Totale interne Reflexion

Innere Reflexion- das Phänomen der Reflexion elektromagnetischer Wellen an der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien, sofern die Welle von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex einfällt.

Unvollständige innere Reflexion- innere Reflexion, sofern der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel ist. Dabei teilt sich der Strahl in gebrochenen und reflektierten.

Totale interne Reflexion- innere Reflexion, sofern der Einfallswinkel einen bestimmten kritischen Winkel überschreitet. In diesem Fall wird die einfallende Welle vollständig reflektiert und der Wert des Reflexionskoeffizienten übersteigt seine höchsten Werte für polierte Oberflächen. Außerdem ist der Reflexionskoeffizient für Totalreflexion wellenlängenunabhängig.

Dieses optische Phänomen wird für ein breites Spektrum elektromagnetischer Strahlung einschließlich des Röntgenbereichs beobachtet.

Im Rahmen der geometrischen Optik ist die Erklärung des Phänomens trivial: Basierend auf dem Snellschen Gesetz und unter Berücksichtigung, dass der Brechungswinkel 90 ° nicht überschreiten kann, erhalten wir dies bei einem Einfallswinkel, dessen Sinus größer ist als das Verhältnis von kleineren Brechungsindex zum größeren Koeffizienten, sollte eine elektromagnetische Welle vollständig in das erste Medium reflektiert werden .

Gemäß der Wellentheorie des Phänomens dringt die elektromagnetische Welle dennoch in das zweite Medium ein – dort breitet sich die sogenannte „non-uniform wave“ aus, die exponentiell abklingt und keine Energie mit sich fortträgt. Die charakteristische Eindringtiefe einer inhomogenen Welle in das zweite Medium liegt in der Größenordnung der Wellenlänge.

Totale interne Lichtreflexion

Betrachten Sie die interne Reflexion am Beispiel zweier monochromatischer Strahlen, die auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien treffen. Strahlen fallen von einer Zone dichteren Mediums (in dunklerem Blau angezeigt) mit einem Brechungsindex zur Grenze mit einem weniger dichten Medium (in hellblau angezeigt) mit einem Brechungsindex.

Der rote Strahl fällt schräg , das heißt, an der Grenze der Medien gabelt es sich - es wird teilweise gebrochen und teilweise reflektiert. Ein Teil des Strahls wird schräg gebrochen.

Der grüne Strahl fällt und wird vollständig reflektiert src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.

Totale innere Reflexion in Natur und Technik

Reflexion von Röntgenstrahlen

Die Brechung von Röntgenstrahlen bei streifendem Einfall wurde erstmals von M. A. Kumakhov, dem Entwickler des Röntgenspiegels, formuliert und 1923 von Arthur Compton theoretisch begründet.

Andere Wellenphänomene

Der Nachweis der Brechung und damit des Effekts der Totalreflexion ist beispielsweise für Schallwellen an der Oberfläche und in der Masse einer Flüssigkeit beim Übergang zwischen Zonen unterschiedlicher Viskosität oder Dichte möglich.

Phänomene, die dem Effekt der Totalreflexion elektromagnetischer Strahlung ähneln, werden für Strahlen langsamer Neutronen beobachtet.

Wenn eine vertikal polarisierte Welle im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche fällt, wird der Effekt der vollständigen Brechung beobachtet - es wird keine reflektierte Welle geben.

Anmerkungen

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totale interne Reflexion- Reflexion von Licht von einem optisch weniger dichten Medium mit vollständiger Rückkehr zu dem Medium, von dem es fällt. [Sammlung empfohlener Begriffe. Ausgabe 79. Physikalische Optik. Akademie der Wissenschaften der UdSSR. Ausschuss für wissenschaftliche und technische Terminologie. 1970] Themen… … Handbuch für technische Übersetzer

GESAMTE INTERNE REFLEXION- elektromagnetische Wellen entstehen, wenn sie schräg auf die Grenzfläche zwischen 2 Medien fallen, wenn Strahlung von einem Medium mit hohem Brechungsindex n1 auf ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex n2 übergeht und der Einfallswinkel i den Grenzwinkel überschreitet ... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

totale interne Reflexion- elektromagnetische Wellen, treten bei schrägem Einfall an der Grenzfläche zwischen 2 Medien auf, wenn Strahlung von einem Medium mit hohem Brechungsindex n1 auf ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex n2 übergeht und der Einfallswinkel i den Grenzwinkel ipr überschreitet .. . Enzyklopädisches Wörterbuch

Wenn sich Wellen in einem Medium ausbreiten, auch elektromagnetische, um jederzeit eine neue Wellenfront zu finden, nutzen Huygens-Prinzip.

Jeder Punkt der Wellenfront ist eine Quelle von Sekundärwellen.

In einem homogenen isotropen Medium haben die Wellenflächen von Sekundärwellen die Form von Kugeln mit dem Radius v × Dt, wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Medium ist. Indem wir die Einhüllende der Wellenfronten der Sekundärwellen leiten, erhalten wir zu einem bestimmten Zeitpunkt eine neue Wellenfront (Abb. 7.1, a, b).

