составляла от мощности падающего пучка света.

В отличие от селективного отражения металлов, к-рое может быть весьма высоким (но всегда коэф. отражения R < 1), при П. в. о. для прозрачных сред R = 1 для всех и не зависит практически от числа отражений. Следует, однако, отметить, что отражение от механически полированной поверхности из-за рассеяния в поверхностном слое чуть меньше единицы на величину Потери на рассеяние при П. в. о. от более совершенных границ раздела, напр. в волоконных световодах, ещё на неск. порядков меньше. Высокая отражат. способность границы в условиях П. в. о. широко используется в интегральной оптике, оптич. линиях связи, световодах и оптич. призмах. Высокая крутизна коэф. отражения вблизи f кр лежит в основе измерит. устройств, предназначенных для определения показателя преломления (см. Рефрактометр). Особенности конфигурации эл.-магн. поля в условиях П. в. о., а также свойства латеральной волны используются в физике твёрдого тела для исследования поверхностных возбуждённых колебаний (плаз-монов, поляритонов), находят широкое применение в спектроскопич. методах контроля поверхности на основе нарушенного П. в. о., комбинационного рассеяния света, люминесценции и для обнаружения весьма низких значений концентраций молекул и величин поглощения, вплоть до значений безразмерного показателя поглощения

Цели и задачи урока:

Изучить явление полного внутреннего отражения, получить выражение для предельного угла полного внутреннего отражения;
Продемонстрировать полное отражение с помощью прибора геометрической оптики;
Провести фронтальный эксперимент по наблюдению полного внутреннего отражения;
С помощью видеофрагмента показать применение этого явления.

Оборудование: лабораторные стаканы, пластмассовые стаканы от калориметра, пробирки, прибор геометрической оптики с осветителем, волоконно-оптическая лампа, видеокасета.

Ход урока

Ребята, мы на этом уроке продолжаем изучение законов распространения света. Давайте вспомним два закона прямолинейного распространения света (два ученика выходят к доске и рисуют). Пока ребята рисуют, ответы с места (что называется углом падения и отражения).

1. Угол отражения равен углу падения:

˂α = ˂γ

Падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости (Рисунок 1).

Рисунок 1

2. Падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:

Где n 1 и n 2 абсолютные показатели преломления (Рисунок 2).

Рисунок 2

Очень хорошо, теперь давайте решим задачу, когда луч света падает из оптически более плотной среды под большим углом (например, стекло n 1 = 1,5, угол падения 60°) в среду менее плотную (например, воздух n 2 = 1) (Рисунок 3). Найти синус угла преломления?

Рисунок 3

Необходимо, чтобы ученики обратили внимание на то, что в ответе получается sin β > 1, а этого быть не может.

Ученик, который решал задачу у доски, садится, а остальные должны выдвигать возможные варианты ошибок (например, ошибка в расчете, неверная формула и т.д.).

Вот перед нами встала проблема, как ее решить?

Я предлагаю обратиться к эксперименту, попробуем это явление объяснить опытным путем.

Перед нами прибор геометрической оптики (Рисунок 4). Он состоит из осветителя и круглого экрана с делениями. Возьмем стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью и укрепим его на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпала с центром диска. Почему полукруглый?

Рисунок 4

В точке А луч не преломляется, так как угол падения равен 0 (луч АВ распространяется по радиусу, т.е. перпендикулярно поверхности круга). Такая форма стекла позволяет получить преломление света только в одной точке (на выходе из стекла в воздух).

Начнем постепенно увеличивать угол падения, мы видим, как увеличивается угол преломления, при этом одновременно мы видим свет отраженного луча. Увеличивая угол падения, мы видим, что луч преломления пропал. Посмотрим под каким градусом расположен угол падения (приблизительно 45°).

Давайте повторим опыт еще раз. Уменьшая угол падения, мы видим, что появляется луч преломления, и обратите внимание, яркость отраженного луча уменьшается в то время, как растет яркость преломленного луча. Опять увеличим угол падения луча. Мы замечаем, что яркость (следовательно, энергия) отраженного луча растет, а яркость (энергия) преломленного луча падает.

Мы приблизились к отметке 45°, преломленный луч приблизился к 90° и исчез. Продолжаем увеличивать угол падения до 60°, как требовалось в условии задачи. Наблюдаем отсутствие преломленного луча. Значит мы можем записать ответ к задаче.

Ответ: не существует преломленного луча, весь свет полностью отразился. Итак, тема урока: «Полное отражение». Запишите, пожалуйста, в тетрадях. Выясним, при каком угле падения исчезает явление преломления (Рисунок 5).

Рисунок 5

Из формулы закона преломления выедем формулу закона полного отражения:

(при условии n 1 > n 2).

Угол α 0 - предельный угол полного отражения.

Из этого равенства можно найти значение предельного угла полного отражения некоторых сред. Часто свет распространяется из среды в воздух (n 2 = 1). См. таблицу.

Запишите в тетрадях: явление полного отражения наблюдается при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную, если угол падения α > α 0 .

Явление полного отражения легко наблюдать на простом опыте. На ваших столах стоят приборы. Поднимите лабораторный стакан с водой несколько выше уровня глаз. Поверхность воды при рассматривании ее снизу сквозь стенку кажется блестящей, словно посеребренной, вследствие полного отражения света.

Опыт с калориметром .

Стенки стакана и пробирки не влияют на ход лучей, т.к. очень тонкие. Если посмотреть на стакан с пробиркой сверху, мы видим часть пробирки, которая находится в воде, и кажется нам посеребренной (пробирка невидима) в следствии полного отражения света. Опустим в пробирку карандаш. Та часть карандаша, которая находится в посеребренной части пробирки, также невидима. Возьмем лабораторный стакан и нальем в пробирку пару капель воды. Мы замечаем появление маленькой части карандаша.

Постепенно увеличиваем объем воды в пробирке, карандаш полностью становится видимым. Среда стала однородной и прозрачной. Выполняется главный закон, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно (Рисунок 6).

Рисунок 6

А теперь открыли дневники и записали домашнее задание: § 62, № 1055-1057 из сборника задач по физике под редакцией А.П. Рымкевича.

А сейчас мы посмотрим видеофрагмент, который обобщит нашу сегодняшнюю тему урока (ГУП "Центрнаучфильм", Видеостудия "КВАРТ").

После фрагмента включить волоконно-оптическую лампу, которая наглядно демонстрирует рис.160 и рис. 161 в учебнике физика 11 класс под редакцией Г.Я.Мякишева.

Урок окончен, спасибо за внимание. До свидания.