Gesetz der Reflexion

Mit dem Huygens-Prinzip kann man das Reflexionsgesetz elektromagnetischer Wellen an der Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika nachweisen.

Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel. Die einfallenden und reflektierten Strahlen liegen zusammen mit der Senkrechten zur Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika in derselben Ebene.Ð a = Ð b. (7.1)

Lassen Sie eine ebene Lichtwelle auf eine flache SD-Grenzfläche zwischen zwei Medien fallen (Strahlen 1 und 2, Abb. 7.2). Der Winkel a zwischen dem Strahl und der Senkrechten auf die LED wird als Einfallswinkel bezeichnet. Wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt die Front der einfallenden Welle OB den Punkt O erreicht, dann nach dem Huygens-Prinzip diesen Punkt

Reis. 7.2

beginnt eine Sekundärwelle auszustrahlen. Während der Zeit Dt = IN 1 /v erreicht der einfallende Strahl 2 t.O 1 . Zur gleichen Zeit erreicht die Front der Sekundärwelle nach Reflexion am Punkt O, die sich im selben Medium ausbreitet, die Punkte der Halbkugel, Radius OA \u003d v Dt \u003d BO 1. Die neue Wellenfront wird durch dargestellt Ebene AO ​​​​1, und die Ausbreitungsrichtung wird durch den Strahl OA dargestellt. Der Winkel b wird Reflexionswinkel genannt. Aus der Gleichheit der Dreiecke OAO 1 und OBO 1 folgt das Reflexionsgesetz: Der Einfallswinkel ist gleich dem Reflexionswinkel.

Gesetz der Brechung

Optisch homogenes Medium 1 ist gekennzeichnet durch , (7.2)

Verhältnis n 2 / n 1 \u003d n 21 (7,4)

namens

(7.5)

Für Vakuum n = 1.

Aufgrund der Dispersion (Lichtfrequenzen n » 10 14 Hz) ist z. B. für Wasser n = 1,33 und nicht n = 9 (e = 81), wie aus der Elektrodynamik für tiefe Frequenzen folgt. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im ersten Medium v ​​1 und im zweiten - v 2 ist,

Reis. 7.3

dann ist während der Zeit Dt der einfallenden ebenen Welle, die die Strecke AO 1 im ersten Medium passiert, AO 1 = v 1 Dt. Die im zweiten Medium (nach dem Huygens-Prinzip) angeregte Front der Sekundärwelle erreicht die Punkte der Halbkugel, deren Radius OB = v 2 Dt ist. Die neue Front der sich im zweiten Medium ausbreitenden Welle wird durch die Ebene BO 1 (Abb. 7.3) und ihre Ausbreitungsrichtung durch die Strahlen OB und O 1 C (senkrecht zur Wellenfront) dargestellt. Winkel b zwischen dem Strahl OB und der Normalen zur Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika am Punkt O wird Brechungswinkel genannt. Aus den Dreiecken OAO 1 und OBO 1 folgt, dass AO 1 \u003d OO 1 sin a, OB \u003d OO 1 sin b.

Ihre Haltung drückt Gesetz der Brechung(Gesetz Snell):

. (7.6)

Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist gleich dem relativen Brechungsindex der beiden Medien.

Totale interne Reflexion

Reis. 7.4

Nach dem Brechungsgesetz kann man an der Grenzfläche zwischen zwei Medien beobachten totale interne Reflexion, wenn n 1 > n 2, d. h. Ðb > Ða (Abb. 7.4). Daher gibt es einen solchen Grenzeinfallswinkel Ða pr bei Ðb = 90 0 . Dann nimmt das Brechungsgesetz (7.6) folgende Form an:

Sünde a pr \u003d, (Sünde 90 0 \u003d 1) (7.7)

Bei weiterer Vergrößerung des Einfallswinkels Ða > Ða pr wird das Licht an der Grenzfläche zwischen zwei Medien vollständig reflektiert.

Ein solches Phänomen wird genannt totale interne Reflexion und in der Optik weit verbreitet, um beispielsweise die Richtung von Lichtstrahlen zu ändern (Abb. 7.5, a, b).

Es wird in Teleskopen, Ferngläsern, Faseroptiken und anderen optischen Instrumenten verwendet.

Bei klassischen Wellenprozessen, wie dem Phänomen der Totalreflexion elektromagnetischer Wellen, werden ähnliche Phänomene wie der Tunneleffekt in der Quantenmechanik beobachtet, der mit den Korpuskularwelleneigenschaften von Teilchen zusammenhängt.

Tatsächlich wird beim Übergang von Licht von einem Medium zum anderen eine Lichtbrechung beobachtet, die mit einer Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Medien verbunden ist. An der Grenzfläche zwischen zwei Medien wird ein Lichtstrahl in zwei Teile geteilt: gebrochen und reflektiert.

Ein Lichtstrahl fällt senkrecht auf die Fläche 1 eines rechteckigen gleichschenkligen Glasprismas und ohne Brechung auf die Fläche 2, es wird Totalreflexion beobachtet, da der Einfallswinkel (Ða = 45 0) des Strahls auf der Fläche 2 beträgt größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion (für Glas n 2 = 1,5; Ða pr = 42 0).

Befindet sich dasselbe Prisma in einem bestimmten Abstand H ~ l/2 von Fläche 2, so tritt der Lichtstrahl durch Fläche 2 * und verlässt das Prisma durch Fläche 1 * parallel zu dem auf Fläche 1 einfallenden Strahl. Die Intensität J des Der durchgelassene Lichtstrom nimmt mit zunehmendem Abstand h zwischen den Prismen gemäß dem Gesetz exponentiell ab:

,

wobei w eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür ist, dass der Strahl in das zweite Medium gelangt; d ein vom Brechungsindex der Substanz abhängiger Koeffizient ist; l ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts

Daher ist das Eindringen von Licht in den "verbotenen" Bereich eine optische Analogie zum Quantentunneleffekt.

Das Phänomen der Totalreflexion ist in der Tat vollständig, da hier die gesamte Energie des einfallenden Lichts an der Grenzfläche zwischen zwei Medien reflektiert wird als beispielsweise an der Oberfläche von Metallspiegeln. Anhand dieses Phänomens lässt sich eine weitere Analogie zwischen der Brechung und Reflexion von Licht einerseits und der Vavilov-Cherenkov-Strahlung andererseits verfolgen.

WELLENINTERFERENZ

7.2.1. Die Rolle von Vektoren und

In der Praxis können sich in realen Medien mehrere Wellen gleichzeitig ausbreiten. Als Ergebnis der Hinzufügung von Wellen werden eine Reihe interessanter Phänomene beobachtet: Interferenz, Beugung, Reflexion und Brechung von Wellen usw.

Diese Wellenphänomene sind nicht nur für mechanische Wellen charakteristisch, sondern auch für elektrische, magnetische, Licht usw. Alle Elementarteilchen weisen auch Welleneigenschaften auf, was durch die Quantenmechanik nachgewiesen wurde.

Eines der interessantesten Wellenphänomene, das beobachtet wird, wenn sich zwei oder mehr Wellen in einem Medium ausbreiten, nennt man Interferenz. Optisch homogenes Medium 1 ist gekennzeichnet durch Absoluter Brechungsindex , (7.8)

wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist; v 1 - die Lichtgeschwindigkeit im ersten Medium.

Medium 2 wird durch den absoluten Brechungsindex charakterisiert

wobei v 2 die Lichtgeschwindigkeit im zweiten Medium ist.

Verhältnis (7.10)

namens der relative Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten. Für transparente Dielektrika, wo m = 1, unter Verwendung der Maxwell-Theorie, oder

wobei e 1 , e 2 die Dielektrizitätskonstanten des ersten und zweiten Mediums sind.

Für Vakuum ist n = 1. Aufgrund der Dispersion (Lichtfrequenzen n » 10 14 Hz) z. B. für Wasser n = 1,33 und nicht n = 9 (e = 81), wie aus der Elektrodynamik für tiefe Frequenzen folgt. Licht sind elektromagnetische Wellen. Daher wird das elektromagnetische Feld durch die Vektoren und bestimmt, die die Stärken der elektrischen bzw. magnetischen Felder charakterisieren. Bei vielen Prozessen der Wechselwirkung von Licht mit Materie, wie der Wirkung von Licht auf die Sehorgane, Fotozellen und andere Geräte, kommt jedoch dem Vektor, der in der Optik als Lichtvektor bezeichnet wird, die entscheidende Rolle zu.

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in verschiedenen Medien gehorcht den Gesetzen der Reflexion und Brechung. Aus diesen Gesetzmäßigkeiten folgt unter bestimmten Bedingungen ein interessanter Effekt, der in der Physik als Totalreflexion des Lichts bezeichnet wird. Schauen wir uns genauer an, was dieser Effekt ist.

Reflexion und Brechung

Bevor wir direkt zur Betrachtung der inneren Totalreflexion des Lichts übergehen, ist es notwendig, die Prozesse der Reflexion und Brechung zu erläutern.

Unter Reflexion versteht man eine Änderung der Bewegungsrichtung eines Lichtstrahls im gleichen Medium beim Auftreffen auf eine Grenzfläche. Richtet man beispielsweise von einem Laserpointer auf einen Spiegel, kann man den beschriebenen Effekt beobachten.

Brechung ist wie Reflexion eine Richtungsänderung der Lichtbewegung, jedoch nicht im ersten, sondern im zweiten Medium. Das Ergebnis dieses Phänomens ist eine Verzerrung der Umrisse von Objekten und ihrer räumlichen Anordnung. Ein gängiges Beispiel für Brechung ist das Brechen eines Bleistifts oder Kugelschreibers, wenn er/sie in ein Glas Wasser gestellt wird.

Brechung und Reflexion sind miteinander verwandt. Sie sind fast immer zusammen vorhanden: Ein Teil der Energie des Strahls wird reflektiert und der andere Teil wird gebrochen.

Beide Phänomene sind das Ergebnis der Anwendung des Fermatschen Prinzips. Er behauptet, dass Licht entlang einer Flugbahn zwischen zwei Punkten wandert, die ihn am wenigsten Zeit in Anspruch nehmen wird.

Da Reflexion ein Effekt ist, der in einem Medium auftritt, und Brechung in zwei Medien auftritt, ist es für letzteres wichtig, dass beide Medien für elektromagnetische Wellen durchlässig sind.

Das Konzept des Brechungsindex

Der Brechungsindex ist eine wichtige Größe zur mathematischen Beschreibung der betrachteten Phänomene. Der Brechungsindex eines bestimmten Mediums wird wie folgt bestimmt:

Wobei c und v die Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum bzw. in Materie sind. Der Wert von v ist immer kleiner als c, also ist der Exponent n größer als eins. Der dimensionslose Koeffizient n gibt an, wie viel Licht in einem Stoff (Medium) dem Licht im Vakuum hinterherhinkt. Der Unterschied zwischen diesen Geschwindigkeiten führt zum Auftreten des Brechungsphänomens.

Die Lichtgeschwindigkeit in Materie korreliert mit deren Dichte. Je dichter das Medium ist, desto schwieriger ist es für Licht, sich darin zu bewegen. Beispielsweise ist für Luft n = 1,00029, also fast wie für Vakuum, für Wasser n = 1,333.

Reflexionen, Brechung und ihre Gesetze

Ein markantes Beispiel für das Ergebnis der Totalreflexion sind die glänzenden Oberflächen eines Diamanten. Der Brechungsindex für einen Diamanten beträgt 2,43, so dass viele Lichtstrahlen, die auf einen Edelstein treffen, mehrere Totalreflexionen erfahren, bevor sie ihn verlassen.

Das Problem der Bestimmung des kritischen Winkels θc für Diamant

Betrachten wir ein einfaches Problem, bei dem wir zeigen, wie die obigen Formeln verwendet werden. Es muss berechnet werden, wie stark sich der Grenzwinkel der Totalreflexion ändert, wenn ein Diamant aus Luft in Wasser gebracht wird.

Nachdem wir in der Tabelle nach den Werten für die Brechungsindizes der angegebenen Medien gesucht haben, schreiben wir sie aus:

• für Luft: n 1 = 1,00029;
• für Wasser: n 2 = 1,333;
• für Diamant: n 3 = 2,43.

Der kritische Winkel für ein Diamant-Luft-Paar ist:

θ c1 \u003d arcsin (n 1 / n 3) \u003d arcsin (1,00029 / 2,43) ≈ 24,31 o.

Wie Sie sehen können, ist der kritische Winkel für dieses Medienpaar ziemlich klein, das heißt, nur die Strahlen können den Diamanten in die Luft lassen, die näher an der Normalen als 24,31 ° liegen.

Für den Fall eines Diamanten im Wasser erhalten wir:

θ c2 \u003d arcsin (n 2 / n 3) \u003d arcsin (1,333 / 2,43) ≈ 33,27 o.

Die Erhöhung des kritischen Winkels war:

Δθ c \u003d θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o \u003d 8,96 o.

Diese leichte Erhöhung des kritischen Winkels für die Totalreflexion von Licht im Diamanten führt dazu, dass er im Wasser fast genauso glitzert wie in Luft.

Auf dem Bild azeigt einen normalen Strahl, der durch die Luft-Plexiglas-Grenzfläche geht und die Plexiglasplatte verlässt, ohne irgendeine Ablenkung zu erfahren, wenn er durch die zwei Grenzflächen zwischen dem Plexiglas und der Luft geht. Auf dem Bild b zeigt einen Lichtstrahl, der normalerweise ohne Ablenkung in eine halbkreisförmige Platte eintritt, aber einen Winkel y mit der Normalen am Punkt O innerhalb der Plexiglasplatte bildet. Wenn der Strahl ein dichteres Medium (Plexiglas) verlässt, nimmt seine Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem weniger dichten Medium (Luft) zu. Daher bricht es und bildet einen Winkel x in Bezug auf die Normale in der Luft, der größer als y ist.



Basierend auf der Tatsache, dass n \u003d sin (der Winkel, den der Strahl mit der Normalen in der Luft bildet) / sin (der Winkel, den der Strahl mit der Normalen im Medium bildet), Plexiglas n n \u003d sin x / sin y. Wenn mehrere x- und y-Messungen durchgeführt werden, kann der Brechungsindex des Plexiglases berechnet werden, indem die Ergebnisse für jedes Wertepaar gemittelt werden. Der Winkel y kann vergrößert werden, indem die Lichtquelle entlang eines Kreisbogens bewegt wird, der im Punkt O zentriert ist.

Dadurch wird der Winkel x vergrößert, bis die in der Abbildung dargestellte Position erreicht ist. in, d. h. bis x gleich 90 o wird. Es ist klar, dass der Winkel x nicht größer sein kann. Der Winkel, den der Strahl nun mit der Normalen im Inneren des Plexiglases bildet, heißt Grenz- oder Grenzwinkel mit(Dies ist der Einfallswinkel an der Grenze von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium, wenn der Brechungswinkel in einem weniger dichten Medium 90 ° beträgt).

Normalerweise wird ein schwacher reflektierter Strahl sowie ein heller Strahl beobachtet, der entlang der geraden Kante der Platte gebrochen wird. Dies ist eine Folge der teilweisen internen Reflexion. Beachten Sie auch, dass bei Verwendung von weißem Licht das entlang der geraden Kante erscheinende Licht in die Farben des Spektrums zerlegt wird. Wenn die Lichtquelle weiter um den Bogen herum vorgeschoben wird, wie in der Abbildung G, so dass I innerhalb des Plexiglases größer als der Grenzwinkel c wird und an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien keine Brechung auftritt. Stattdessen erfährt der Strahl eine Totalreflexion unter einem Winkel r in Bezug auf die Normale, wobei r = i.

Passieren totale interne Reflexion, muss der Einfallswinkel i in einem dichteren Medium (Plexiglas) gemessen werden und größer sein als der Grenzwinkel c. Beachten Sie, dass das Reflexionsgesetz auch für alle Einfallswinkel gilt, die größer als der Grenzwinkel sind.

Kritischer Winkel eines Diamanten beträgt nur 24°38". Sein "Funkeln" hängt somit von der Leichtigkeit ab, mit der mehrfache interne Totalreflexion auftritt, wenn es mit Licht beleuchtet wird, was weitgehend vom geschickten Schneiden und Polieren abhängt, um diesen Effekt zu verstärken. Es wird festgestellt, dass n = 1 /sin s, so dass eine genaue Messung des kritischen Winkels c n bestimmt.

Studie 1. Bestimmen Sie n für Plexiglas, indem Sie den kritischen Winkel finden

Legen Sie eine halbkreisförmige Plexiglasplatte in die Mitte eines großen weißen Blattes Papier und zeichnen Sie die Umrisse sorgfältig nach. Finden Sie den Mittelpunkt O der geraden Kante der Platte. Konstruieren Sie mit dem Winkelmesser ein normales NO senkrecht zu dieser geraden Kante am Punkt O. Positionieren Sie die Platte in ihrem Umriss neu. Bewegen Sie die Lichtquelle um den Bogen links von NO und richten Sie dabei den einfallenden Strahl auf Punkt O. Wenn der gebrochene Strahl wie in der Abbildung gezeigt der geraden Kante folgt, markieren Sie den Weg des einfallenden Strahls mit drei Punkten P 1 , P 2 und P 3 .



Entfernen Sie vorübergehend die Platte und verbinden Sie diese drei Punkte mit einer geraden Linie, die durch O verlaufen sollte. Messen Sie mit einem Winkelmesser den kritischen Winkel c zwischen dem gezeichneten einfallenden Strahl und der Normalen. Setzen Sie die Platte wieder vorsichtig in ihren Umriss und wiederholen Sie das, was Sie zuvor getan haben, aber bewegen Sie diesmal die Lichtquelle um den Bogen rechts von NO und richten Sie den Strahl kontinuierlich auf Punkt O. Tragen Sie die beiden gemessenen Werte c in die Ergebnisse ein Tabelle und bestimmen Sie den Mittelwert des kritischen Winkels c. Bestimmen Sie dann den Brechungsindex n n für das Plexiglas mit der Formel n n = 1 /sin s.


Das Forschungsgerät 1 kann auch verwendet werden, um zu zeigen, dass für Lichtstrahlen, die sich in einem dichteren Medium (Plexiglas) ausbreiten und unter Winkeln größer als der Grenzwinkel c auf die Grenzfläche "Plexiglas - Luft" einfallen, der Einfallswinkel i gleich ist die Winkelreflexionen r.

Studie 2. Überprüfen Sie das Gesetz der Lichtreflexion für Einfallswinkel, die größer als der Grenzwinkel sind

Lege eine halbkreisförmige Plexiglasplatte auf ein großes weißes Blatt Papier und zeichne ihre Umrisse sorgfältig nach. Finde wie im ersten Fall den Mittelpunkt O und bilde das normale NO. Für Plexiglas ist der Grenzwinkel c = 42°, daher sind die Einfallswinkel i > 42° größer als der Grenzwinkel. Konstruieren Sie mit einem Winkelmesser Strahlen in Winkeln von 45°, 50°, 60°, 70° und 80° zur NO-Normale.

Setzen Sie die Plexiglasplatte wieder vorsichtig in ihren Umriss und richten Sie den Lichtstrahl von der Lichtquelle entlang der 45°-Linie. Der Strahl geht zu Punkt O, wird reflektiert und erscheint von der bogenförmigen Seite der Platte auf der anderen Seite der Normalen. Markieren Sie drei Punkte P 1 , P 2 und P 3 auf dem reflektierten Strahl. Entfernen Sie vorübergehend die Platte und verbinden Sie die drei Punkte mit einer geraden Linie, die durch Punkt O verlaufen sollte.



Messen Sie mit einem Winkelmesser den Reflexionswinkel r zwischen und dem reflektierten Strahl und tragen Sie die Ergebnisse in eine Tabelle ein. Positionieren Sie die Platte vorsichtig in ihrem Umriss und wiederholen Sie dies für die 50°-, 60°-, 70°- und 80°-Winkel zur Normalen. Schreiben Sie den Wert von r an die entsprechende Stelle in der Ergebnistabelle. Tragen Sie den Reflexionswinkel r gegen den Einfallswinkel i auf. Eine über einen Bereich von Einfallswinkeln von 45° bis 80° aufgetragene gerade Linie reicht aus, um zu zeigen, dass der Winkel i gleich dem Winkel r ist.

Der Grenzwinkel der Totalreflexion ist der Einfallswinkel des Lichts an der Grenzfläche zwischen zwei Medien, der einem Brechungswinkel von 90 Grad entspricht.

Faseroptik ist ein Zweig der Optik, der die physikalischen Phänomene untersucht, die in optischen Fasern auftreten und auftreten.

4. Ausbreitung von Wellen in einem optisch inhomogenen Medium. Erklärung der Krümmung der Strahlen. Luftspiegelungen. Astronomische Refraktion. Inhomogenes Medium für Funkwellen.

Mirage ist ein optisches Phänomen in der Atmosphäre: die Reflexion von Licht an der Grenze zwischen stark unterschiedlichen Luftschichten in der Dichte. Eine solche Reflexion besteht für einen Betrachter darin, dass zusammen mit einem entfernten Objekt (oder einem Ausschnitt des Himmels) dessen imaginäres, relativ zum Objekt verschobenes Abbild sichtbar wird. Luftspiegelungen werden in untere, unter dem Objekt sichtbare, obere, über dem Objekt und seitliche Luftspiegelungen unterteilt.

minderwertige Fata Morgana

Tritt auf, wenn ein sehr großer vertikaler Temperaturgradient (mit der Höhe fallend) über einer überhitzten flachen Oberfläche, oft einer Wüste oder einer asphaltierten Straße, vorhanden ist. Das imaginäre Bild des Himmels erzeugt die Illusion von Wasser auf der Oberfläche. So wirkt die Straße, die an einem heißen Sommertag in die Ferne führt, nass.

überlegene Fata Morgana

Es wird über der kalten Erdoberfläche mit einer Inversionstemperaturverteilung beobachtet (es wächst mit seiner Höhe).

Fata Morgana

Komplexe Phänomene einer Fata Morgana mit einer starken Verzerrung des Erscheinungsbilds von Objekten werden Fata Morgana genannt.

volumetrische Fata Morgana

In den Bergen ist es unter bestimmten Bedingungen sehr selten, dass man das „verzerrte Ich“ aus ziemlicher Nähe sehen kann. Dieses Phänomen wird durch das Vorhandensein von "stehendem" Wasserdampf in der Luft erklärt.

Astronomische Brechung - das Phänomen der Brechung von Lichtstrahlen von Himmelskörpern beim Durchgang durch die Atmosphäre / Da die Dichte planetarer Atmosphären immer mit der Höhe abnimmt, erfolgt die Lichtbrechung so, dass mit ihrer Konvexität der Strahl insgesamt gekrümmt wird Fälle stehen vor dem Zenit. Insofern "hebt" die Brechung die Bilder von Himmelskörpern immer über ihre wahre Position hinaus.

Die Brechung verursacht eine Reihe von optisch-atmosphärischen Effekten auf der Erde: eine Zunahme Längengrad des Tages aufgrund der Tatsache, dass die Sonnenscheibe aufgrund der Brechung einige Minuten früher über dem Horizont aufgeht, als die Sonne aufgrund geometrischer Überlegungen aufgehen müsste; Abflachung der sichtbaren Scheiben von Mond und Sonne in Horizontnähe aufgrund der Tatsache, dass der untere Rand der Scheiben durch Brechung höher ansteigt als der obere; Funkeln von Sternen usw. Aufgrund der unterschiedlichen Brechung von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen (blaue und violette Strahlen weichen stärker ab als rote) kommt es in Horizontnähe zu einer scheinbaren Färbung von Himmelskörpern.

5. Das Konzept einer linear polarisierten Welle. Polarisation des natürlichen Lichts. unpolarisierte Strahlung. dichroitische Polarisatoren. Polarisator und Lichtanalysator. Malus' Gesetz.

Wellenpolarisation- das Phänomen der Verletzung der Symmetrie der Verteilung von Störungen in quer Welle (z. B. die Stärke elektrischer und magnetischer Felder in elektromagnetischen Wellen) relativ zu ihrer Ausbreitungsrichtung. BEIM längs In einer Welle kann keine Polarisation entstehen, da Störungen bei diesem Wellentyp immer mit der Ausbreitungsrichtung zusammenfallen.

linear - Schwingungen der Störung treten in einer Ebene auf. In diesem Fall spricht man von Ebene polarisiert Welle";

kreisförmig - das Ende des Amplitudenvektors beschreibt einen Kreis in der Schwingungsebene. Abhängig von der Drehrichtung des Vektors, Rechts oder links.

Polarisation von Licht ist der Prozess der Rationalisierung der Schwingungen des elektrischen Feldstärkevektors einer Lichtwelle, wenn Licht bestimmte Substanzen durchdringt (während der Brechung) oder wenn ein Lichtfluss reflektiert wird.

Der dichroitische Polarisator enthält einen Film, der mindestens eine dichroitische organische Substanz enthält, deren Moleküle oder Fragmente von Molekülen eine planare Struktur haben. Zumindest ein Teil des Films hat eine kristalline Struktur. Die dichroitische Substanz weist mindestens ein Maximum der spektralen Absorptionskurve in den Spektralbereichen von 400 - 700 nm und/oder 200 - 400 nm und 0,7 - 13 µm auf. Bei der Herstellung eines Polarisators wird ein Film, der eine dichroitische organische Substanz enthält, auf das Substrat aufgebracht, mit einem Orientierungseffekt versehen und getrocknet. Dabei werden die Bedingungen zum Aufbringen des Films sowie die Art und Größe des Orientierungseffekts so gewählt, dass der Ordnungsparameter des Films mindestens ein Maximum auf der spektralen Absorptionskurve im Spektralbereich von 0,7 - 13 μm aufweist einen Wert von mindestens 0,8. Die Kristallstruktur zumindest eines Teils des Films ist ein dreidimensionales Kristallgitter, das durch dichroitische organische Moleküle gebildet wird. WIRKUNG: Erweiterung des Spektralbereichs des Polarisatorbetriebes bei gleichzeitiger Verbesserung seiner Polarisationseigenschaften.

Das Malus-Gesetz ist ein physikalisches Gesetz, das die Abhängigkeit der Intensität von linear polarisiertem Licht nach dem Durchgang durch einen Polarisator vom Winkel zwischen den Polarisationsebenen des einfallenden Lichts und dem Polarisator ausdrückt.

wo ich 0 - Intensität des auf den Polarisator einfallenden Lichts, ich ist die Intensität des Lichts, das aus dem Polarisator kommt, k ein- Transparenzkoeffizient des Polarisators.

6. Das Brewster-Phänomen. Fresnelsche Formeln für den Reflexionsfaktor für Wellen, deren elektrischer Vektor in der Einfallsebene liegt und für Wellen, deren elektrischer Vektor senkrecht zur Einfallsebene steht. Abhängigkeit der Reflexionskoeffizienten vom Einfallswinkel. Der Polarisationsgrad reflektierter Wellen.

Das Brewstersche Gesetz ist ein optisches Gesetz, das die Beziehung des Brechungsindex zu einem solchen Winkel ausdrückt, bei dem das von der Grenzfläche reflektierte Licht in einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene vollständig polarisiert wird und der gebrochene Strahl darin teilweise polarisiert wird Einfallsebene, und die Polarisation des gebrochenen Strahls erreicht ihren größten Wert. Es ist leicht festzustellen, dass in diesem Fall der reflektierte und der gebrochene Strahl senkrecht aufeinander stehen. Der entsprechende Winkel wird als Brewster-Winkel bezeichnet. Brewstersches Gesetz: , wo n 21 - Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten, θ Br ist der Einfallswinkel (Brewster-Winkel). Mit den Amplituden der einfallenden (U down) und reflektierten (U ref) Wellen in der KBV-Linie hängt es zusammen durch die Beziehung:

K bv \u003d (U-Pad - U neg) / (U-Pad + U neg)

Durch den Spannungsreflexionskoeffizienten (K U) wird die KBV wie folgt ausgedrückt:

K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Bei rein aktiver Last ist KBV gleich:

K bv \u003d R / ρ bei R< ρ или

K bv = ρ / R bei R ≥ ρ

wobei R der aktive Widerstand der Last ist, ρ der Wellenwiderstand der Leitung ist

7. Das Konzept der Lichtinterferenz. Die Addition zweier inkohärenter und kohärenter Wellen, deren Polarisationslinien zusammenfallen. Abhängigkeit der Intensität der resultierenden Welle bei der Addition zweier kohärenter Wellen von der Differenz ihrer Phasen. Das Konzept des geometrischen und optischen Unterschieds im Wellengang. Allgemeine Bedingungen für die Einhaltung von Maxima und Minima der Interferenz.

Lichtinterferenz ist eine nichtlineare Addition der Intensitäten von zwei oder mehr Lichtwellen. Begleitet wird dieses Phänomen von Intensitätsmaxima und -minima, die sich räumlich abwechseln. Seine Verteilung wird als Interferenzmuster bezeichnet. Wenn Licht stört, wird Energie im Raum umverteilt.

Wellen und die sie anregenden Quellen werden als kohärent bezeichnet, wenn die Phasendifferenz der Wellen nicht von der Zeit abhängt. Wellen und die sie anregenden Quellen werden als inkohärent bezeichnet, wenn sich die Phasendifferenz der Wellen mit der Zeit ändert. Formel für Differenz:

, wo , ,

8. Labormethoden zur Beobachtung von Lichtinterferenz: Young-Experiment, Fresnel-Biprisma, Fresnel-Spiegel. Berechnung der Positionen von Interferenzmaxima und -minima.

Jungs Experiment - Im Experiment wird ein Lichtstrahl auf eine undurchsichtige Leinwand mit zwei parallelen Schlitzen gerichtet, hinter der eine Projektionswand installiert ist. Dieses Experiment demonstriert die Interferenz von Licht, was ein Beweis für die Wellentheorie ist. Die Besonderheit der Schlitze besteht darin, dass ihre Breite ungefähr gleich der Wellenlänge des emittierten Lichts ist. Die Auswirkung der Schlitzbreite auf die Interferenz wird unten diskutiert.

Angenommen, Licht besteht aus Teilchen ( Korpuskulare Theorie des Lichts), dann würde man auf dem Projektionsschirm nur zwei parallele Lichtbänder sehen, die durch die Schlitze des Schirms treten. Dazwischen bliebe die Projektionswand praktisch unbeleuchtet.

Fresnel-Biprisma - in der Physik ein Doppelprisma mit sehr kleinen Winkeln an den Spitzen.
Das Fresnel-Biprisma ist ein optisches Gerät, das es einer Lichtquelle ermöglicht, zwei kohärente Wellen zu bilden, die es ermöglichen, ein stabiles Interferenzmuster auf dem Bildschirm zu beobachten.
Das Frenkel-Biprisma dient dem experimentellen Nachweis der Wellennatur des Lichts.

Fresnel-Spiegel sind ein optisches Gerät, das 1816 von O. J. Fresnel zur Beobachtung des Phänomens interferenzkohärenter Lichtstrahlen vorgeschlagen wurde. Das Gerät besteht aus zwei Planspiegeln I und II, die einen Flächenwinkel bilden, der nur um wenige Bogenminuten von 180° abweicht (siehe Abb. 1 im Punkt Lichtinterferenz). Wenn die Spiegel von einer Quelle S beleuchtet werden, können die von den Spiegeln reflektierten Strahlenbündel als von kohärenten Quellen S1 und S2 stammend angesehen werden, die imaginäre Bilder von S sind. In dem Raum, in dem sich die Strahlen überlappen, tritt Interferenz auf. Ist die Quelle S linienförmig (Spalt) und parallel zur FZ-Kante, so wird bei Beleuchtung mit monochromatischem Licht ein Interferenzmuster in Form von äquidistanten dunklen und hellen Streifen parallel zum Spalt auf dem einbaubaren Schirm M beobachtet irgendwo im Strahlüberlappungsbereich. Der Abstand zwischen den Bändern kann verwendet werden, um die Wellenlänge des Lichts zu bestimmen. Experimente mit PV waren einer der entscheidenden Beweise für die Wellennatur des Lichts.

9. Interferenz von Licht in dünnen Filmen. Bedingungen für die Bildung heller und dunkler Streifen im Auf- und Durchlicht.

10. Streifen gleicher Neigung und Streifen gleicher Dicke. Newtonsche Interferenzringe. Radien von dunklen und hellen Ringen.

11. Interferenz von Licht in dünnen Schichten bei senkrechtem Lichteinfall. Aufklärung optischer Geräte.

12. Optische Interferometer von Michelson und Jamin. Bestimmung des Brechungsindex eines Stoffes mit Zweistrahlinterferometern.

13. Das Konzept der Mehrweginterferenz von Licht. Fabry-Perot-Interferometer. Addition einer endlichen Anzahl von Wellen gleicher Amplitude, deren Phasen eine arithmetische Folge bilden. Abhängigkeit der Intensität der resultierenden Welle von der Phasendifferenz der interferierenden Wellen. Die Bedingung für die Bildung der Hauptmaxima und -minima der Interferenz. Die Art des Mehrstrahl-Interferenzmusters.

14. Das Konzept der Wellenbeugung. Wellenparameter und Grenzen der Anwendbarkeit der Gesetze der geometrischen Optik. Huygens-Fresnel-Prinzip.

15. Methode der Fresnelzonen und Nachweis der geradlinigen Lichtausbreitung.

16. Fresnel-Beugung an einem runden Loch. Fresnelzonenradien für sphärische und ebene Wellenfronten.

17. Lichtbeugung an einer undurchsichtigen Scheibe. Berechnung der Fläche von Fresnel-Zonen.

18. Das Problem der Vergrößerung der Amplitude der Welle beim Durchgang durch ein rundes Loch. Amplituden- und Phasenzonenplatten. Fokussier- und Zonenplatten. Fokussierlinse als Grenzfall einer gestuften Phasenzonenplatte. Zonierungslinsen.